CN112653119A - 抽油机用电机微电网系统 - Google Patents

Abstract

一种抽油机用电机微电网系统，包括双绕组的抽油机电机，两套绕组电压等级可以调整，根据风光互补发电系统电压进行匹配。所述双绕组的抽油机电机的1#绕组与作为电机控制器的逆变器电连接，所述双绕组的抽油机电机的2#绕组通过接触器与工频电网电连接，所述工频电网还与作为电机控制器的逆变器电连接以此来把相序信号发送到作为电机控制器的逆变器中。主要解决新能源在抽油机系统应用过程中的系统复杂和可靠性有限的问题。通过提出新的基于双绕组的微电网结构，提高风能和太阳能能源在抽油机系统中的可靠性、适应性和性价比。

Description

抽油机用电机微电网系统

技术领域

本发明属于抽油机技术领域，具体涉及一种抽油机用电机微电网系统，尤其涉及一种抽油机用风光互补双绕组电机微电网系统。

背景技术

抽油机，即油田抽油机，其是开采石油的一种机器设备，俗称“磕头机”。抽油机是有杆抽油系统中最主要举升设备。根据是否有游梁，可分为游梁式抽油机和无游梁式抽油机。油田抽油机作为石油开采过程中的重要装备，在实际运行中需要消耗大量能源。虽然近年来，石油开采技术不断进步，从传统游梁式抽油机，曳引式抽油机、直线电机驱动抽油机、到螺杆泵式抽油机，以及潜油螺杆式抽油机，各种新式采油方法层出不穷。但是，无论采用何种采油方式，都离不开驱动电机和电能的消耗。目前油井抽油机的能量来源，主要有三种形式。第一种方式是采用柴油发动机或者其他内燃机进行现场分布式发电，自发自用，驱动井场电机和其他负荷；第二种方式是油田自建区域性发电厂，自行铺设配电线路到各个抽油机井场；第三种方式是直接从工业或民用电网取电。这三种主流的供电方式，几乎是目前全球所有抽油机的主流供电方法。近年来，随着新能源技术和商业成熟度的不断提高，风力发电、太阳能发电等新的发电形式也在不断完善我国的供电网络。除了通过大型风力发电厂和光伏发电厂的并网集中发电，再传输到终端用电设备，还有采用分布式风能或太阳能发电的供配电模式。尤其对于地理位置比较偏远，远离生活区，并且比较分散的供电终端，这种分布式风光发电的方式具有明显优势。一方面，由于不需要依赖供电线路的铺设，因此在布置上更加灵活；另一方面，随着光伏和小风电的成本大幅度下降，一次性投入和发电成本方面，已经具备大批量推广的基础。因此，综合利用太阳能和风能进行互补式发电，解决偏远和离散型点式终端的用电问题，已经在诸如海岛、牧场、偏远哨所、野外移动作业等场景取得十分广泛的商业化推广。在油田抽油机领域，利用风能或者光伏发电，为井场提供辅助供电，从而节约用电成本的技术，国内也在小范围试点和推广过程中。

目前风力发电和光伏发电在油田抽油机场景的推广，目前主要存在如下几种技术路线。

路线1：建立区域集中风力发电厂或太阳能发电厂，并铺设输变电线路到区域内分散的抽油机井场。这种技术路线的好处是，能够集中建设资源，当抽油机井场相对分布集中时，供配电线路投入相对较少，同时在征地和建设方面，更加集中。当然缺点就是，如果井场分布较为分散，供配电线路投资大，占用沿途土地资源。如图1所示即为路线1的发输变电系统架构。

路线2：直接在每个井场建立小型分布式风力发电站，或者光伏发电站，自发自用。这种路线的优势是不用铺设输变电线路，直接在每个抽油机井场单独架设风力发电机或者太阳能板。劣势就是，需要根据每个井场的实际环境，进行设计施工安装。考虑到，目前我国的抽油机井场周围地质环境相对较好，建设分布式小型发电厂难度不大。采用这种方法的电气系统架构如图2所示。从图2中可知，太阳能板矩阵通过串并联的方法，经过光伏发电控制器，输出直流电压和电流。同时，风力发电机输出三相交流电，经过整流模块和风力发电机控制模块，输出直流电压和电流。为了实现风光互补发电，光伏电能和风能电能要实现同等电压输出，经过汇流后，对外输出直流电能。为了保证电能输出的连续性，在直流母线上并联储能电池或超级电容，实现削峰填谷的作用。如果光伏发电和风力发电机发电电压不匹配，一般会增加DC/DC变换电压，以满足电压输出相同的条件。由于太阳能电池板和风力发电机的输出直流电压，与工频电网电压不一定完全相等，因此如果要实现工频380V网电的接入，还要进行二次DC/DC变压。因为抽油机要满足全天24小时不间断运行的需求，风光互补发电虽然能够实现昼夜连续发电，但是考虑到全年存在阴天且微风天气，此时要想满足抽油机的满负荷运行，就必须要采用网电，或者有足够大的储能电池或超级电容和备用电源。工频380VAC的网电还要经过AC/DC整流模块实现直流输出。

经过以上DC/DC升压，太阳能电能、光伏电能、网电三种能量来源实现互补，此时采用变频器或者逆变器，对抽油机电机进行驱动和控制。这种电气架构，的确实现了三种能量的互补输出，在大部分时间内，利用太阳能和风能满足抽油机常规运行需求，极端阴天微风天气，网电也能满足抽油机的正常运行。这样就是兼顾了抽油机稳定运行和节能的目标。

具体而言，现有技术的缺陷为：为了兼顾启动能力，抽油机电机控制器的容量选型必定偏大，这样势必带来成本增加。而如果选型较小，则可以满足抽油机稳态运行，但是极端工况就可能出现电机驱动能力不足的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明给出了一种抽油机用电机微电网系统，主要解决新能源在抽油机系统应用过程中的系统复杂和可靠性有限的问题。通过提出新的基于双绕组的微电网结构，提高风能和太阳能能源在抽油机系统中的可靠性、适应性和性价比。

为了克服现有技术中的不足，本发明给出了一种抽油机用电机微电网系统的解决方案，具体如下：

一种抽油机用电机微电网系统，其包括：

本发明与传统方法的主要区别体现在图2和图3中的虚线框内部分模块。本发明提供的解决方案，并不需要将工频380V电网电压进行整流后与风光互补系统输出直流电压并联。由于采用了双绕组的抽油机电机，两套绕组电压等级可以灵活调整，根据风光互补发电系统电压进行匹配。

所述双绕组的抽油机电机的1#绕组与作为电机控制器的逆变器电连接，所述双绕组的抽油机电机的2#绕组通过接触器与380VAC/50HZ的工频电网电连接，所述工频电网还与作为电机控制器的逆变器电连接以此来把相序信号发送到作为电机控制器的逆变器中。

在所述风光互补发电系统方面，如图3所示，其包括光伏发电面板矩阵与光伏发电控制器，根据电压等级和功率需求，调整光伏面板单元的串并联拓扑，实现电压和功率的最优匹配；与此同时，风力发电机输出的三相交流电经过AC/DC整流模块和风力发电机控制器，输出直流电压，并与光伏发电输出的直流电压进行汇流；在汇流母线上设置储能电池或超级电容，对风光发电的电能进行存储。风光发电就是风力发电和光伏发电。

所述风光发电产生的直流电压输出给作为电机控制器的逆变器，经过PWM调制，逆变电压输入给抽油机电机的1#绕组；工频380V电压经过接触器输出给抽油机电机2#绕组，于此同时，工频电网三相电压和相序信息输出给逆变器控制单元。

根据风能、太阳能和抽油机井况的变化，系统可以有4种工作模式，具体如下：

工作模式1：逆变器+抽油机电机的1#绕组单独工作，工频运行。此时，太阳能和风能发电功率能够满足抽油机电机工作需要，或者电池存储电能能够满足抽油机电机全部工作需要，并且抽油机电机不需要调速运行，只需要50Hz工频供电即可满足井况需要；抽油机的2#绕组不工作，对应接触器断开。

工作模式2：逆变器+抽油机电机1#绕组单独工作，变频运行。此时，太阳能和风能发电功率能够满足抽油机电机工作需要，或者电池存储电能能够满足抽油机电机全部工作需要，并且由于井况需要，抽油机电机需要变频调速运行，不再工作在工频50Hz，而是工作在0-50Hz之间，或者50Hz以上的某一频率和转速。

工作模式3：工频380V电网通过接触器单独给抽油机电机2#绕组单独供电，工频运行；

在抽油机电机启动、过载或其他极端工况下，风光互补供电的抽油机电机1#绕组提供的扭矩和功率不足，或者发生故障的情况下，由工频电网供电的2#绕组单独驱动抽油机电机；

工作模式4:风光互补发电对应的1#绕组和工频380V电网对应的2#绕组同时工作。当1#绕组对应的回路正常，但是输出功率不足的情况下，需要2#绕组接入电网，两套绕组同时工作；此时，为了保证两套绕组驱动的同步性，需要采集工频电网三相电压信号，通过相序和相位识别，控制两套绕组的切入时机。

对比图2的现有风光互补分布式发电系统和图3所示的本发明所提出的系统，主要区别体现在如下几个方面。

方面1：抽油机电机不同。传统技术采用单绕组电机，而本发明采用双绕组电机。由于有两套独立的绕组，因此可以设计为不同的电压等级，因此可以实现更加灵活的电气系统电压等级匹配；

方面2：本发明取消了DC/DC升压变压器。风光互补发电系统输出电压与工频380V网电电压实现电气隔离，不再并联到一起。电压等级更加灵活，系统更加可靠；

方面3：工频电网电压不经过整流和逆变，而是直接接入抽油机电机2#绕组，驱动电机。系统电气架构更加灵活，更加可靠；

方面4：抽油机电机1#绕组和2#绕组，根据风光互补发电状态和油井井况变化，可以灵活调整驱动模式，可以有4种模式，包括1#绕组单独变频调速运行，1#绕组单独工频运行。2#绕组单独工频运行，1#和2#绕组同时工频运行。系统鲁棒性更好。

本发明的有益效果为：

本发明在满足抽油机电机稳定运行和节能要求的同时，进一步简化了系统电气架构，取消了DC/DC升压和整流模块，系统结构更加简单，成本更低。其次，两套独立绕组实现了电气解耦，这样两套绕组可以分别采用不同的供电电压。其中一套绕组接入工频电网380VAC，另外一套绕组可以根据风光互补发电系统的直流电压而在电压等级的设计更加灵活。最后，抽油机1#绕组对应的变频控制器(或逆变控制器)的容量选择可以更小，进一步降低系统成本。抽油机设备具有重载启动，轻载运行的特点，瞬间启动以及极端井况需要的电机转矩较大，而一旦稳定运行后，负载较小。

附图说明

图1是现有技术的路线1的太阳能和风能集中发电系统的示意图。

图2是现有技术的路线2的风光互补分布式发电系统的示意图。

图3是本发明的所述抽油机用电机微电网系统的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步地说明。

如图1-图3所示，抽油机用电机微电网系统，其包括：

本发明与传统方法的主要区别主要体现在图2和图3中的虚线框内部分模块。本发明提供的解决方案，并不需要将工频380V电网电压进行整流后与风光互补系统输出直流电压并联。由于采用了双绕组的抽油机电机，两套绕组电压等级可以灵活调整，根据风光互补发电系统电压进行匹配。

所述双绕组的抽油机电机的1#绕组与作为电机控制器的逆变器电连接，所述双绕组的抽油机电机的2#绕组通过接触器与380VAC/50HZ的工频电网电连接，所述工频电网还与作为电机控制器的逆变器电连接以此来把相序信号发送到作为电机控制器的逆变器中。

在所述风光互补发电系统方面，如图3所示，其包括光伏发电面板矩阵与光伏发电控制器，根据电压等级和功率需求，调整光伏面板单元的串并联拓扑，实现电压和功率的最优匹配；与此同时，风力发电机输出的三相交流电经过AC/DC整流模块和风力发电机控制器，输出直流电压，并与光伏发电输出的直流电压进行汇流；在汇流母线上设置储能电池或超级电容，对风光发电的电能进行存储。风光发电就是风力发电和光伏发电。

所述风光发电产生的直流电压输出给作为电机控制器的逆变器，经过PWM调制，逆变电压输入给抽油机电机的1#绕组；工频380V电压经过接触器输出给抽油机电机2#绕组，于此同时，工频电网三相电压和相序信息输出给逆变器控制单元。

根据风能、太阳能和抽油机井况的变化，系统可以有4种工作模式，具体如下：

工作模式1：逆变器+抽油机电机的1#绕组单独工作，工频运行。此时，太阳能和风能发电功率能够满足抽油机电机工作需要，或者电池存储电能能够满足抽油机电机全部工作需要，并且抽油机电机不需要调速运行，只需要50Hz工频供电即可满足井况需要；抽油机的2#绕组不工作，对应接触器断开。

工作模式2：逆变器+抽油机电机1#绕组单独工作，变频运行。此时，太阳能和风能发电功率能够满足抽油机电机工作需要，或者电池存储电能能够满足抽油机电机全部工作需要，并且由于井况需要，抽油机电机需要变频调速运行，不再工作在工频50Hz，而是工作在0-50Hz之间，或者50Hz以上的某一频率和转速。

工作模式3：工频380V电网通过接触器单独给抽油机电机2#绕组单独供电，工频运行；

在抽油机电机启动、过载或其他极端工况下，风光互补供电的抽油机电机1#绕组提供的扭矩和功率不足，或者发生故障的情况下，由工频电网供电的2#绕组单独驱动抽油机电机；

工作模式4:风光互补发电对应的1#绕组和工频380V电网对应的2#绕组同时工作。当1#绕组对应的回路正常，但是输出功率不足的情况下，需要2#绕组接入电网，两套绕组同时工作；此时，为了保证两套绕组驱动的同步性，需要采集工频电网三相电压信号，通过相序和相位识别，控制两套绕组的切入时机。

对比图2的现有风光互补分布式发电系统和图3所示的本发明所提出的系统，主要区别体现在如下几个方面。

方面1：抽油机电机不同。传统技术采用单绕组电机，而本发明采用双绕组电机。由于有两套独立的绕组，因此可以设计为不同的电压等级，因此可以实现更加灵活的电气系统电压等级匹配；

方面2：本发明取消了DC/DC升压变压器。风光互补发电系统输出电压与工频380V网电电压实现电气隔离，不再并联到一起。电压等级更加灵活，系统更加可靠；

方面3：工频电网电压不经过整流和逆变，而是直接接入抽油机电机2#绕组，驱动电机。系统电气架构更加灵活，更加可靠；

方面4：抽油机电机1#绕组和2#绕组，根据风光互补发电状态和油井井况变化，可以灵活调整驱动模式，可以有4种模式，包括1#绕组单独变频调速运行，1#绕组单独工频运行。2#绕组单独工频运行，1#和2#绕组同时工频运行。系统鲁棒性更好。

采用本发明的技术路线，主要带来三个方面的效果。

优势1：在满足抽油机电机稳定运行和节能要求的同时，进一步简化了系统电气架构，取消了DC/DC升压和整流模块，系统结构更加简单，成本更低；

优势2：两套独立绕组实现了电气解耦，这样两套绕组可以分别采用不同的供电电压。其中一套绕组接入工频电网380VAC，另外一套绕组可以根据风光互补发电系统的直流电压，这样在电压等级的设计更加灵活。

优势3：绕组1对应的变频控制器(或逆变控制器)的容量选择可以更小，进一步降低系统成本。抽油机设备具有重载启动，轻载运行的特点，瞬间启动以及极端井况需要的电机转矩较大，而一旦稳定运行后，负载较小。如果采用图2所示的电气架构，为了兼顾启动能力，抽油机电机控制器的容量选型必定偏大，这样势必带来成本增加。而如果选型较小，则可以满足抽油机稳态运行，但是极端工况就可能出现电机驱动能力不足的问题。而采用本发明提出的电气架构，在风能和太阳能充足，且抽油机稳定轻载运行的时候，采用绕组1运行。当风能和太阳能不足或者极端井况需要大扭矩输出的时候，采用工频网电和绕组2的运行方式。这样的电气架构，在满足系统节能的同时，也降低了变频器选型容量，系统成本进一步降低。

采用本发明提出的电气架构，在风能和太阳能充足，且抽油机稳定轻载运行的时候，采用1#绕组运行。当风能和太阳能不足或者极端井况需要大扭矩输出的时候，采用工频网电和2#绕组同时运行。这样的电气架构，在满足系统节能的同时，也降低了变频器选型容量，系统成本进一步降低。

以上以用实施例说明的方式对本发明作了描述，本领域的技术人员应当理解，本公开不限于以上描述的实施例，在不偏离本发明的范围的情况下，可以做出各种变化、改变和替换。

Claims (4)

1.一种抽油机用电机微电网系统，其特征在于，包括：

双绕组的抽油机电机，两套绕组电压等级可以调整，根据风光互补发电系统电压进行匹配。

所述双绕组的抽油机电机的1#绕组与作为电机控制器的逆变器电连接，所述双绕组的抽油机电机的2#绕组通过接触器与工频电网电连接，所述工频电网还与作为电机控制器的逆变器电连接以此来把相序信号发送到作为电机控制器的逆变器中。

2.根据权利要求1所述的抽油机用电机微电网系统，其特征在于，在所述风光互补发电系统方面，其包括光伏发电面板矩阵与光伏发电控制器，根据电压等级和功率需求，调整光伏面板单元的串并联拓扑，实现电压和功率的最优匹配；与此同时，风力发电机输出的三相交流电经过AC/DC整流模块和风力发电机控制器，输出直流电压，并与光伏发电输出的直流电压进行汇流；在汇流母线上设置储能电池或超级电容，对风光发电的电能进行存储。

3.根据权利要求1所述的抽油机用电机微电网系统，其特征在于，所述风光发电产生的直流电压输出给作为电机控制器的逆变器，经过PWM调制，逆变电压输入给抽油机电机的1#绕组；工频380V电压经过接触器输出给抽油机电机2#绕组，于此同时，工频电网三相电压和相序信息输出给逆变器控制单元。

4.根据权利要求1所述的抽油机用电机微电网系统，其特征在于，根据风能、太阳能和抽油机井况的变化，系统可以有4种工作模式，具体如下：

工作模式1：逆变器+抽油机电机的1#绕组单独工作，工频运行。此时，太阳能和风能发电功率能够满足抽油机电机工作需要，或者电池存储电能能够满足抽油机电机全部工作需要，并且抽油机电机不需要调速运行，只需要50Hz工频供电即可满足井况需要；抽油机的2#绕组不工作，对应接触器断开。

工作模式2：逆变器+抽油机电机1#绕组单独工作，变频运行。此时，太阳能和风能发电功率能够满足抽油机电机工作需要，或者电池存储电能能够满足抽油机电机全部工作需要，并且由于井况需要，抽油机电机需要变频调速运行，不再工作在工频50Hz，而是工作在0-50Hz之间，或者50Hz以上的某一频率和转速。

工作模式3：工频380V电网通过接触器单独给抽油机电机2#绕组单独供电，工频运行；

在抽油机电机启动、过载或其他极端工况下，风光互补供电的抽油机电机1#绕组提供的扭矩和功率不足，或者发生故障的情况下，由工频电网供电的2#绕组单独驱动抽油机电机；

工作模式4:风光互补发电对应的1#绕组和工频380V电网对应的2#绕组同时工作。当1#绕组对应的回路正常，但是输出功率不足的情况下，需要2#绕组接入电网，两套绕组同时工作；此时，为了保证两套绕组驱动的同步性，需要采集工频电网三相电压信号，通过相序和相位识别，控制两套绕组的切入时机。

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