CN106786728B - 一种储能环保型抽油机配电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储能环保型抽油机配电系统，主整流单元将低压交流电整流并传输到直流母线；多条直流配出线连接到直流母线，每条直流配出线通过换流单元为偶数个电机提供电能，偶数个电机驱动与其匹配的抽油机工作；通过换流单元的控制调整电机数量与不受控的电机数量相等；换流单元设置有控制器，控制器采集抽油机的位置信号，通过控制双向换流单元调节电机，从而实现处于上升状态与下降状态的抽油机数量相等。本发明可以采用电机替代了交流电机，转矩大、易调整；采用滤波单元进行滤波，提高直流母线稳定性；采用储能单元存储倒发电所产生的电能，提高了电能使用率。

Description

一种储能环保型抽油机配电系统

技术领域

本发明涉及一种抽油机配电系统，特别涉及一种储能环保型抽油机配电系统，属于电力节能技术领域。

背景技术

目前，抽油机是目前采油生产中的主要设备，它由电动机、减速箱和四连杆机构(包括曲柄、连杆和游梁)等组成。我国的油田多为低产油井，抽油机用电量约占油田总用电量的40％，数量达10万台以上，运行效率较低，电能浪费大，所以亟需对抽油机系统进行节能改造。

抽油机是位能性负载，在下冲程时，电动机会出现转子转速大于电机的同步转速，使电动机变为发电机状态，这种状态也被称为倒发电状态。在倒发电状态时产生的电能，现有技术中，倒发电的电能处理方法有三种：一是采用能耗制动的方法，将倒发电的能量用电阻消耗掉，这种方式成本相对较低，但浪费电能；二是回馈方式，通过回馈单元或四象限变频器的可控整流桥将电能回馈电网，这种方式成本很高，对电网的影响也更严重，不适合推广应用；三是采用共直流母线方式，将能量传递给其它负载使用，这种方式成本低，也节能，但在大多场合使用有局限性。

现有的一种基于最佳冲次辨识的抽油机智能控制系统中公开了抽油机智能控制系统由抽油机专用变频器、直流电抗器和智能控制卡组成的智能系统和旁路系统两部分。智能系统通过变频器的电流和电压检测回路检测电机的瞬时电压和瞬时电流，计算出电机的瞬时功率(含负功率)，以通讯方式将瞬时功率传送至智能控制卡。智能控制卡对瞬时功率作数据处理，得到抽油机的冲次电耗量。检测到抽油机在不同冲次下的冲次电耗，通过基于产液量最大化的最佳冲次辨识数学模型计算出最佳冲次及对应的冲次电耗，完成对油井工况的自学习。智能控制卡控制变频器在最佳冲次对应的频率运行，实时检测的到冲次电耗的变化情况对抽油机进行闭环控制，跟踪井下的供液情况，实现供采平衡、增产增效、节能降耗。但是本方案采用专利变频器的成本会比较高，同时异步电动机由于经常处于功率因数较低的状态，也会引起电能浪费。由于直流电动机具有良好的起动、制动和调速性能；能快速起、制动，正、反转；能在十分宽广的范围内平滑而经济地调节速度。在对抽油机进行改造时，引起人们的重视。

另一种组合式抽油机优化节能控制器包括直流母线、频率控制器以及转换器，在直流母线输入端设置有整流储能器，在该整流储能器输入端上并联连接有多个再生能量回馈器。当直流母线上电源过高于再生能量回馈器的电源而自动工作时，所述整流储能器把过剩的电能经过直流母线输给到频率控制器，频率控制器经转换器运输到抽油机；可避免现有技术中因直流母线电压过高时因变频器而造成的停机现象的发生。同时，因整流储能器把过剩的电能运输到抽油机，可以达到节能电能的效果。该方案由于变频设备的存在，使得母线的谐波增加，电机的寿命减少，同时设备的成本较高，增加了企业的成本。另外，电动机倒发电的能量虽然一定程度上得到了缓解，但是还存在继续改进的空间。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：(1)采用直流电机替代交流电机驱动抽油机工作；(2)改善直流母线的电能质量；(3)将电机在下冲程工作时倒发电产生的电能合理使用。

为实现上述的发明目的，本发明提供了一种储能环保型抽油机配电系统，包括高压交流母线、变压器、低压交流母线、抽油机，所述变压器将为自所述高压交流母线的高压交流电转换成低压交流电，并传输到所述低压交流母线，还包括主整流单元、直流母线、多条直流配出线、换流单元及其控制器、电机，其中，

所述主整流单元，用于将低压交流母线的交流电整流形成直流电，并传输到所述直流母线；

所述多条直流配出线与所述直流母线并联，每条直流配出线为偶数个电机提供电能，所述偶数个电机驱动与其匹配的抽油机工作；其中，通过控制器控制的所述换流单元与电机数量与不受控的换流单元与电机数量相等；

所述换流单元设置有控制器，所述控制器采集抽油机的位置信号，通过控制所述换流单元调节电机，从而实现处于上升状态与下降状态的抽油机数量相等。

较优地，所述主整流单元为PWM整流器。

较优地，所述抽油机直流配电系统还包括主路滤波单元，所述主路滤波单元并联至所述直流母线。

较优地，所述主路滤波单元为电容。

较优地，所述抽油机直流配电系统还包括储能单元，所述储能单元并联至所述直流母线。

较优地，所述储能单元为蓄电池组，或者蓄电池组与电容。

较优地，所述抽油机直流配电系统还包括支路滤波单元，所述支路滤波单元并联至所述直流配出线。

较优地，所述支路滤波单元为电容。

较优地，所述主路滤波单元电容的容量小于所述支路滤波单元的容量。

较优地，所述控制器为PLC、DSP或者ARM。

与现有技术相比，本发明提供的一种储能环保型抽油机配电系统，具有以下有益效果：

(1)采用易于调速的直流电机替代了交流电机，转矩大，提高效率；

(2)采用滤波单元将倒发电所产生的电能进行滤波，提高直流母线稳定性；

(3)采用储能单元存储倒发电所产生的电能，在电机需要时进行释放，取代了常用的制动电阻消耗，提高了电能使用率；

(4)采用直流母线可以提高传输距离，极大提高了传输效率。

附图说明

图1是现有技术中抽油机配电系统框图；

图2是本发明提供的一种储能环保型抽油机配电系统框图；

图3是本发明抽油机直流配电系统原理示意图；

图4是本发明倒发电所产生的电能的流向示意图；

标号说明：M代表电机，P代表抽油机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，现有技术中的抽油机配电系统，包括：高压交流母线、变压器、低压交流母线、多个交流电机以及与之匹配的抽油机。由于油井的工况比较复杂，需要对交流电机进行调速，大多引入变频器进行调速，由于普通变频器不能贮存和释放倒发电的电能，会引起直流母线高压升高导致元器件击穿、损坏。

为此，本发明提供的一种储能环保型抽油机配电系统，如图2所示，包括高压交流母线、变压器、低压交流母线、主整流单元、直流母线、多条直流配出线、直流-直流换流单元及其控制器、多个电机以及相匹配的抽油机。变压器的输入端连接至高压交流母线，其输出端连接至低压交流母线。主整流单元的输入端连接至低压交流母线，输出端连接至直流母线。多条直流配出线并联至直流母线，每条直流配出线连接有偶数个支路换流单元，每个换流单元的输出端连接至电机，电机驱动相匹配的抽油机工作。

抽油机配电系统的工作原理如下：变压器将来自高压交流母线的高压交流电转换为低压交流电，并传输至低压交流母线。主整流单元采集低压交流母线的低压交流电进行整流，形成与电机的额定电压相同的直流电，传输至直流母线。并联在直流母线的多个直流配出线为分别通过偶数个换流单元为电机提供电能。电机接通电源后即可运转，从而带动与其匹配的抽油机进行工作。

抽油机在工作时，在电机的驱动下会做固定周期的上下往复运动，把井下的油送到地面。在一个周期内，随着抽油杆的上升与下降，电机会工作在电动/发电状态，即上升过程电机从直流配出线吸收能量电动运行；在下降过程电机的负载性质为位势负载，加之井下的负压使得电机受抽油机拖动转动，此时电动机处于发电状态，把机械能量转换成电能回馈到直流配出线。

优选地，本发明主换流单元采用PWM整流器。如图3所示，PWM整流器整流时，电能从低压交流母线传输至直流母线；PWM整流器逆变时，电能从直流母线传输至交流母线。通过上述过程，可以解决电机倒发电时，直流母线电压升高的问题。

由于多个电机工作在不同的状态，有一部分处于下降过程倒发电，有一部分处于上升过程需要电能，他们的数量有可能相等，或多或少，这样，就会对直流母线造成一定程度的影响，影响到其他电机。现场实验证明，当上升过程与下降过程的电机数量相等时，电能利用率最高。

为此，本发明将直流配出线上并联偶数个抽油机，并为每个抽油机配置悬点采集单元，采集悬点的位置信号。将采集单元所采集的位置信号上传到控制器，由控制器根据每个抽油机的位置信息判断其处于上升状态还是下降状态，通过控制换流单元调节电机，使上升状态与下降状态的电机数量相等。

在其中下降状态的电机处于倒发电时，还是会引起直流配出线的电压波动。为消除上述影响，本发明还在直流配出线并联滤波单元，降低倒发电产生的电能波动，使直流配出线的供电质量能够得到保证，从而不会影响其他电机的性能。

优选的，控制器选用可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)、数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)、或者ARM处理器。

优选地，本发明的滤波单元采用电容构成。该电容的主要作用为滤波。该电容可以吸收超过直流配出线电压的电能，起动平滑倒发电所产生电能的作用。

另一方面，电容还能储存一部分的倒发电电能，进而稳定直流母线的电压。倒发电时，直流发电机的电压高于直流母线电压，因此可为电容充电，将能量储存在电容中。当处于电动状态的电机需要能量较多，电容释放能量提供给电机，使直流配出线电压稳定，提供较高质量的电能。

本发明使处于上冲程与处于下冲程的抽油机数量保持相等，因此对直流配出线的影响比较小。增加电容即解决上述影响，此时配电系统中的能量的利用率较高。

但是，当一些电机出现故障时，在某一时刻会出现处于下冲程的电机数量远大于处于上冲程的电机数量的情况，此时对直流配出线的影响非常大。此时电容已经存储了较多的电能，由于其容量有限，不能应付此时的恶劣电场环境，此时直流配出线的电压继续升高，并将电压变化向直流母线进行反馈。

为保持直流母线电压稳定，本发明还设置了主路滤波单元，该主路滤波单元与直流母线并联，通过吸纳直流母线上面的波动信号保持电压稳定。

较优地，本发明还在直流母线上面并联有储能单元，储能单元可以进一步存储多余的电能。由于储能单元可以将容量设计的比较大，因此可以很好的解决上面的问题。当倒发电所产生的电能较多时，触发储能单元进行工作储存电能。当处于上冲程状态的电机较多时，释放电能，从而保证直流母线的电压稳定。更重要的是，可以使倒发电的电能得到最大程度的利用，避免了利用电阻消耗这些电能的情况。

优选的，本发明的储能单元采用蓄电池组，或者电容组。

如果储能单元的容量过大，也会增加相应的成本。因此，本发明在储能单元储存的能量达到额定值时，会启动主整流单元，此时，由主整流单元将倒发电所产生的电能转换成交流电，回馈到低压交流母线。

本发明提供的储能环保型抽油机配电系统的工作过程如下：(1)主整流单元将来自低压交流母线整流成直流电传输至直流母线，直流配出线接收来自直流母线的直流电；(2)控制器采集抽油机的位置信号，判断抽油机处于上升状态还是下降状态，通过控制直流-直流换流单元调节与其相连的电机，使得处于上升阶段的抽油机数量与处于下降阶段的抽油机数量保持相等。

如图4所示，本实施例中，主整流单元采用PWM整流器，主路滤波单元采用电容，主路储能单元采用蓄电池，支路滤波单元采用电容，控制器选用PLC。

变压器将高压交流电进行转换生成低压交流电传输到低压交流母线。主路PWM整流器将低压交流电进行整流，形成直流电，并传输至直流母线。并联到直流母线的多条直流配出线分别连接有2个支路PWM整流器，支路PWM整流器为电机供电，从而驱动抽油机工作。此时，直流配出线与支路PWM整流器以及电机构成了一个用电单元。即一条直流母线上面并联多个用电单元。

如图4所示，当下降状态的电机倒发电时，所产生的电能会通过支路PWM整流器反馈至直流配出线，此时电容C2会吸收谐波，并吸收部分电能，从而保证直流配出线电压稳定。由于PLC会通过采集单元(图中未标出)实时采集抽油机的位置信号，保证两个抽油机分别处于上升状态和下降状态，此时整个配电系统处于相对平衡状态，即处于下降状态的电机倒发电的电能能够由处于上升状态的电机所利用，电能的利用率比较高。即倒发明所产生的电能首先在自身所在的用电单元内进行储存、利用。

某一时刻用电单元处于不平衡状态，即用电单元不能自身处理倒发电的电能时，会反馈到直流母线并对其造成影响。

当倒发电所产生的电能较多时，此时电容C1会对反馈的直流电进行滤波，同时吸收一部分电能，如果此时直流母线需要电能，电容向直流母线放电。由于反馈至直流配出线的直流电已经过支路滤波单元的处理，因此，电容C1的容量可以小于直流配出线的电容容量。如果电容吸纳电能至自身的额定值，还有源源不断的电能反馈至直流母线，此时蓄电池组开始储能，同理，如果此时直流母线需要电能，蓄电池组向直流母线放电，放电完成后，电容C1也向直流母线放电。如果蓄电池组存储电能至额定值时，还有反馈的电能，此时则需要触发主路PWM整流器，使其工作在逆变状态，即将直流电逆变为交流电反馈至低压交流母线。通过上面过程，使倒发电的能量得到最大程度的利用，从而解决了现有技术中利用制动电阻消耗电能引起的电能浪费的问题。

由此可以看出，本实施例在储存电能时，分为三个阶段：当倒发电所产生的电能较少时，由电容C2进行储存。当电能继续增加并反馈至直流母线时，由电容C1进行储存，此时蓄电池组不工作；当电能较多时，电容C1的容量已满时，此时蓄电池组工作，继续吸纳多余的电能；当蓄电池组也不能存储电能时，此时触发PWM整流器进行工作，将直流电转换为交流电回馈至电网。

当然，在电机需要较多的电能时，首先将主电容与蓄电池组存储的电能提供给直流母线，期间不足部分由直流母线进行提供。当电容与蓄电池组释放完成后，再完全由直流母线进行提供。

通过分为三个层次的储存电能，以及释放电能，本发明能够尽最大程度的利用倒发电的电能，同时还稳定了直流母线的电压，使电机能够正常工作。

综上所述，本发明提供的一种储能环保型抽油机配电系统，通过从直流母线引出直流配出线，使并联至直流配出线的抽油机构成一个用电单元，首先保证该用电单元内的抽油机一半处于上升状态，一半处于下降状态。另一方面，处于下降状态的电机倒发电的电能会在本用电单元内利用。多余的部分都会反馈到直流母线，由主路滤波单元和储能单元进行处理。通过不同层次的处理，使得倒发电所产生的电能得到了最大程序的利用，相对于利用制动电阻进行消耗的做法，本发明极大提高了电能利用率。同时还提高了直流母线与直流配出线的稳定性，提高了电能质量。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种储能环保型抽油机配电系统，包括高低压交流母线、变压器、直流母线、主整流单元、直流母线及配出线、换流单元及电机、抽油机、控制器；其中，

所述主整流单元，用于将低压交流母线的交流电整流成直流电，并传输到所述直流母线；

多条所述直流配出线连接到所述直流母线，每条直流配出线为偶数个电机提供电能，所述偶数个电机驱动与其匹配的抽油机工作；其中，通过控制器控制的所述换流单元与电机数量与不受控的换流单元与电机数量相等；

所述控制器采集抽油机的位置信号，通过控制所述换流单元调节电机，从而实现处于上升状态与下降状态的抽油机数量相等；

所述抽油机直流配电系统还包括主路滤波单元，所述主路滤波单元并联至所述直流母线，所述主路滤波单元为电容；

所述抽油机直流配电系统还包括储能单元，所述储能单元并联至所述直流母线；

所述抽油机配电系统的储能过程包括：

倒发电所产生的电能首先由支路滤波单元的电容进行储存，当电能继续增加并反馈至直流母线时，由主路滤波单元的电进行储存，此时蓄电池组不工作；当电能较多时，主路滤波单元的电的容量已满时，此时蓄电池组工作，继续吸纳多余的电能；当蓄电池组也不能存储电能时，此时触发所述主整流单元进行工作，将直流电转换为交流电回馈至电网。

2.如权利要求1所述的储能环保型抽油机配电系统，其特征在于，

所述主整流单元为PWM整流器。

3.如权利要求1所述的储能环保型抽油机配电系统，其特征在于，

所述储能单元为蓄电池组，或者蓄电池组与电容。

4.如权利要求1所述的储能环保型抽油机配电系统，其特征在于，

所述抽油机直流配电系统还包括支路滤波单元，所述支路滤波单元并联至所述直流配出线。

5.如权利要求4所述的储能环保型抽油机配电系统，其特征在于，

所述支路滤波单元为电容。

6.如权利要求1或者5所述的储能环保型抽油机配电系统，其特征在于，

所述主路滤波单元电容的容量小于所述支路滤波单元的容量。

7.如权利要求1所述的储能环保型抽油机配电系统，其特征在于，

所述控制器为PLC、DSP或者ARM。

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