抽油機井直流電源切換技術(shù)建模仿真

中國石化撫順石油化工研究院 杜紅勇

勝利油田管理局高級人才培訓(xùn)中心 牟 蕾

中國石化撫順石油化工研究院 時振堂

中國石化勝利油田河口采油廠 秦延才 劉 鵬

抽油機井直流電源切換技術(shù)建模仿真

中國石化撫順石油化工研究院 杜紅勇

勝利油田管理局高級人才培訓(xùn)中心 牟 蕾

中國石化撫順石油化工研究院 時振堂

中國石化勝利油田河口采油廠 秦延才 劉 鵬

介紹了抽油機井群共直流母線供電技術(shù)的特點和抽油機井雙直流電源切換技術(shù)的原理，在Simulink環(huán)境下搭建了抽油機井動態(tài)仿真模型和直流電源切換模型，仿真分析了故障后直流母線電壓的跌落過程以及變頻器濾波電容對直流母線電壓的影響，對抽油機井動態(tài)模擬及直流電源切換過程的分析具有很大的幫助，可為抽油機井供電系統(tǒng)的暫態(tài)分析和直流電源快速切換裝置的研究提供參考。

抽油機 直流電源 快速切換 建模仿真

0 引言

抽油機井群共直流母線供電通常是由一套整流濾波裝置為多口抽油機井提供公用直流電源的系統(tǒng)。直流電經(jīng)逆變后驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)抽油機井群共直流母線的群控，在此系統(tǒng)中整流器可認(rèn)為是直流電源，共直流母線的群控方式具有較好的節(jié)能效果和減少設(shè)備容量、節(jié)約設(shè)備費用的作用[1，2]。

在共直流母線供電系統(tǒng)中整流器的可靠性直接影響了系統(tǒng)供電的可靠性，為了減少因整流器故障或線路檢修造成的抽油機停機，可考慮采用雙直流電源供電模式，利用快速直流切換裝置實現(xiàn)不同直流母線供電系統(tǒng)之間的快速切換，減少停機率，提高系統(tǒng)的供電可靠性。為此，在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建了抽油機井動態(tài)仿真模型及抽油機井群共直流母線供電系統(tǒng)模型，分析了故障時直流母線電壓的變化情況，為抽油機井群直流電源快速切換裝置的設(shè)計、開發(fā)提供參考。

1 抽油機井群直流電源快速切換原理

抽油機井群共直流電源切換原理示意圖如圖1所示。該系統(tǒng)中包含兩套抽油機井共直流母線系統(tǒng)，每套系統(tǒng)均由一臺變壓器、一臺整流濾波裝置、若干逆變器、若干抽油機井和電壓檢測單元等組成。每口抽油機井的拖動電機均由單獨逆變器控制，根據(jù)工藝需要可實現(xiàn)單井轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。圖中兩套直流母線之間由直流接觸器KM或其他電子開關(guān)連接，具有快速自動開/合的功能，也可進行手動操作。系統(tǒng)中逆止二極管具有隔離故障電壓的作用。

如圖1所示，電壓檢測單元實時監(jiān)測整流器直流側(cè)母線電壓，直流接觸器KM或電子開關(guān)保持常開，當(dāng)某一側(cè)整流器或線路發(fā)生故障時，其直流母線電壓下降，當(dāng)下降到正常工作電壓的90%時，PLC控制模塊控制KM閉合，故障側(cè)油井負(fù)荷全部轉(zhuǎn)移到另外一側(cè)的直流母線上，實現(xiàn)兩套共直流母線系統(tǒng)的合環(huán)運行，避免故障引起抽油機井群停機，當(dāng)故障排除，電壓恢復(fù)正常時KM可自動斷開。另外，在設(shè)備或線路檢修時也可由人工操作，將一側(cè)直流母線上的油井負(fù)荷轉(zhuǎn)移到另一側(cè)，減少停機率[3]。

圖1 抽油機井群直流電源切換系統(tǒng)示意圖

圖2 抽油機井不控整流PWM變頻器示意圖

2 抽油機井群共直流母線系統(tǒng)仿真模型

2.1 抽油機井PWM控制模型

PWM（Pulse Width Modulation，脈寬調(diào)制）控制技術(shù)是利用電力電子開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷作用把輸入直流電變成輸出脈沖列，并通過控制脈沖寬度或周期來達(dá)到變壓、變流或變頻的目的。PWM控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用廣泛，目前抽油機井應(yīng)用的逆變電路大部分是PWM型。

圖3 抽油機井群共直流母線電源切換系統(tǒng)仿真模型

抽油機井群共直流母線系統(tǒng)主要是由二極管不控整流器和多臺PWM逆變單元組成，實現(xiàn)多口抽油機井的共直流母線供電，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示[4]。

2.2 抽油機雙直流電源系統(tǒng)仿真模型

在Simulink中搭建的抽油機井群共直流母線電源切換系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。

圖3中有AC1和AC2兩套380V三相交流電源，經(jīng)整流后分別為多口抽油機井提供直流電。仿真模型中以四口抽油機井為例，其中抽油機1和2共用整流器1直流側(cè)母線，抽油機3和4共用整流器2直流側(cè)母線。整流器1和2的直流母線之間由開關(guān)KM連接，其開關(guān)狀態(tài)設(shè)置為常開，開關(guān)動作指令由失壓判斷模塊控制，當(dāng)失壓判斷模塊監(jiān)測到直流母線電壓下降到正常工作電壓的90%時，即發(fā)出合閘指令。圖示的連接方式為假定整流器1發(fā)生故障，故失壓判斷模塊監(jiān)測對象為整流器1的直流側(cè)電壓。

圖中抽油機子模塊仿真模型如圖4所示，包含PWM逆變器、濾波電容和三相異步電機等模塊，電機轉(zhuǎn)速和頻率由PWM模塊控制。模型中以37kW Y250M-8型三相異步電動機為例，電機負(fù)載轉(zhuǎn)矩根據(jù)抽油機井結(jié)構(gòu)尺寸、示功圖等參數(shù)由MATLAB m函數(shù)計算得到，并通過Simulink調(diào)用，實現(xiàn)抽油機井的動態(tài)模擬。仿真模型中通過對抽油機負(fù)載轉(zhuǎn)矩的延時輸入，可避免多口抽油機井同時帶載啟動。仿真模型中設(shè)置的抽油機井沖次為5次/分鐘，電機輸入轉(zhuǎn)矩在-20N·m～110N·m之間波動[5，6，7]，由m函數(shù)計算得到的抽油機電機負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線如圖5所示。

圖4 抽油機子模塊仿真模型

圖5 電機負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線

2.3 PWM控制抽油機井啟動過程仿真

在如圖3所示的抽油井群共直流母線仿真模型中，抽油機井拖動電機空載啟動時轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖6(a)所示，帶抽油機負(fù)載啟動時轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖6(b)所示。其中圖6(b)為連續(xù)兩個抽油機沖程下的電機轉(zhuǎn)矩曲線。通過仿真對比可知，在二極管不控整流PWM變頻控制系統(tǒng)中抽油機井拖動電機空載啟動的時間約為0.4s，帶抽油機負(fù)載啟動的時間約為0.6s。電機仿真轉(zhuǎn)矩曲線與輸入轉(zhuǎn)矩基本一致，但受PWM調(diào)制影響，電機定子和轉(zhuǎn)子磁鏈的脈動會引起電動機轉(zhuǎn)矩的脈動，相比輸入轉(zhuǎn)矩會略有波動。

圖6 抽油機電機啟動仿真曲線

2.4 直流電源切換過程仿真

仿真參數(shù)設(shè)定：在圖3所示的仿真模型中，假定在1s時，整流器1或線路出現(xiàn)故障，斷路器1跳閘，整流器1直流側(cè)母線電壓下降，當(dāng)下降到正常運行值的90%時（約486V），電源切換系統(tǒng)工作，開關(guān)KM閉合，整流器1所帶的抽油機負(fù)荷將全部轉(zhuǎn)移到整流器2中的直流母線上。另外，考慮到濾波電容對直流母線電壓有一定的支撐作用，仿真模型中設(shè)置了3組不同的電容值以考察其對直流母線電壓的影響。三組不同的電容值分別設(shè)定為100μF、1000μF和10000μF。

直流電源切換過程中直流母線電壓的跌落情況、直流電源的切換時間以及電容對直流母線電壓的影響如圖7所示。由圖7可以看出，濾波電容對直流母線電壓具有一定的支撐作用，電容設(shè)置為100μF和1000μF時，直流母線電壓跌落到486V的時間差異并不明顯，約為10ms，恢復(fù)正常值的時間約為31ms；而電容為10000μF時，電壓跌落到486V的時間為34ms，恢復(fù)正常值的時間為55ms，可見電容配置越大對直流母線電壓支撐的作用越大。在進行抽油機井群直流母線電源切換裝置開發(fā)時需對判斷系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)等環(huán)節(jié)進行合理的選型或設(shè)計，以滿足快速切換的要求。另外，也可以通過適當(dāng)?shù)脑黾与娙莸呐渲脕硌娱L電壓跌落時間。

3 結(jié)束語

利用MATLAB/Simulink對抽油機井進行了動態(tài)模擬，并搭建了抽油機井群共直流母線仿真模型，對直流電源的切換過程進行了仿真，分析了直流母線電壓跌落過程及電容對電壓的影響規(guī)律。仿真參數(shù)可在線修改，實現(xiàn)不同工況條件下的結(jié)果分析，方便直觀。該方法對抽油機井動態(tài)建模仿真及直流電源切換過程分析具有很大的指導(dǎo)作用，可很好的用于抽油機動態(tài)模擬及直流電源快速切換開關(guān)的設(shè)計開發(fā)。

[1]張超.基于直流母線供電的抽油機群控系統(tǒng)研究[D].北京:北京交通大學(xué),2010.

[2]焦裕璽,盧正通,肖志勇,等.基于共直流母線的多油井變頻群控系統(tǒng)節(jié)能分析[J].石油石化節(jié)能,2015,5(3):6-8.

[3]趙應(yīng)春,廖立平,蔣小紅.直流雙電源智能無縫切換裝置[J].電工技術(shù),2012(2):64-66.

[4]顧春雷,陳中.電力拖動自動控制系統(tǒng)與MATLAB仿真[M].北京:清華大學(xué)出版社,2014:166-167.

[5]任濤.抽油機系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計分析與MATLAB應(yīng)用[M].北京:石油工業(yè)出版社,2015:102-103.

[6]肖寧,雙凱,王德國,等.MATLAB/Simulink在抽油機動力學(xué)分析中的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2009,9(2):405-408.

[7]黃安貽,李海亮.游梁式抽油機工作系統(tǒng)計算機仿真分析[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,32(3):167-171.

Modeling and Simulation of DC Power Supply Switching Technology in Beam Pumping Unit

Du Hong-yong1Mou Lei2Shi Zhen-tang1Qin Yan-cai3Liu Peng3
（1.SINOPEC Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals，Liaoning，F(xiàn)ushun，113001；2.Advanced Training Centre of Shengli Oilfield，Shandong，Dongying，257001；3.Hekou Oil Production Plant of Shengli Oilfield，Shandong，Dongying，257001）

Introduced the features of pumping wells group DC power supply technology and the switching technology principle of double DC power supply.Builded the dynamic simulation model and the DC power supply switching model of pumping wells group used Simulink.Simulated the process of DC bus voltage drop and the effect of converter filter capacitor on DC bus voltage after fault.The operating conditions can be arbitrarily change，the whole process convenient and intuitive，it’s helpful for dynamic simulation of pumping wells and the analysis of DC power supply switching process. The method could provide a reference for the transient analysis of pumping wells power system and the study of DC power fast switching device.

beam pumping unit；DC power supply；fast switching；simulation mode

杜紅勇（1979-），男，碩士，高級工程師，研究領(lǐng)域為電力系統(tǒng)節(jié)能及自動化。