一種抽油機直流配電系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種抽油機直流配電系統，包括高壓交流母線、變壓器、低壓交流母線、抽油機，還包括雙向換流單元、直流母線和多個直流電機，其中，多個直流電機并聯至直流母線上，驅動與其匹配的抽油機工作，分為上升狀態和下降狀態；當多個直流電機處于上升狀態需要電能時，雙向換流單元將來自低壓交流母線的交流電轉換為直流電，傳輸至直流母線為多個直流電機供電；當多個直流電機處于下降狀態倒發電時，雙向換流單元將倒發電所產生的電能逆變并反饋至所述低壓交流母線。本實用新型采用直流電機替代了交流電機，轉矩大、易調整；采用濾波單元進行濾波，提高直流母線穩定性；采用儲能單元存儲倒發電所產生的電能，提高了電能使用率。
【專利說明】
一種抽油機直流配電系統
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種配電系統，特別涉及一種抽油機直流配電系統，屬于配電網自動化技術領域。
【背景技術】
[0002]目前，抽油機是目前采油生產中的主要設備，它由電動機、減速箱和四連桿機構(包括曲柄、連桿和游梁)等組成，數量達10萬臺以上。我國的油田多為低產油井，抽油機用電量約占油田總用電量的40%，運行效率較低，電能浪費大，所以亟需對抽油機系統進行節能改造。
[0003]抽油機是位能性負載，在下沖程時，電動機會出現轉子轉速大于電機的同步轉速，使電動機變為發電機狀態，這種狀態也被稱為倒發電狀態。在倒發電狀態時產生的電能，現有技術中，倒發電的電能處理方法有三種:一是采用能耗制動的方法，將倒發電的能量用電阻消耗掉，這種方式成本相對較低，但浪費電能；二是回饋方式，通過回饋單元或四象限變頻器的可控整流橋將電能回饋電網，這種方式成本很高，對電網的諧波影響也更嚴重，不適合推廣應用;三是采用共直流母線方式，將能量傳遞給其它負載使用，這種方式成本低，也節能，但在大多場合使用有局限性。
[0004]現有的一種基于最佳沖次辨識的抽油機智能控制系統中公開了抽油機智能控制系統由抽油機專用變頻器、直流電抗器和智能控制卡組成的智能系統和旁路系統兩部分。智能系統通過變頻器的電流和電壓檢測回路檢測電機的瞬時電壓和瞬時電流，計算出電機的瞬時功率(含負功率)，以通訊方式將瞬時功率傳送至智能控制卡。智能控制卡對瞬時功率作數據處理，得到抽油機的沖次電耗量。檢測到抽油機在不同沖次下的沖次電耗，通過基于產液量最大化的最佳沖次辨識數學模型計算出最佳沖次及對應的沖次電耗，完成對油井工況的自學習。智能控制卡控制變頻器在最佳沖次對應的頻率運行，實時檢測的到沖次電耗的變化情況對抽油機進行閉環控制，跟蹤井下的供液情況，實現供采平衡、增產增效、節能降耗。但是本方案采用專利變頻器的成本會比較高，同時異步電動機由于經常處理功率因數較低的狀態，也會引起電能浪費。由于直流電動機具有良好的起動、制動和調速性能；能快速起、制動，正、反轉;能在十分寬廣的范圍內平滑而經濟地調節速度。在對抽油機進行改造時，引起人們的重視。
[0005]另一種組合式抽油機優化節能控制器包括直流母線、頻率控制器以及轉換器，在直流母線輸入端設置有整流儲能器，在該整流儲能器輸入端上并聯連接有多個再生能量回饋器。當直流母線上電源過高于再生能量回饋器的電源而自動工作時，所述整流儲能器把過剩的電能經過直流母線輸給到頻率控制器，頻率控制器經轉換器運輸到抽油機;可避免現有技術中因直流母線電壓過高時因變頻器而造成的停機現象的發生。同時，因整流儲能器把過剩的電能運輸到抽油機，可以達到節能電能的效果。該方案由于變頻設備的存在，使得母線的諧波增加，電機的壽命減少，同時設備的成本較高，增加了企業的成本。另外，電動機倒發電的能量雖然一定程度上得到了緩解，但是還存在繼續改進的空間。【實用新型內容】
[0006]本實用新型要解決的技術問題是:(1)采用直流電機替代交流電機驅動抽油機工作；(2)改善直流母線的電能質量；(3)將直流電機在下沖程工作時倒發電產生的電能合理使用。
[0007]為實現上述的實用新型目的，本實用新型提供了一種抽油機直流配電系統，包括高壓交流母線、變壓器、低壓交流母線、抽油機，所述變壓器將所述高壓交流母線的高壓交流電轉換成低壓交流電，并傳輸到所述低壓交流母線，還包括雙向換流單元、直流母線和多個直流電機，其中，所述多個直流電機并聯至直流母線上，驅動與其匹配的抽油機工作，分為上升狀態和下降狀態；
[0008]當所述多個直流電機處于上升狀態需要電能時，所述雙向換流單元將來自所述低壓交流母線的交流電轉換為直流電，傳輸至所述直流母線為所述多個直流電機供電；
[0009]當所述多個直流電機處于下降狀態倒發電時，所述雙向換流單元將倒發電所產生的電能逆變成交流電，反饋至所述低壓交流母線。
[0010]較優地，所述雙向換流單元為PffM整流器。
[0011]較優地，所述抽油機直流配電系統還包括濾波單元，所述濾波單元與所述直流母線相連接，所述濾波單元的正極連接到正直流母線，所述濾波單元的負極連接至負直流母線。
[0012]較優地，所述濾波單元為電容。
[0013]較優地，所述抽油機直流配電系統還包括儲能單元，所述儲能單元與所述直流母線相連接，所述儲能單元的正極連接到正直流母線，負極連接至負直流母線。
[0014]較優地，所述儲能單元為蓄電池組。
[0015]較優地，所述儲能單元為蓄電池組和電容器。
[0016]較優地，所述電容器與所述蓄電池組在吸納電能時的開關電壓是連續的。
[0017]與現有技術相比，本實用新型的具有以下有益效果:
[0018](I)采用易于調速的直流電機替代了交流電機，轉矩大，提高效率；
[0019](2)采用濾波單元將倒發電所產生的電能進行濾波，提高直流母線穩定性；
[0020](3)采用儲能單元存儲倒發電所產生的電能，在直流電機需要時，然后進行釋放，取代了常用的制動電阻消耗，提高了電能使用率；
[0021](4)采用直流母線可以提高傳輸距離，極大提高了傳輸效率。
【附圖說明】
[0022]圖1是現有技術中抽油機直流配電系統框圖；
[0023]圖2是本實用新型提供的一種抽油機直流配電系統框圖；
[0024]圖3是本實用新型實施例一中，用于直流電機的抽油機直流配電系統原理示意圖；
[0025]圖4是本實用新型實施例二中，倒發電所產生的電能的流向示意圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖和實施例，對本實用新型的【具體實施方式】作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本實用新型，但不用來限制本實用新型的范圍。
[0027]如圖1所示，現有技術中的抽油機直流配電系統，包括:高壓交流母線、變壓器、低壓交流母線、多個交流電機以及與之匹配的抽油機。由于油井的工況比較復雜，需要對交流電機進行調速，大多引入變頻器進行調速，由于變頻器不能貯存和釋放倒發電的電能，會引起母線高壓升高。
[0028]為此，本實用新型提供的一種抽油機直流配電系統，如圖2所示，包括高壓交流母線、變壓器、低壓交流母線、雙向換流單元、直流母線、多個直流電機以及相匹配的抽油機。變壓器的輸入端連接至高壓交流母線，其輸出端連接至低壓交流母線。雙向換流單元的輸入端連接至低壓交流母線，輸出端連接至直流母線。多個直流電機并聯到直流母線，并驅動同等數量的抽油機。
[0029]抽油機直流配電系統的工作原理如下:變壓器將來自高壓交流母線的高壓交流電轉換為低壓交流電，并傳輸至低壓交流母線。雙向換流單元采集低壓交流母線的低壓交流電進行整流，形成與直流電機的額定電壓相同的直流電，傳輸至直流母線。并聯在直流母線的多個直流電機接通電源后即可運轉，從而帶動與其匹配的抽油機進行工作。
[0030]抽油機在工作時，在直流電機的驅動下會做固定周期的上下往復運動，把井下的油送到地面。在一個周期內，隨著抽油桿的上升與下降，直流電機會工作在電動/發電狀態，即上升過程直流電機從直流母線吸收能量電動運行;在下降過程直流電機的負載性質為位勢負載，加之井下的負壓使得直流電機轉子的轉速大于同步轉速，此時電動機處于發電狀態，把機械能量轉換成電能回饋到電網。
[0031]但是，如果將產生的電能直接回饋到電網，會對直流母線的電能質量產生較大的影響，從而影響其他直流電機的正常工作。普通的整流器，不能將電能轉換成交流電反饋至交流母線，進一步會增加直流母線的電壓，損壞與直流母線相連的設備。
[0032]因此，本實用新型采用雙向換流單元，用來解決上述問題。當直流電機工作在電動狀態時，該雙向換流單元可將低壓交流電轉換成直流電，提供給直流電機。當工作在下降過程中直流電機數量多余工作在上升過程中直流電機的數量時，此時會引起直流母線電壓升高，此時雙向換流單元觸發工作，將直流電機倒發電的直流電轉換成交流電，回饋至低壓交流母線。通過雙向換流單元的雙向轉換，極大的提高了電能利用率，還能在一定程度上防止直流母線電壓升高，間接的保護了用電設備。
[0033]優選地，本實用新型的雙向換流單元采用HVM整流器。如圖3所示，Pmi整流器整流時，電能從低壓交流母線傳輸至直流母線;PWM整流器逆變時，電能從直流母線傳輸至交流母線。通過上述過程，可以解決直流電機倒發電時，直流母線電壓升高的問題。
[0034]本實用新型的雙向換流單元還可以采用不可控整流器交流與逆變器并聯裝置并聯實現，不可控整流器交流側接于交流母線，直流側接于直流母線，逆變器交流側接于交流母線，直流側接于直流母線。交流不可控整流器可將交流電轉換為直流電，為直流母線供電。如倒發電能量高，導致直流母線電壓高，則用逆變器將直流電轉換為交流電，反饋至低壓交流母線。
[0035]由于多個直流電機工作在不同的狀態，有一部分處于下降過程倒發電，有一部分處于上升過程需要電能，他們的數量有可能相等，或多或少，這樣，就會對直流母線造成一定程度的影響，產生大量的諧波，影響到其他直流電機。
[0036]本實用新型在直流母線的一側設置有濾波單元，降低倒發電產生的電能所攜帶的諧波含量，使直流母線的供電質量能夠得到保證，從而不用影響其他直流電機的性能。
[0037]該電容的主要作用為濾波，由于倒發電所產生的電能不是標準的直流電，含有較多的諧波，即直流電壓是波動的。該電容可以吸收超過直流母線電壓的電能，起動平滑倒發電所產生電能的作用。
[0038]另一方面，電容還能儲存一部分的倒發電電能，儲存多余的電能，進而穩定直流母線的電壓。倒發電時，直流發電機的電壓高于直流母線電壓，因此可為電容充電，將能量儲存在電容中。當處于電動狀態的直流電機較多時，即處于上沖程抽油機較多需要能量較多，電容釋放能量提供給直流電機，使直流母線電壓穩定，提供較高質量的電能。
[0039]通常情況下，在一定區域內，接入直流母線的直流電機，處于上沖程與處于下沖程的數量大體相等，因此對直流母線的影響比較小。增加電容即解決上述影響，此時配電系統中的能量的利用率較高。
[0040]但是，由于電容的容量有限，大電容或者超級電容的費用較大。或者處于下沖程的直流電機數量遠大于處于上沖程的直流電機數量時，此時對直流母線的影響非常大。此時電容已經存儲了較多的電能，由于其容量有限，不能應付此時的惡劣電場環境。因此還需要對電能進行處理。較優地，本實用新型還在直流母線的一側設置有儲能單元，儲能單元可以進一步存儲多余的電能。由于儲能單元可以將容量設計的比較大，因此可以很好的解決上面的問題。當倒發電所產生的電能較多時，觸發儲能單元進行工作儲存電能。當處于上沖程狀態的直流電機較多時，釋放電能，從而保證直流母線的電壓穩定。更重要的是，可以使倒發電的電能得到最大程度的利用，避免了利用電阻消耗這些電能的情況。
[0041]優選的，本實用新型的儲能單元采用蓄電池組，或者蓄電池組與電容。
[0042]如果儲能單元的容量過大，也會增加相應的成本。因此，本實用新型在儲能單元儲存的能量達到額定值時，會啟動雙向換流單元，此時，由雙向換流單元將倒發電所產生的電能轉換成交流電，回饋到低壓交流母線。
[0043]本實用新型提供的抽油機直流配電系統的工作過程是這樣的:(I)當多個直流電機處于上沖程狀態的數量較多時，雙向換流單元將來自低壓交流母線的交流電整流成直流電，并傳輸至直流母線，供多個直流電機使用；(2)當多個直流電機處于倒發電狀態的數量較多時，會引起直流母線的電壓升高，此時雙向換流單元進行逆變，將直流電逆變為交流電，并反饋至所述低壓交流母線。
[0044]如圖4所示，變壓器將高壓交流電進行轉換生成低壓交流電傳輸到低壓交流母線。PWM整流器將低壓交流電進行整流，形成直流電，并傳輸至直流母線。多個直流電機通電后，驅動與其匹配的抽油機進行工作。
[0045]當處于上升狀態與下降狀態的直流電機數量大體相等時，此時整個配電系統處于相對平衡狀態，即處于下降狀態的直流電機倒發電的電能能夠由處于上升狀態的直流電機所利用，電能的利用率比較高。
[0046]如圖4所示，當上升狀態與下降狀態的直流電機數量不相等，并且相關數量比較大時，此時配電系統處于不平衡狀態。數量較多的一方，在上升狀態時，需要電能較多;這部分直流電機處于下降狀態時，又會倒發電反饋到直流母線，會極大的影響直流母線。
[0047]當這部分直流電機處于下降狀態時，倒發電電能較多，此時電容會對反饋的直流電進行濾波，同時吸收一部分電能，如果此時切換到上升狀態，電容向直流母線放電。如果電容吸納電容至自身的額定值，還有源源不斷的電能反饋至直流母線，此時蓄電池組開始儲能，同理，如果此時切換到上升狀態，蓄電池組向直流母線放電，放電完成后，電容也向直流母線放電。如果，蓄電池組存儲電能至額定值時，還有反饋的電能，此時則需要觸發PWM整流器，使其工作在逆變狀態，即將直流電逆變為交流電反饋至低壓交流母線。通過上面過程，使倒發電的能量得到最大程度的利用，從而解決了現有技術中利用制動電阻消耗電能引起的電能浪費的問題。
[0048]由此可以看出，本實用新型在儲存電能時，分為三個階段:當倒發電所產生的電能較少時，由電容進行儲存，此時蓄電池組不工作；當電能較多時，電容的容量已滿時，此時蓄電池組工作，繼續吸納多余的電能；當蓄電池組也不能存儲電能時，此時觸發PWM整流器進行工作，將直流電轉換為交流電回饋至電網。
[0049]當然，在直流電機需要較多的電能時，首先將電容與蓄電池組存儲的電能提供給直流電機，期間不足部分由直流母線進行提供。當電容與蓄電池組釋放完成后，再完全由直流母線進行提供。
[0050]通過分為三個層次的儲存電能，以及釋放電能，本實用新型能夠盡最大程度的利用倒發電的電能，同時還穩定了直流母線的電壓，使直流電機能夠正常工作。
[0051]綜上所述，本實用新型將交流異步電動機更換為直流電動機后，將原交流配電網改造為直流配電網。在原低壓交流母線下，接入雙向換流單元，可將交流電能轉變為直流電能，直流母線下接入一定區域的抽油機，進行統一供電，直流母線為接入的直流抽油機供電。并且電能可以雙向流通，抽油機處于倒發電狀態時，直流母線可以匯集多余電能，為其它抽油機供電。當直流母線下接入電容，具有濾波作用，濾除諧波提高直流母線供電質量。直流母線下接入蓄電池組，多余的能量儲存在蓄電池組中，在需要電能的時候釋放出來，可以提尚直流母線電壓穩定性，提尚電能質量。
[0052]以上實施方式僅用于說明本實用新型，而并非對本實用新型的限制，有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本實用新型的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬于本實用新型的范疇，本實用新型的專利保護范圍應由權利要求限定。
【主權項】
1.一種抽油機直流配電系統，包括高壓交流母線、變壓器、低壓交流母線、抽油機，所述變壓器將所述高壓交流母線的高壓交流電轉換成低壓交流電，并傳輸到所述低壓交流母線，其特征在于:還包括雙向換流單元、直流母線和多個直流電機，其中，所述多個直流電機并聯至直流母線上，驅動與其匹配的抽油機工作，分為上升狀態和下降狀態； 當所述多個直流電機處于上升狀態需要電能時，所述雙向換流單元將來自所述低壓交流母線的交流電轉換為直流電，傳輸至所述直流母線為所述多個直流電機供電； 當所述多個直流電機處于下降狀態倒發電時，所述雙向換流單元將倒發電所產生的電能逆變成交流電，反饋至所述低壓交流母線。2.如權利要求1所述的抽油機直流配電系統，其特征在于， 所述雙向換流單元為PWM整流器。3.如權利要求1所述的抽油機直流配電系統，其特征在于， 所述抽油機直流配電系統還包括濾波單元，所述濾波單元與所述直流母線相連接，所述濾波單元的正極連接到正直流母線，所述濾波單元的負極連接至負直流母線。4.如權利要求3所述的抽油機直流配電系統，其特征在于， 所述濾波單元為電容。5.如權利要求1所述的抽油機直流配電系統，其特征在于， 所述抽油機直流配電系統還包括儲能單元，所述儲能單元與所述直流母線相連接，所述儲能單元的正極連接到正直流母線，負極連接至負直流母線。6.如權利要求5所述的抽油機直流配電系統，其特征在于， 所述儲能單元為蓄電池組。7.如權利要求5所述的抽油機直流配電系統，其特征在于， 所述儲能單元為蓄電池組和電容器。8.如權利要求7所述的抽油機直流配電系統，其特征在于， 所述電容器與所述蓄電池組在吸納電能時的開關電壓是連續的。
【文檔編號】H02J1/12GK205489522SQ201520931491
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2015年11月19日
【發明人】李君 , 李瓊, 李正茂, 錢志紅, 杜紅勇, 時振堂
【申請人】中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司撫順石油化工研究院