一种用于抽油机的混合供电系统及其方法与流程

本发明涉及智能电网技术领域，尤其涉及一种用于抽油机的混合供电系统及其方法。

背景技术：

近年来，我国大多数油田已相继进入了开发的中后期，油田逐渐丧失自喷能力，基本上已从自喷转入机采，开发深度和难度与日俱增。虽然对采油设备采取了多种技术措施，但机械采油设备仍占据主导地位。据统计，我国目前机械采油井的数量占油井总数的90％以上。

随着油田的开发，抽油机的投入量日益增加。常规抽油机的主要问题是能耗大，效率低。我国油田在用的常规型游梁式抽油机系统效率较低，只有16％～23％，先进的地区至今也不到30％，美国的常规型抽油机系统效率较高，但也仅为46％。为此，发展高效、节能、可靠性高的抽油机是石油机械装备工业的当务之急，也是生产厂家始终追求的目标。自1999年起，我国抽油机井采油年均耗电总量超过1亿度电，年均电费支出超出40亿元，如果能够使效率提高15％，将至少节省6亿元用电支出。降低抽油机井的能耗、提高生产效率，对节约能源、环境可持续发展、缓解油田用电紧张，具有重要的意义。

游梁式抽油机是油田目前主要使用的抽油机类型之一。工作时，抽油机由普通交流异步电动机直接拖动。其曲柄带以配重平衡块带动抽油杆，驱动井下抽油泵做固定周期的上下往复运动，把井下的油送到地面。

在一个冲次内，随着抽油杆的上升/下降，而使电机工作在电动/发电状态。上升过程电机从电网吸收能量电动运行；下降过程电机的负载性质为位势负载，加之井下负压等使电动机处于发电状态，把机械能量转换成电能回馈到电网。

以上抽油过程存在以下不足：当滑块提升时，通过活杆，将采油机杆送入井中，带来了大量电能损耗，对电网的瞬时电能需求较高；当滑块下降时，采油杆提出带油至井口，由于滑块下降过程中，负荷减轻，电动机拖动产生的能量无法被负载吸引，势必会寻找能量消耗的渠道，导致电动机进入再生发电状态，将多余能量反馈到电网，对整个电网产生冲击，同时反馈的电能谐波也不可控。

上述不足将会严重影响电网供电质量，降低功率因数，加大电网谐波；同时，频繁的高压冲击会损坏电动机主回路侧，造成生产效率降低、维护量加大，极不利于抽油设备的节能降耗，给企业造成较大经济损失。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明提供一种用于抽油机的混合供电系统及其方法，能够克服抽油机在运行供电过程中对电网的瞬时电能需求较高、对电网电能质量影响严重的问题，而且在抽油机电动机滑块下行过程中将机械能转换为电能，并馈入直流母线电网侧，减少能耗提高能源利用率，减少二氧化碳排放量。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于抽油机的混合供电系统，包括抽油机电动机和直流母线，所述抽油机电动机通过用电侧双向交流/直流变流器与所述直流母线连接，所述直流母线通过电网侧双向交流/直流变流器与交流电网连接；所述直流母线还连接有储能系统，用于存储所述直流母线上的电能或者对所述直流母线释放电能。

其中，所述储能系统为蓄电池系统。

其中，所述蓄电池系统包括蓄电池组和连接所述蓄电池组的双向直流/直流变流器，所述双向直流/直流变流器连接所述直流母线。

其中，所述双向直流/直流变流器采用半桥拓扑结构。

其中，所述储能系统为超级电容系统或蓄水储能系统。

其中，所述用电侧双向交流/直流变流器和所述电网侧双向交流/直流变流器均由三相全桥电路构成。

本发明还提供一种用于抽油机的混合供电方法，利用了上述的用于抽油机的混合供电系统，所述混合供电方法包括所述抽油机电动机的用电过程和发电过程：

用电过程为：开启所述电网侧双向交流/直流变流器的交流-直流模式，所述交流电网通过所述电网侧双向交流/直流变流器向所述直流母线供电，与此同时，所述储能系统也向所述直流母线供电；

开启所述用电侧双向交流/直流变流器的直流-交流模式，所述抽油机电动机从所述直流母线获得电能；

发电过程为：所述用电侧双向交流/直流变流器的交流-直流模式，所述抽油机电动机通过所述用电侧双向交流/直流变流器向所述直流母线供电；

开启所述电网侧双向交流/直流变流器的直流-交流模式，所述直流母线上的电能反馈给所述交流电网，同时，所述储能系统存储所述直流母线上的多余电能。

其中，所述储能系统为蓄电池系统。

其中，所述蓄电池系统包括蓄电池组和连接所述蓄电池组的双向直流/直流变流器，所述双向直流/直流变流器连接所述直流母线。

其中，所述用电过程中，所述蓄电池组通过所述双向直流/直流变流器向所述直流母线供电；

所述发电过程中，所述蓄电池组通过所述双向直流/直流变流器存储所述直流母线的电能。

(三)有益效果

本发明提供的一种用于抽油机的混合供电系统及其方法，相比于现有技术具有以下特点：

1、本发明提供的用于抽油机的混合供电系统，采用直流母线作为抽油机电动机与交流电网间电能的缓冲环节，当抽油机电动机正常用电时，储能系统和交流电网同时给抽油机提供电能；当抽油机在提升过程作为发电机时，储能系统作为缓解电网冲击的单元，存储电能。因此，该混合供电系统能够克服对电网的瞬时电能需求较高、对电能质量影响严重的问题，在抽油机电动机正常工作时吸收电动机反馈的电能，节省能耗，减少对电网的冲击。

2、本发明提供的用于抽油机的混合供电系统，通过双向直流/直流变流器将直流母线上电能存储至蓄电池组中，或是将蓄电池组中的电能输送至直流母线中，该由双向直流/直流变流器和蓄电池组组成的蓄电池系统具备足够的反应能力配合抽油机电动机的工作进行充电及放电控制。

附图说明

图1为本发明提供的用于抽油机的混合供电系统的示意图；

图2为本发明提供的用于抽油机的混合供电系统的具体组成示意图；

图中，1：抽油机电动机；2：用电侧双向交流/直流变流器；3：直流母线；4：蓄电池系统；401：蓄电池组；402：双向直流/直流变流器；5：电网侧双向交流/直流变流器；6：交流电网。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明提供一种用于抽油机的混合供电系统及其方法，能够克服抽油机在运行供电过程中对电网的瞬时电能需求较高、对电网电能质量影响严重的问题，而且在抽油机电动机滑块下行过程中将机械能转换为电能，并馈入直流母线电网侧，减少能耗提高能源利用率，减少二氧化碳排放量。

如图1、2所示，本发明实施例中提供一种用于抽油机的混合供电系统，包括抽油机电动机1和直流母线3，抽油机电动机1通过用电侧双向交流/直流变流器2与直流母线3连接，直流母线3通过电网侧双向交流/直流变流器5与交流电网6连接；直流母线3还连接有储能系统4，该储能系统4用于存储直流母线3上的电能或者给直流母线3释放电能。本发明提供的用于抽油机的混合供电系统，直流母线3作为抽油机电动机1和交流电网6间电能的缓冲环节，通过用电侧双向交流/直流变流器2和电网侧双向交流/直流变流器3，可以实现抽油机电动机1与直流母线3的电能交互以及直流母线3与交流电网6的电能交互。

本发明提供的用于抽油机的混合供电系统，采用直流母线3作为抽油机电动机1与交流电网6间电能的缓冲环节，当抽油机电动机1正常用电时，储能系统4和交流电网6能够同时给抽油机电动机1供电，避免了对交流电网6瞬时电能要求较高的问题；当抽油机电动机1反向馈能时，储能系统4可以存储直流母线3上多余的电能，避免对交流电网6的过大冲击，并且能够及时储存多余电能，降低能耗，节省能量。因此，该混合供电系统能够克服抽油机电动机1对交流电网6瞬时电能需求较高的要求，而且在抽油机电动机1正常工作时，通过储能系统4存储多余电能，一方面可以降低抽油机电动机1对交流电网6的冲击，另一方面还可以降低能耗，实现节能。

该混合供电系统能够缓解抽油机工作时对交流电网的冲击，有效提供用电效率，利用作为清洁能源的储能系统实现对供电系统的改进以及电能补充，该供电系统能够保证电网的供电质量以及功率因数、稳定电网谐波，同时，避免频繁的高压冲击损坏抽油机电动机的主回路侧，保证生产效率，降低抽油设备的电能消耗，避免给企业造成较大的经济损失。

本实施例中，为了供电和存储电能，储能系统4为蓄电池系统。由于抽油机的冲次一般为每分钟6-9次，因此其电能波动周期为秒级，本混合供电系统采用的蓄电池系统具有足够的反应能力进行充电和放电控制。可以理解的是，为了实现对直流母线3的释放电能和存储电能，储能系统还可以为超级电容系统或蓄水储能系统等具有电能存储的系统。

本实施例中，蓄电池系统包括蓄电池组401和连接蓄电池组的双向直流/直流变流器402，双向直流/直流变流器402连接直线母线3。

本发明提供的用于抽油机的混合供电系统，通过双向直流/直流变流器402将直流母线3上的多余电能存储至蓄电池组401中，或是将蓄电池组401中的电能输送至直流母线3中，该由双向直流/直流变流器402和蓄电池组401组成的蓄电池系统具备足够的反应能力配合抽油机电动机的工作进行充电及放电控制。

本实施例中，双向直流/直流变流器402采用半桥拓扑结构。该结构的产品用料较少，结构简单，成本易于控制，利于在该供电系统的使用。

本实施例中，如图2所示，用电侧双向交流/直流变流器2和电网侧双向交流/直流变流器5均由三相全桥电路构成。可以理解的是，双向交流/直流变流器采用常用三相全桥电路，实现直流电向交流电的转换或是交流电向直流电的转换，三相全桥电路能够保证电路的启动或电流断续后的正常导通。

本发明还提供一种用于抽油机的混合供电方法，利用了上述的用于抽油机的混合供电系统，混合供电方法包括抽油机电动机1的用电过程和发电过程：

其中，用电过程为：

开启电网侧双向交流/直流变流器5的交流-直流模式，交流电网6通过电网侧双向交流/直流变流器5向所述直流母线3供电，与此同时，储能系统4也向直流母线3供电；

开启用电侧双向交流/直流变流器2的直流-交流模式，抽油机电动机1从直流母线3获得电能；

其中，发电过程为：用电侧双向交流/直流变流器2的交流-直流模式，抽油机电动机1通过用电侧双向交流/直流变流器2向直流母线3供电；

开启电网侧双向交流/直流变流器5的直流-交流模式，直流母线3上的电能反馈给交流电网6，同时，储能系统4存储直流母线3上的多余电能。

本实施例中，储能系统4为蓄电池系统。蓄电池系统包括蓄电池组401和连接蓄电池组401的双向直流/直流变流器402，双向直流/直流变流器402连接直流母线3。因此，在抽油机电动机1的用电过程中，蓄电池组401通过双向直流/直流变流器402向直流母线3供电；发电过程中，蓄电池401组通过双向直流/直流变流器402存储直流母线3的电能。

可以理解的是，抽油机电动机1的用电过程即为抽油机的驴头由下死点提升至上死点过程，抽油机电动机1通过用电侧双向交流/直流变流器2，从直流母线3上获得大量的能量；而直流母线3的电能是通过蓄电池系统4以及电网侧双向交流/直流变流器5所发送的交流电网6的电能共同提供，而不是由交流电网6单独提供，这样能够减小抽油机电动机1正常工作时对交流电网6的冲击；

抽油机电动机1的发电过程即为抽油机的驴头下降过程，由于驴头的重力势能带动抽油机电动机1发电，抽油机电动机1通过用电侧双向交流/直流变流器2向直流母线3快速充入电能，此时，蓄电池系统4接收直流母线3上的电能，从而实现节能，同时能够减小因电能反馈入电网对交流电网6造成的冲击。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。