抽油机节能装置系统设计

1、中国高校电力电子与电力传动学术年会 (SPEED 2016)集抽油机节能装置系统设计穆向阳(陕西省油气井测控技术西安石油大学电子陕西西安 710065)摘要：抽油机是油气井开采过程必不可少的重要设备之一，因其正常工作中的部分时间处于发电状态造成大量的电能浪费，目前成为油气田的耗能大户之一。为响应国家节能降耗绿色环保的国策，针对上述问题，选用 TMS320F2812 为控制器，采用空间电压矢量脉宽调制（ Space VectorPulse Width Modulation，SV）技术，设计了一种提高直流电压利用率的回馈系统实验装置，实现了驱动抽油机的变频器的能量回馈。研制模拟样机，实验仿真结果表

2、明该系统设计合理，不仅能够提高能量回馈逆变电路对直流电压的利用率, 而且可减少逆变电能总谐波失真。系统可以推广应用到油气田抽油机的节能降耗装置中。图 1.1主电路拓扑对我国目前的抽油机数量保守估计有10以：能量回馈DSP SV变频器上，在实际使用上，大约有65%的电或空载状况下工作，存在所谓的“大经常在轻载小车”状态。1. 引言抽油机都使用变频器来驱动电机。通常变频器为电压型 AC/DC/AC 变频器，在正常工作时，电机有两种工作状态：电动状态和发电状态的，当电机处于发电状态时，产生的再生电能会不断的积累在直流测的滤波电容上面，从而产生泵升电压。过高的泵升电特别是驱动有杆采油泵的游抽油机的电，

3、它，工采用的驱动电绝大部分为鼠笼式异步电作时承受周期性变化的负荷，平均负荷率一般为30%以下，有的甚至更低。负载的变化周期在520秒内不等。考虑到启动负荷以及复杂地质状况等的影的额定功响，大部分游抽油机选用是驱动电压会损坏器件，到变频器1。最传统的率是工作周期输出功率的23倍左右。图1.2为抽油机结构简图。方法是通过能耗制动来消除泵升电压，但是能耗制动也存在制动电阻体积大，散热重的缺点2。，而且能量浪费严为了实现节能降耗绿色环保一般使用能量回馈法。抽油机能量回馈装置的主要工作是将电在发电状态时在电容 C1 上产生的泵升电压逆变成交流电，最终回馈给电网3。其主要拓扑结构如图 1.1 所示，主要由

4、三相逆变桥、储能电容、滤波电感等电路4。当电工作在电动状态时，全桥逆变器 V1-V6 全部处于关断状态，此时没有能量流入电网；当抽油机工作在发电状态，产生的能量会使变频器直流母线侧电容电压泵升，若检测到直流母线侧电压超过启动全桥有源逆变器的工作电压，抽油机能量回馈装置开始工作，将电能回馈至电网。随着电容能图1 抽油机结构简图2.系统控制方案与控制策略为了保证三相逆变器能够准确、有效地将直流电逆变成交流电，并回馈至电网，需要对输入的电压、电流进行精确控制。首先,要控制电流，保证电流为正弦，并且要与电压同相或反相。其次，要控制电压，保证逆变器输出端的电压与电网同频率、同相位、同量的，直流母线电压逐

5、渐下降，若小于启动逆变的电压时，回馈装置停止工作5。685中国高校电力电子与电力传动学术年会 (SPEED 2016)集，电网才能保证不被污染7。幅值。为了能够准确地控制逆变器的工作，需要安装控制系统。目前，在逆变控制中，常用的控制算法是正弦脉宽调制（ S）和电压空间矢量脉宽调制（SV）。与 S相比较，SV脉宽调制图 3.1控制系统仿真模型具有电压利用率高、谐波小、易于控制的优点，因此，本系统中使用 SV技术8。为了使逆变器具有快速限流能力，本系统采闭环控制结构，内环为逆变器电流环，外环为负荷电压环9。如图 2-1，外环控制负荷电压（Uload ）跟qd随 50Hz 三相平衡参考电压（U re

6、f ）变化，并产生逆qd变器参考电流 Icmd ，并对其进行限幅。内环相应地qd图 4 能量回馈系统仿真模型产生流变化。参考电压，控制逆变器电流跟随其参考电参考电压采型的电压空间矢量算法实现10。图 2 控制系统框图实验模拟实验模拟基于上述设计与仿真图 5 线电压仿真波形搭建了模拟，图3.1.1 是搭建的低压环境下能量回馈实验装置。图 6 回馈电压电流波形4.结论以TI 的TMS320F2812 微控制器为图 3 低压微网实验模拟3.2 仿真实验抽油机能量回馈仿真模型如图 3.2.1 所示，使用设计的抽油机能量回馈系统，采用空间电压矢量脉宽调制SV的方式产生来驱动逆变电路工作并将（SV）整流器

7、定频控制的方案，可以使系统直逆变产生的电能回馈到三相交流电网，逆变产生的线电压波形如图 3.2.2 所示，图 3.2.3 为回馈的电压电流波形。流电压利用率高，谐波失真率小，有效地提高能量回馈的效率。686等 抽油机节能装置系统设计参考文献1 单栋梁，中，等， 能量回馈式电压型流器的研究J . 电气工矿自动化, 2010, 36(6):77-80.整2 Zhenyu Yu. Space-VectorWith TMS320C24x/F24xUsing Hardware and Software Determined SwitchingPatternsR. Texas Instruments Li

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