CN102545775B - 一种基于单位冲程能量的抽油机变频控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于单位冲程能量的抽油机变频控制方法，包括以下步骤：(1)测量抽油机的输入电压和输入电流，计算抽油机的瞬时有功功率；(2)根据异步电动机的数学模型，利用电机的参数、输入电压和输入电流，计算抽油机的实际运行频率；(3)基于自适应线性最优滤波的锁相环技术，计算瞬时有功功率的周期；(4)计算抽油机单位冲程能量；(5)利用单位冲程能量作为控制参数，对抽油机进行自动变频控制。与现有技术相比，本发明具有提高抽油机效率、节约电能、降低了成本等优点。

Description

一种基于单位冲程能量的抽油机变频控制方法

技术领域

本发明涉及一种抽油机变频相关技术，尤其是涉及一种基于单位冲程能量的抽油机变频控制方法。

背景技术

针对抽油机变频控制的问题，国内外常用的抽油机变频装置基本上是开环控制，自动化程度低，调整抽油机工作制度基本上靠手动方式，不能实时的根据油井工况改变控制参数。有些智能变频装置具有闭环控制功能，但是需要应用载荷、位移传感器等装置，在油田这种工况比较复杂的环境下不便于安装和维护，降低了装置的可靠性。

经对现有技术文献的检索发现，在倪振文，赵来军和职黎光所著的《智能化抽油系统在游梁式抽油机上的应用》(大庆石油学报，2000，24(3)：第71-73页)中提出在各种摩擦、冲次一定的情况下，电动机输出功率与泵充满度成正比，根据电机输出功率和充满度的关系实现抽油机的实时闭环变频控制。不足之处是：在抽油机正常运行时，电机输出功率是一个近似周期性变化的量，不便于作为控制参数控制抽油机。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种提高抽油机效率、节约电能、降低了成本的基于单位冲程能量的抽油机变频控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于单位冲程能量的抽油机变频控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)测量抽油机的输入电压和输入电流，计算抽油机的瞬时有功功率；

(2)根据异步电动机的数学模型，利用电机的参数、输入电压和输入电流，计算抽油机的实际运行频率；

(3)基于自适应线性最优滤波的锁相环技术，计算瞬时有功功率的周期；

(4)计算抽油机单位冲程能量；

(5)利用单位冲程能量作为控制参数，对抽油机进行自动变频控制。

所述的步骤(1)测量抽油机的输入电压和输入电流，计算抽油机的瞬时有功功率具体为：

测量抽油机的三相定子电压和电流，经过3s/2s变换为αβ坐标系上，即u_sα、u_sβ、i_sα、i_sβ，所以抽油机的瞬时有功功率为：

p＝u_sαi_sα+u_sβi_sβ                                  。

所述的步骤(2)根据异步电动机的数学模型，利用电机的参数、输入电压和输入电流，计算抽油机的实际运行频率具体为：

在静止αβ坐标系上异步电动机的数学模型为：

电压方程

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}}\\ u_{\mathrm{s\β}}\\ u_{\mathrm{r\α}}\\ u_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{R}_s+L_{s}p& 0& L_{m}p& 0\\ 0& R_s+L_{s}p& 0& L_{m}p\\ L_{m}p& {\mathrm{\ωL}}_m& R_r+L_{r}p& {\mathrm{\ωL}}_r\\ -{\mathrm{\ωL}}_m& L_{m}p& -{\mathrm{\ωL}}_r& R_r+L_{r}p\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\\ i_{\mathrm{r\α}}\\ i_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]$

磁链方程

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{L}_s& 0& L_m& 0\\ 0& L_s& 0& L_m\\ L_m& 0& L_r& 0\\ 0& L_m& 0& L_r\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\\ i_{\mathrm{r\α}}\\ i_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]$

电机角速度等于同步角速度ω_s与转差角速度ω_sl之差，由于转差角速度ω_sl很小，因此：

ω≈ω_s

同步角速度由静止αβ坐标系下的定子电压方程式推得，

${\mathrm{\ω}}_s=\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\θ}}_s=\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\mathrm{arctg}\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}}\right]$

$=\frac{{\mathrm{p\ψ}}_{\mathrm{s\β}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}-{\mathrm{p\ψ}}_{\mathrm{s\α}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}^2}$

由静止αβ坐标系下的定子电压方程，推导出磁链的表达式，代入上式，得到

${\mathrm{\ω}}_s=\frac{(u_{\mathrm{s\β}}-R_s{i}_{\mathrm{s\β}}){\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}-(u_{\mathrm{s\α}}-R_s{i}_{\mathrm{s\α}}){\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}^2}$

把ω_s换算成抽油机的实际运行频率f_s；

其中L_s、L_r、L_m分别为定子自感、转子自感和两者间互感，u_sα、u_sβ、u_rα、u_rβ分别为定子、转子相电压在αβ参考坐标系上的分量，i_sα、i_sβ、i_rα、i_rβ分别为定子、转子相电流在αβ参考坐标系上的分量，ψ_sα、ψ_sβ、ψ_rα、ψ_rβ分别为定子、转子磁链在αβ参考坐标系上的分量；R_s、R_r为电机定子、转子电阻；ω为电机转速。

所述的步骤3)中的基于自适应线性最优滤波的锁相环技术，计算瞬时有功功率的周期具体为：

在抽油机正常运作是，单位冲程时间T和抽油机实际运行频率f_s的关系为：

T＝Const/f_s

其中Const是个常数，根据抽油机工况确定，本发明设计中为600。

冲程参考频率为：

f_ref＝1/T

所述的瞬时有功功率的周期即为单位冲程时间T，以f_ref作为基于自适应线性最优滤波的锁相环技术的参考频率，计算瞬时有功功率的周期T＝1/f_ref。

所述的步骤4)中的计算抽油机单位冲程能量W具体为：

$W=\underset{t_0}{\overset{t_0+T}{\∫}}\mathrm{pdt}.$

所述的步骤5)中的利用单位冲程能量作为控制参数，对抽油机进行自动变频控制具体为：

当油井中出油变慢，而抽油机仍然以原来的速度运行，此时测得W减小，通过变频，降低转速来增加单位冲程的时间，使W增大至参考W_ref，具体为：

W_ref-W＞ΔW

f_s减小，增加单位冲程时间T；

|W_ref-W|＜ΔW

f_s不变，保持单位冲程时间T不变；

W_ref-W＜-ΔW

f_s增加，减小单位冲程时间T；

其中W_ref为参考单位冲程能量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、采用闭环控制，可以根据油井的泵充满率，自动变频，使得每次冲程提升的石油量基本不变，提高抽油机的效率，节约电能；

2、不需要增加其它硬件资源包括各种位移、载荷等传感器，方便对已有抽油机变频器进行升级，降低了改造成本。

附图说明

图1为本发明的控制流程图；

图2为本发明实施例中50Hz时单位冲程时间内的功率-时间实测曲线；

图3为本发明实施例中变频后单位冲程时间内的功率-时间实测曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明一种基于单位冲程能量的抽油机变频控制方法，包括以下步骤：

(1)测量抽油机的输入电压和输入电流，计算抽油机的瞬时有功功率；

(2)根据异步电动机的数学模型，利用电机的参数、输入电压和输入电流，计算抽油机的实际运行频率；

(3)基于自适应线性最优滤波的锁相环技术，计算瞬时有功功率的周期；

(4)计算抽油机单位冲程能量；

(5)利用单位冲程能量作为控制参数，对抽油机进行自动变频控制。

其中以上步骤具体内容如下：

(1)测量抽油机的三相定子电压和电流，经过3s/2s变换为αβ坐标系上，即u_sα、u_sβ、i_sα、i_sβ，所以抽油机的瞬时有功功率为：

P＝u_sαi_sα+u_sβi_sβ    (1)

(2)在静止αβ坐标系上异步电动机的数学模型为：

电压方程

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}}\\ u_{\mathrm{s\β}}\\ u_{\mathrm{r\α}}\\ u_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{R}_s+L_{s}p& 0& L_{m}p& 0\\ 0& R_s+L_{s}p& 0& L_{m}p\\ L_{m}p& {\mathrm{\ωL}}_m& R_r+L_{r}p& {\mathrm{\ωL}}_r\\ -{\mathrm{\ωL}}_m& L_{m}p& -{\mathrm{\ωL}}_r& R_r+L_{r}p\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\\ i_{\mathrm{r\α}}\\ i_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]---\left(2\right)$

磁链方程

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{L}_s& 0& L_m& 0\\ 0& L_s& 0& L_m\\ L_m& 0& L_r& 0\\ 0& L_m& 0& L_r\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\\ i_{\mathrm{r\α}}\\ i_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]---\left(3\right)$

电机角速度等于同步角速度ω_s与转差角速度ω_sl之差，转差角速度ω_sl很小，所以有：

ω≈ω_s    (4)

同步角速度可以由静止αβ坐标系下的定子电压方程式推得，

${\mathrm{\ω}}_s=\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\θ}}_s=\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\mathrm{arctg}\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}}\right]$

$=\frac{{\mathrm{p\ψ}}_{\mathrm{s\β}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}-{\mathrm{p\ψ}}_{\mathrm{s\α}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}^2}---\left(5\right)$

由静止αβ坐标系下的定子电压方程，可以推导出磁链的表达式，代入上式，得到

${\mathrm{\ω}}_s=\frac{(u_{\mathrm{s\β}}-R_s{i}_{\mathrm{s\β}}){\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}-(u_{\mathrm{s\α}}-R_s{i}_{\mathrm{s\α}}){\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}^2}---\left(6\right)$

把ω_s换算成抽油机的实际运行频率f_s。

(3)在抽油机正常运行中，单位冲程时间T和抽油机实际运行频率f_s的关系为：

T＝Const/f_s    (7)

冲程参考频率为：

f_ref＝1/T    (8)

利用韩杨、徐琳和曼苏乐等在所著的《一种新的基于自适应线性最优滤波锁相环技术的并网转化器同步方案》(Simulation Modeling Practice andTheory 17(2009)第1299-1345页)提出的自适应线性最优滤波锁相环技术(ALOF-PLL)，当输入信号频率在参考频率附近时，这种锁相环技术具有动态响应快、稳态误差小和抗干扰能力强的优点，这里以f_ref作为参考频率，相当于参考频率随着电机转速变化而变化，保证锁相环能准确计算瞬时有功功率的频率，然后计算单位冲程时间T。

(4)抽油机在单位周期内的能量为：

$W=\underset{t_0}{\overset{t_0+T}{\∫}}\mathrm{pdt}---\left(9\right)$

(5)利用单位冲程能量W作为控制参数，对抽油机进行自动变频控制。

当油井中出油变慢，而抽油机仍然以原来的速度运行，此时测得W减小，通过变频，降低转速，增加单位冲程的时间，使W增大至参考W_ref，

W的调节器采用滞环比较器，即：

W_ref-W＞ΔW    (10)

f_s减小，增加冲程时间T；

|W_ref-W|＜ΔW    (11)

f_s不变，保持冲程时间不变T；

W_ref-W＜-ΔW    (12)

f_s增加，减小冲程时间T。

结合本发明的内容提供以下实施例：

如图1所示，测量抽油机的定子电压和定子电流，经过3/2变换到αβ坐标系上，利用式(1)计算电机瞬时有功功率P，再利用式(2)到式(6)计算电机的实际运行频率，然后利用式(7)和式(8)计算出ALOF-PLL所需要的参考频率f_ref然后利用《一种新的基于自适应线性最优滤波锁相环技术的并网转化器同步方案》中提出的自适应线性最优滤波锁相环技术(ALOF-PLL)计算出单位冲程时间T，再通过式(9)计算出单位冲程时内的能量W。最后利用W作为控制参数，根据式(10)到式(12)如图1中单位冲程能量滞环比较器模块得到变频的信号，图1中转速给定调整器模块根据变频信号调整变频器的给定频率，对抽油机进行变频调速，图1中W_ref是期望的单位冲程能量。

图2和图3是本发明实施例中不同运行频率的时单位冲程时间内的功率一时间实测曲线，以50Hz时运行的单位冲程能量为参考，为66880J，变频后(约30Hz)的单位冲程能量为67160J，误差为0.17％，说明本发明以单位冲程能量对抽油机进行变频控制的方法是可行的。

Claims (4)

1.一种基于单位冲程能量的抽油机变频控制方法，其特征在于，包括以下步骤： 

（1）测量抽油机的输入电压和输入电流，计算抽油机的瞬时有功功率； 

（2）根据异步电动机的数学模型，利用电机的参数、输入电压和输入电流，计算抽油机的实际运行频率； 

（3）基于自适应线性最优滤波的锁相环技术，计算瞬时有功功率的周期； 

（4）计算抽油机单位冲程能量； 

（5）利用单位冲程能量作为控制参数，对抽油机进行自动变频控制； 

所述的步骤（4）中的计算抽油机单位冲程能量W具体为： 

所述的步骤（5）中的利用单位冲程能量作为控制参数，对抽油机进行自动变频控制具体为： 

当油井中出油变慢，而抽油机仍然以原来的速度运行，此时测得W减小，通过变频，降低转速来增加单位冲程的时间，使W增大至参考W_ref，具体为： 

W_ref-W＞ΔW   （10） 

f_s减小，增加单位冲程时间T； 

|W_ref-W|＜ΔW   （11） 

f_s不变，保持单位冲程时间T不变； 

W_ref-W＜-ΔW   （12） 

f_s增加，减小单位冲程时间T； 

其中W_ref为参考单位冲程能量，ΔW为滞环环宽。 

2.根据权利要求1所述的一种基于单位冲程能量的抽油机变频控制方法，其特征在于，所述的步骤（1）测量抽油机的输入电压和输入电流，计算抽油机的瞬 时有功功率具体为： 

测量抽油机的三相定子电压和电流，经过3s/2s变换为αβ坐标系上，即u_sα、u_sβ、i_sα、i_sβ，所以抽油机的瞬时有功功率为： 

p＝u_sαi_sα+u_sβi_sβ   （1）。 

3.根据权利要求2所述的一种基于单位冲程能量的抽油机变频控制方法，其特征在于，所述的步骤（2）根据异步电动机的数学模型，利用电机的参数、输入电压和输入电流，计算抽油机的实际运行频率具体为： 

在静止αβ坐标系上异步电动机的数学模型为： 

电压方程 

磁链方程 

电机角速度等于同步角速度ω_s与转差角速度ω_sl之差，由于转差角速度ω_sl很小，因此： 

ω≈ω_s   （4） 

同步角速度由静止αβ坐标系下的定子电压方程式推得， 

由静止αβ坐标系下的定子电压方程，推导出磁链的表达式，代入上式，得到 

把ω_s换算成抽油机的实际运行频率f_s； 

其中L_s、L_r、L_m分别为定子自感、转子自感和两者间互感，u_sα、u_sβ、u_rα、u_rβ分别为定子、转子相电压在αβ参考坐标系上的分量，i_sα、i_sβ、i_rα、i_rβ分别为定子、转子相电流在αβ参考坐标系上的分量，ψ_sα、ψ_sβ、ψ_rα、ψ_rβ分别为定子、转子磁链在αβ参考坐标系上的分量；R_s、R_r为电机定子、转子电阻；ω为电机转速。 

4.根据权利要求3所述的一种基于单位冲程能量的抽油机变频控制方法，其特征在于，所述的步骤（3）中的基于自适应线性最优滤波的锁相环技术，计算瞬时有功功率的周期具体为： 

在抽油机正常运作时，单位冲程时间T和抽油机实际运行频率f_s的关系为： 

T＝Const/f_s    （7） 

其中Const为600； 

冲程参考频率为： 

f_ref＝1/T   （8） 

所述的瞬时有功功率的周期即为单位冲程时间T，以f_ref作为基于自适应线性最优滤波的锁相环技术的参考频率，计算瞬时有功功率的周期T＝1/f_ref。 

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