CN216381339U - 太阳能供电无轴永磁柔性控制系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种太阳能供电无轴永磁柔性控制系统，该太阳能供电无轴永磁柔性控制系统包括：逆流并网光伏发电模块、抽油机井群环网配电模块和永磁电机驱动模块；其中，所述抽油机井群环网配电模块包括变频单元，所述逆流并网光伏发电模块与所述变频单元连接，所述变频单元与所述永磁电机驱动模块连接；所述永磁电机驱动模块用于与抽油机传动连接。本申请实现了降低抽油机的工作能耗，提高系统效率和抽油机驱动部分的使用寿命，减少检修和维护工作量的技术效果，进而解决了相关技术中抽油机的能耗较高、系统效率较低，抽油机的驱动部分使用寿命低，检修和维护工作量大的问题。

Description

太阳能供电无轴永磁柔性控制系统

技术领域

本申请涉及抽油机控制技术领域，具体而言，涉及一种太阳能供电无轴永磁柔性控制系统。

背景技术

目前油田上大部分使用的是传统驱动系统，即异步电机+皮带传动+减速器等，传统电机末根据负载特性进行针对性的电机设计，造成“大马拉小车”现象，这种现象在油田抽油机井应用则更为突出。带传动装置在过载时，还存在能耗高、采油效率低，调整冲次难度大、抽油机运行效率低，磨损快，寿命短，皮带更换频率高等缺点，使用这种模式的抽油机总效率在国内一般地区平均只有12％～23％，先进地区也不到30％。

目前主要运用的是大电机带动抽油机技术，此项运用属于“大车拉小车”常规使用，该技术面临诸多问题；主要是衡配重与抽油载荷运行不匹配现象存在；电动机匹配不合理、调节方式落后，电动机空载现象严重、功率因数较低，整体系统效率低下，低效电机的大量使用造成巨大的用电浪费；抽油杆下降速度大于电动机转速时存在倒发电现象，增加负荷、浪费电能；降冲次、提高充满度同时，漏失也存在增大可能；冲次调节困难。皮带驱动会给减速机施加一个单边拉力较大，使得减速机轴承及支撑件出现偏磨现象，降低零部件寿命，增加检修及维护工作量。

据统计全国现有抽油机井超过24万台，电机装机容量7000MW，变压器总容量超过80亿kVA，年耗电105亿kwh,占油田生产总能耗42％，电机功率利用率整体偏低，其中小于30％的占47.38％，30-50％之间占 33.83％，50％以上的占18.78％，能耗基数巨大，节能空间非常广阔。

针对相关技术中抽油机的能耗较高、系统效率较低，抽油机的驱动部分使用寿命低，检修和维护工作量大的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

实用新型内容

本申请的主要目的在于提供一种太阳能供电无轴永磁柔性控制系统，以解决相关技术中抽油机的能耗较高、系统效率较低，抽油机的驱动部分使用寿命低，检修和维护工作量大的问题。

为了实现上述目的，本申请提供了一种太阳能供电无轴永磁柔性控制系统，该太阳能供电无轴永磁柔性控制系统包括：逆流并网光伏发电模块、抽油机井群环网配电模块和永磁电机驱动模块；其中，

所述抽油机井群环网配电模块包括变频单元，所述逆流并网光伏发电模块与所述变频单元连接，所述变频单元与所述永磁电机驱动模块连接；

所述永磁电机驱动模块用于与抽油机传动连接。

进一步的，逆流并网光伏发电模块包括太阳能光伏发电单元、第一DC/DC 转换器、逆变器和光伏并网控制单元；

所述太阳能光伏发电单元的输出端与所述第一DC/DC转换器的输入端连接，所述第一DC/DC转换器的输出端与所述逆变器的输入端连接；

所述光伏并网控制单元与所述逆变器和市电连接，用于将由所述逆变器转化后的交流电并入市电电网；所述光伏并网控制单元的输出端与所述变频单元的输入端连接，用于将市电电网中的电能输入所述变频单元。

进一步的，逆流并网光伏发电模块还包括太阳能汇流单元，所述太阳能汇流单元的输入端与多个所述太阳能光伏发电单元连接，所述太阳能汇流单元的输出端与所述第一DC/DC转换器的输入端连接。

进一步的，太阳能光伏发电单元与所述太阳能汇流单元之间设置有单井直流断路器；

所述太阳能汇流单元与所述第一DC/DC转换器之间设置有太阳能直流断路器；

所述光伏并网控制单元与所述变频单元之间设置有电网总断路器；

所述光伏并网控制单元与所述变频单元之间设置有交流计量互感器；

所述逆变器与所述光伏并网控制单元之间设置有太阳能计量表。

进一步的，抽油机井群环网配电模块还包括控制变压器、交流输入电抗器和直流滤波电抗器；

所述控制变压器设于所述光伏并网控制单元和市电之间，所述交流输入电抗器设于所述光伏并网控制单元和所述变频单元之间；

所述直流滤波电抗器设于所述太阳能汇流单元和所述第一DC/DC转换器之间。

进一步的，抽油机井群环网配电模块还包括设于所述光伏并网控制单元输出端的AC/DC整流模块；以及与所述AC/DC整流模块连接的二次回路单元；其中，

所述二次回路单元包括控制电源断路器、熔断保护器、启停控制继电器和多个控制回路，所述控制回路用于控制电子设备，每个所述控制回路均包括第二DC/DC转换器和单路控制断路器。

进一步的，抽油机井群环网配电模块还包括：

启停控制单元，用于控制所述永磁电机驱动模块的开启和停止；

远程/就地切换单元，用于控制选择按钮控制和远程终端控制；

变频器逆变控制单元，用于控制变频单元输出不同参数控制所述永磁电机驱动模块；

人机对话触摸屏单元，用于集成太阳能参数与变频单元实时参数并显示；

单井直流计量单元，用于获取太阳能直流转化输出功率；

交流总计量表，用于获取电能井场总电能使用功率。

进一步的，变频器逆变控制单元包括变频器逆变键盘。

进一步的，永磁电机驱动模块与抽油机通过减速器传动连接。

进一步的，永磁电机驱动模块包括动能回收单元和永磁驱动电机，所述永磁驱动电机与抽油机通过减速器连接。

在本申请实施例中，通过设置逆流并网光伏发电模块、抽油机井群环网配电模块和永磁电机驱动模块；其中，所述抽油机井群环网配电模块包括变频单元，所述逆流并网光伏发电模块与所述变频单元连接，所述变频单元与所述永磁电机驱动模块连接；所述永磁电机驱动模块用于与抽油机传动连接，达到了将太阳能和市电进行互补后向永磁电机驱动模块供电，使变频单元根据负载实时调整输出电压，并利用永磁电机驱动模块作为抽油机的动力源的目的，从而实现了降低抽油机的工作能耗，提高系统效率和抽油机驱动部分的使用寿命，减少检修和维护工作量的技术效果，进而解决了相关技术中抽油机的能耗较高、系统效率较低，抽油机的驱动部分使用寿命低，检修和维护工作量大的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例的结构示意图；

其中，1太阳能光伏发电单元，2太阳能汇流单元，3第一DC/DC转换器，4逆变器，5光伏并网控制单元，6市电，7控制变压器，8太阳能计量表，9直流滤波电抗器，10太阳能直流断路器，11单井直流断路器， 12二次回路单元，13AC/DC整流模块，14交流计量互感器，15抽油机， 16永磁电机驱动模块，17变频单元，18交流输入电抗器，19电网总断路器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。

在本申请中，术语“上”、“下”、“内”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“设置”、“设有”、“连接”、“固定”等应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1所示，本申请实施例提供了一种太阳能供电无轴永磁柔性控制系统，该太阳能供电无轴永磁柔性控制系统包括：逆流并网光伏发电模块、抽油机井群环网配电模块和永磁电机驱动模块16；其中，

抽油机15井群环网配电模块包括变频单元17，逆流并网光伏发电模块与变频单元17连接，变频单元17与永磁电机驱动模块16连接；

永磁电机驱动模块16用于与抽油机15传动连接。

本实施例中，该太阳能供电无轴永磁柔性控制系统主要由三个部分组成，分别为逆流并网光伏发电模块、抽油机井群环网配电模块和永磁电机驱动模块 16。其中逆流并网光伏发电模块作为市电6互补太阳能供电系统中的一种类型，其包括太阳能光伏发电系统和市电系统，当太阳能光伏系统发出的电能充裕时，可将剩余电能馈入公共电网，向市电电网供电；当太阳能光伏系统提供的电力不足时，由市电电网向负载供电。该逆流并网光伏发电模块不但采用太阳能进行供电，还将太阳能供电与市电进行互馈，使得永磁电机驱动模块16的能耗进一步降低，即抽油机15的工作能耗被进一步降低。

由逆流并网光伏发电模块输出的电能进入抽油机井群环网配电模块中的变频单元17，由变频单元17向永磁电机驱动模块16输入电能，该变频单元 17为智能变频，其可根据永磁电机驱动模块16的工作状态实时调整输出电压，包括对输出电流、电压以及对抽油机15的工作频率信息进行采集，并实时分析，采用动态变频控制方式，调整电机转速及柱塞抽汲过程中的速率分布，改善机杆泵设备受力环境，提高泵效，节能降耗。同时变频单元17还具有电机保护功能，如过流、过压、过载保护等等。

永磁电机驱动模块16可与抽油机15传动连接，在接通电源后，由永磁电机驱动模块16输出动力并带动抽油机15动作。与相关技术中驱动电机与抽油机15之间通过皮带传动连接相比，采用永磁电机驱动模块16直接驱动抽油机 15具有传动设备少，传动效率高，减少设备检修和维护工作量的优点。本实施例还包括具有数据采集、远程传输、远程控制等功能软件管理平台，随时远程访问查看实时工况和故障。

本实施例达到了将太阳能和市电6进行互补后向永磁电机驱动模块16供电，使变频单元17根据负载实时调整输出电压，并利用永磁电机驱动模块16 作为抽油机15的动力源的目的，从而实现了降低抽油机15的工作能耗，提高系统效率和抽油机15驱动部分的使用寿命，减少检修和维护工作量的技术效果，进而解决了相关技术中抽油机15的能耗较高、系统效率较低，抽油机15 的驱动部分使用寿命低，检修和维护工作量大的问题。

如图1所示，逆流并网光伏发电模块包括太阳能光伏发电单元1、第一 DC/DC转换器3、逆变器4和光伏并网控制单元5；

太阳能光伏发电单元1的输出端与第一DC/DC转换器3的输入端连接，第一DC/DC转换器3的输出端与逆变器4的输入端连接；

光伏并网控制单元5与逆变器4和市电6连接，用于将由逆变器4转化后的交流电并入市电6；光伏并网控制单元5的输出端与变频单元17的输入端连接，用于将市电6中的电能输入变频单元17。

具体的，需要说明的是，太阳能光伏发电单元1包括多组太阳能板，由于太阳能产生的电能需要并入市电6中，因此需要对其产生的电能进行升压，即通过第一DC/DC转换器3将其升压至预设值后再通过逆变器4将直流转化为交流，最终通过光伏并网控制单元5将其并入电网中。当需要使用电能时，可通过光伏并网控制单元5将已并入太阳能发电电能的市电6电能输入变频单元 17中。

如图1所示，逆流并网光伏发电模块还包括太阳能汇流单元2，太阳能汇流单元2的输入端与多个太阳能光伏发电单元1连接，太阳能汇流单元2的输出端与第一DC/DC转换器3的输入端连接。

具体的，需要说明的是，一般情况下该系统具有多个太阳能光伏发电单元 1，因此在使用电能时需要将其进行汇总，统一进行输出。因此本实施例中通过太阳能汇流单元2将多个太阳能光伏发电单元1产生的电能汇总，然后再由第一DC/DC转换器3进行升压后输出。通过太阳能汇流单元2可提高对太阳能光伏发电单元1的电能处理效率，减少能耗损失。

如图1所示，太阳能光伏发电单元1与太阳能汇流单元2之间设置有单井直流断路器11；

太阳能汇流单元2与第一DC/DC转换器3之间设置有太阳能直流断路器 10；

光伏并网控制单元5与变频单元17之间设置有电网总断路器19；

光伏并网控制单元5与变频单元17之间设置有交流计量互感器14；

逆变器4与光伏并网控制单元5之间设置有太阳能计量表8。

具体的，需要说明的是，每一个太阳能光伏发电单元1与太阳能汇流单元 2之间均连接有一个单井直流断路器11，通过该单井直流断路器11实现对应太阳能光伏发电单元1与太阳能汇流单元2之间的连通和断开，从而控制对应的太阳能光伏发电单元1是否介入该控制系统中。为便于统一对电能进行管理，在太阳能汇流单元2与第一DC/DC转换器3之间还具有太阳能直流断路器10，通过控制太阳能直流断路器10可控制整个太阳能光伏发电单元1的输出。

而通过电网总断路器19则可控制市电6电网的输出，通过交流计量互感器14可实时采集由光伏并网控制单元5输出的电流，可将其传输给终端进行监测处理，而通过太阳能计量表8则可实时获取太阳能光伏发电单元1产生的电量，可将其传输给终端进行监测处理。

如图1所示，抽油机15井群环网配电模块还包括控制变压器7、交流输入电抗器18和直流滤波电抗器9；

控制变压器7设于光伏并网控制单元5和市电6之间，交流输入电抗器 18设于光伏并网控制单元5和变频单元17之间；

直流滤波电抗器9设于太阳能汇流单元2和第一DC/DC转换器3之间。

具体的，需要说明的是，交流输入电抗器18用于平滑滤波，降低永磁电机驱动模块16的噪音和涡流损耗、降低输入高次谐波造成的漏电流降低瞬变电压，保护护变频单元17内部的功率开关器件，延长电机寿命。直流滤波电抗器9用于太阳能叠加在直流电流上的交流分量限定在某一规定值，保持整流电流连续，减小电流脉动值，改善输入功率因数，并可以抑制变流装置产生的谐波。

如图1所示，抽油机15井群环网配电模块还包括设于光伏并网控制单元 5输出端的AC/DC整流模块13；以及与AC/DC整流模块13连接的二次回路单元12；其中，

二次回路单元12包括控制电源断路器、熔断保护器、启停控制继电器和多个控制回路，控制回路用于控制电子设备，每个控制回路均包括第二DC/DC 转换器和单路控制断路器。

具体的，需要说明的是，由于抽油机15井群环网配电模块中还设置有对电子设备供电和控制的二次回路单元12，因此需要使用直流电，因此本实施例中在光伏并网控制单元5的输出端再连接一个AC/DC整流模块13，用于将交流电转化为直流电，采用直流电向二次回路单元12中的电子设备供电。

进一步的，抽油机15井群环网配电模块还包括：

启停控制单元，用于控制永磁电机驱动模块16的开启和停止；

远程/就地切换单元，用于控制选择按钮控制和远程终端控制选择方式可为转动对应的旋钮；

变频器逆变控制单元，用于控制变频单元17输出不同参数控制永磁电机驱动模块16，变频器逆变控制单元包括变频器逆变键盘；

人机对话触摸屏单元，用于集成太阳能参数与变频单元17实时参数并显示，具体的，通过组态集成方式将太阳能参数(直流计量发电电量、太阳能板输出电压)与变频器实时参数(三相电压输入、电压输出、电流输出、变频频率、功率因素)进行显示，；

单井直流计量单元，用于获取太阳能直流转化输出功率，可通过人机对话触摸屏单元进行显示；

交流总计量表，用于获取电能井场总电能使用功率，也可通过人机对话触摸屏单元进行显示。

进一步的，永磁电机驱动模块16与抽油机15通过减速器传动连接。由于抽油机15的杆在下降的过程中靠重力做功，因此为利用该重力产生的能量，永磁电机驱动模块16包括动能回收单元和永磁驱动电机，永磁驱动电机与抽油机15通过减速器连接，通过动能回收单元对抽油机15下降过程中的动能进行回收并在再次利用，可提高能量使用率并降低能耗。

本实用新型通过对变频单元17的控制，完成对抽油井变频调速控制、检测与保护，同时配合响应监控中心指令，完成各种井群协调控制算法和本系统的优化节能控制算法。由于采用太阳能直流供电，即可充分发挥直流供电优势，有效扩大集控半径。并集成数据采集、终端控制、视频监控等功能，实现油井远程可视化管控的目的。并且通过变频单元17还可分时检测抽油机15的当前负载状况，实现抽油机15负载的矢量控制及动态跟踪，同时具有调速控制、检测保护功能。

通过专用逆变器4实现过压失速控制，避免馈能的集中释放，造成过压烧坏设备、停机等事故，使倒发电能量与电动消耗能量保持平衡，提高直流母线能量的互馈共享和循环利用效率。该系统可借助于大数据及深度学习算法，实现油井群环网倒发电能的互馈利用和柔性驱动运行的协同决策，即提高了每口抽油机15井系统效率，同时实现整个井群整体节能降耗的目标。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种太阳能供电无轴永磁柔性控制系统，其特征在于，包括：逆流并网光伏发电模块、抽油机井群环网配电模块和永磁电机驱动模块；其中，

所述抽油机井群环网配电模块包括变频单元，所述逆流并网光伏发电模块与所述变频单元连接，所述变频单元与所述永磁电机驱动模块连接；

所述永磁电机驱动模块用于与抽油机传动连接。

2.根据权利要求1所述的太阳能供电无轴永磁柔性控制系统，其特征在于，所述逆流并网光伏发电模块包括太阳能光伏发电单元、第一DC/DC转换器、逆变器和光伏并网控制单元；

所述太阳能光伏发电单元的输出端与所述第一DC/DC转换器的输入端连接，所述第一DC/DC转换器的输出端与所述逆变器的输入端连接；

所述光伏并网控制单元与所述逆变器和市电连接，用于将由所述逆变器转化后的交流电并入市电电网；所述光伏并网控制单元的输出端与所述变频单元的输入端连接，用于将市电电网中的电能输入所述变频单元。

3.根据权利要求2所述的太阳能供电无轴永磁柔性控制系统，其特征在于，所述逆流并网光伏发电模块还包括太阳能汇流单元，所述太阳能汇流单元的输入端与多个所述太阳能光伏发电单元连接，所述太阳能汇流单元的输出端与所述第一DC/DC转换器的输入端连接。

4.根据权利要求3所述的太阳能供电无轴永磁柔性控制系统，其特征在于，所述太阳能光伏发电单元与所述太阳能汇流单元之间设置有单井直流断路器；

所述太阳能汇流单元与所述第一DC/DC转换器之间设置有太阳能直流断路器；

所述光伏并网控制单元与所述变频单元之间设置有电网总断路器；

所述光伏并网控制单元与所述变频单元之间设置有交流计量互感器；

所述逆变器与所述光伏并网控制单元之间设置有太阳能计量表。

5.根据权利要求4所述的太阳能供电无轴永磁柔性控制系统，其特征在于，所述抽油机井群环网配电模块还包括控制变压器、交流输入电抗器和直流滤波电抗器；

所述控制变压器设于所述光伏并网控制单元和市电之间，所述交流输入电抗器设于所述光伏并网控制单元和所述变频单元之间；

所述直流滤波电抗器设于所述太阳能汇流单元和所述第一DC/DC转换器之间。

6.根据权利要求5所述的太阳能供电无轴永磁柔性控制系统，其特征在于，所述抽油机井群环网配电模块还包括设于所述光伏并网控制单元输出端的AC/DC整流模块；以及与所述AC/DC整流模块连接的二次回路单元；其中，

所述二次回路单元包括控制电源断路器、熔断保护器、启停控制继电器和多个控制回路，所述控制回路用于控制电子设备，每个所述控制回路均包括第二DC/DC转换器和单路控制断路器。

7.根据权利要求6所述的太阳能供电无轴永磁柔性控制系统，其特征在于，所述抽油机井群环网配电模块还包括：

启停控制单元，用于控制所述永磁电机驱动模块的开启和停止；

远程/就地切换单元，用于控制选择按钮控制和远程终端控制；

变频器逆变控制单元，用于控制变频单元输出不同参数控制所述永磁电机驱动模块；

人机对话触摸屏单元，用于集成太阳能参数与变频单元实时参数并显示；

单井直流计量单元，用于获取太阳能直流转化输出功率；

交流总计量表，用于获取电能井场总电能使用功率。

8.根据权利要求7所述的太阳能供电无轴永磁柔性控制系统，其特征在于，所述变频器逆变控制单元包括变频器逆变键盘。

9.根据权利要求1至8任一项所述的太阳能供电无轴永磁柔性控制系统，其特征在于，所述永磁电机驱动模块与抽油机通过减速器传动连接。

10.根据权利要求9所述的太阳能供电无轴永磁柔性控制系统，其特征在于，所述永磁电机驱动模块包括动能回收单元和永磁驱动电机，所述永磁驱动电机与抽油机通过减速器连接。

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