一种油田自适应节能控制系统及其方法与流程

本发明涉及抽油机技术领域，尤其涉及一种油田自适应节能控制系统及其方法。

背景技术：

目前，油田行业通常使用四连杆抽油机(俗称驴头式抽油机)来采集石油，多数由异步电机拖动，分为工频异步抽油机和变频异步抽油机两种类型。变频异步抽油机具有启动平稳、节能环保、变频调速以提高采油效率等优点，因此变频异步抽油机成为了油田行业的发展趋势。

变频异步抽油机工作时，在电动和发电这2种工作状态之间循环切换。在驴头上升时处于电动状态，此时电动机(简称电机)耗电，将电能转化为重力势能。在驴头下降时处于发电状态，电机发电，由于变频异步抽油机的控制器必须采用制动电阻，将发电所产生的能量变成热量散发到空气中，即所发的电通过电阻消耗掉，这样无疑就造成了能量的浪费。并且，传统的控制器在负载较轻时，仍然保持较高的输出电压、30％～50％的输出电流，也会造成能量浪费。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明实施例提供了一种油田自适应节能控制系统及其方法，以解决现有变频异步抽油机在发电状态时有能量浪费以及轻载时电机损耗大的问题。

本发明实施例提供一种油田自适应节能控制方法，其包括：

步骤a、上电后启动电压频率控制模式，达到工作阈值后启动自适应节能控制模式；

步骤b、在电动状态下计算电机的负载，根据负载的大小调整输出电压，当处于轻载状态时降低输出电压至预设值；

步骤c、在发电状态下，根据母线电压反馈值的大小调整输出频率，使母线电压保持在稳定范围内。

可选地，所述的油田自适应节能控制方法中，所述步骤b具体包括：

步骤b1、在电动状态下，根据当前的输出电压和输出电流计算电机的负载；

步骤b2、判断负载是否小于第一阈值：是则控制输出频率保持不变，降低输出电压至预设值；否则执行步骤b3；

步骤b3、判断负载是否大于第二阈值：是则控制输出频率保持不变，将输出电压升高至vf曲线设定的电压设定值；否则不处理。

可选地，所述的油田自适应节能控制方法中，在所述步骤b2具体包括：

判断力矩电流反馈值小于力矩电流给定值时，第一pid控制器输出的电压增量为正值，vf曲线设定的电压设定值与电压增量限幅后的值相减得到总给定电压，总给定电压降低，则输出电压降低。

可选地，所述的油田自适应节能控制方法中，在所述步骤b3中，判断力矩电流反馈值大于等于力矩电流给定值时，第一pid控制器输出的电压增量限幅至0，总给定电压不变，输出电压恢复到vf曲线设定的电压设定值。

可选地，所述的油田自适应节能控制方法中，所述控制输出频率保持不变的步骤具体包括：

在电动状态下的母线电压反馈值小于母线电压给定值，第二pid控制器输出的频率增量限幅至0，设定频率作为总给定频率输出，则输出频率保持不变。

可选地，所述的油田自适应节能控制方法中，所述步骤c具体包括：

步骤c1、在发电状态下将输出电压和输出频率分离，当力矩电流反馈值的绝对值大于等于力矩电流给定值时，保持当前的输出电压不变；

步骤c2、当检测母线电压反馈值大于母线电压给定值时，增加输出频率。

可选地，所述的油田自适应节能控制方法中，所述步骤c2具体包括：

当检测母线电压反馈值升高至大于母线电压给定值时，第二pid控制器输出的频率增量从0变大，经过限幅后与vf曲线设定的设定频率相加得到总给定频率，则输出频率增加。

可选地，所述的油田自适应节能控制方法中，在所述步骤c2之后，还包括：

步骤c3、当检测母线电压反馈值与母线电压给定值的差值小于等于0时，第二pid控制器输出的频率增量限幅至0，总给定频率降低至设定频率，退出发电状态。

本发明实施例第二方面提供了一种实现所述的油田自适应节能控制方法的油田自适应节能控制系统，其包括电机和控制器；

所述控制器上电后启动电压频率控制模式，达到工作阈值后启动自适应节能控制模式；

所述控制器在电动状态下计算电机的负载，根据负载的大小调整输出电压，当处于轻载状态时降低输出电压至预设值；在发电状态下，根据母线电压反馈值的大小调整输出频率，使母线电压保持在稳定范围内。

本发明实施例提供的技术方案中，油田自适应节能控制方法包括：步骤a、上电后启动电压频率控制模式，达到工作阈值后启动自适应节能控制模式；步骤b、在电动状态下计算电机的负载，根据负载的大小调整输出电压，当处于轻载状态时降低输出电压至预设值；步骤c、在发电状态下，根据母线电压反馈值的大小调整输出频率，使母线电压保持在稳定范围内。母线电压基本保持不变，即可将电动机下降过程中产生的电能储存起来，在下一次电动状态时使用，使泵升用的制动电阻不再动作，不需要发热，从而可大大降低电机的用电量，达到节能降耗的目的。同时，轻载状态下降低输出电压，即可解决现有轻载时输出电压高导致电机损耗大的问题。

附图说明

图1为本发明实施例中四连杆抽油机的结构示意图。

图2为本发明实施例中油田自适应节能控制方法流程图。

图3为本发明实施例中电动状态和发电状态的电压频率波形图。

图4为本发明实施例中自适应节能控制模式的控制框图。

图5为本发明实施例中电压频率独立控制的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，四连杆抽油机由本实施例提供的油田自适应节能控制系统和现有的机械系统组成。所述油田自适应节能控制系统包括电控柜1和电机(m)2，所述电控柜1内设置有电气回路11(用于对市电进行降压、滤波、稳压等处理)、控制器12(型号优选为ae680)和制动电阻13；机械部分包括皮带31、传动轮32、平衡块33、连接铁杆34、悬梁35、支撑架36、驴头37和抽油杆38。市电从电控柜1的进线端输入，与电控柜内部的电气回路11连接，电气回路11的输出端与控制器12的电源输入端(r、s、t)连接，控制器12的输出端通过3根电机线(u、v、w)与电机(m)连接，控制器的pb端子和“+”端子连接制动电阻，泵升制动管位于控制器12内部，泵升制动管的一端连接pb端子，泵升制动管的另一端连接负端子“-”(图中未示出，其为控制器内部的端子)，正端子“+”与负端子“-”之间连接内部的母线电容。电机2通过皮带31与传动轮32连接，起到动力输入的作用；平衡块33连接传动轮32，随着传动轮32的转动而转动，传动轮32通过连接铁杆34与悬梁35的一端连接在一起，支撑架36作为支点支撑着悬梁35，悬梁35的另一端连接着驴头37，驴头37与抽油杆38连接，抽油杆38随着驴头37进行上下往复运动，在油井4中采油。

四连杆抽油机利用杠杆原理，平衡块的重量与驴头和抽油杆的重量相当，工作时，电机2以单方向运行，以驴头为参考，假加驴头上升过程为电动状态，那么下降过程为发电状态；每1次冲程里，电机完成一次电动和发电。

本发明实施例通过改进控制器的工作原理，采用自适应的vf(v代表输出电压，f代表输出频率)均衡控制，自动调节控制器的输出电压和输出频率，使得两者均衡协调控制，两者既能独立控制，也能协调控制。本发明可广泛应用于具有电动和发电两种工作模式的应用场合，适用于油田抽油机、离心机、机床等应用场合，均可实现空载时自动降低输出电压和输出电流，发电状态下调节输出频率以自动储存能量，从而达到节能的目的。

请一并参阅图2，所述油田自适应节能控制方法包括：

s100、上电后启动电压频率控制模式，达到工作阈值后启动自适应节能控制模式。

本实施例中，上电后刚启动时，控制器先运行现有的电压频率控制模式，此时，输出电压和输出频率呈线性上升，直至到达工作阈值(即输出电压达到设定电压，输出频率达到设定频率点)，此时即可启动增加的自适应节能控制模式。在自适应节能控制模式下，会自动根据负载大小自动调节输出频率和输出电压。

刚启动时通常先进入电动状态，在后续的工作状态中，控制器通过判断当前的输出电压、输出电流和母线电压来自动识别出四连杆抽油机的负载大小、以及根据输出电流(输出的力矩电流)的正负判断当前处于电动状态还是发电状态。

s200、在电动状态下计算电机的负载，根据负载的大小调整输出电压，当处于轻载状态时降低输出电压至预设值。

所述驴头上升时处于电动状态下，根据负载大小来进行调整输出电压；当负载较轻时，通过vf分离的方法使输出电压和输出频率分离(这样能单独两者分别进行调整)，将输出频率保持不变，降低同等频率下的输出电压，以达到节能的效果；当负载较重时，vf分离恢复到正常的vf曲线，然后按照vf曲线中设定的电压设定值作为输出电压、设定频率作为输出频率进行运行；则本步骤具体包括：

步骤210、在电动状态下，根据当前的输出电压和输出电流计算电机的负载。

所述负载通过电动状态输出的有功功率来表现，即本实施例中，负载的大小即是有功功率，对负载的计算和判断，即是计算出有功功率并判断。有功功率p＝u×i×cosφ，u为输出电压，i为输出电流，φ为输出电压与输出电流之间的夹角。

步骤220、判断负载是否小于第一阈值：是则控制输出频率保持不变，降低输出电压至预设值；否则执行步骤230。

本步骤检测电动状态输出的有功功率，如果此时有功功率较小，输出电流较小，说明此时负载很轻、即负载小于第一阈值时表示处于轻载状态，则控制输出频率保持不变并自动降低输出电压至预设值，如图3中的状态a所示。图3的输出频率和输出电压图中，输出频率为虚线，输出电压为实线。轻载状态时降低输出电压，即可解决现有轻载时输出电压高导致输出电流大，电机损耗大的问题。

本实施例中，负载小于且越接近第一阈值、则输出电压降低的幅度越小，负载小于且越远离第一阈值、则输出电压降低的幅度越大。在具体实施时，可根据轻载状态的轻重程度划分几个范围，每个范围设定对应的降低后的输出电压，如当负载与第一阈值的差值的绝对值在第一范围内时(差值较小)，输出电压直接降低至第一输出电压(降低幅度较低)；负载与第一阈值的差值的绝对值在第二范围内时(差值较大，负载更轻)，输出电压直接降低至第二输出电压(降低幅度较大)；具体范围大小和输出电压的压值可根据需求设置。也可将输出电压降低的幅度与差值的绝对值成正比例关系，绝对值越大则输出电压降低的幅度越大，这样每个差值的绝对值都对应唯一的输出电压，结果更加准确，节能的效果更符合当前的轻载状态。

步骤230、判断负载是否大于第二阈值：是则控制输出频率保持不变，将输出电压升高至vf曲线设定的电压设定值；否则不处理。

随着井下开始抽油，负载开始变重，输出电流变大，此时输出电压随着负载的变重而增大，直到输出电压升高至vf曲线中的电压设定值，如图3中状态b所示。然后，控制器以固定的输出频率和电压设定值(作为此时的输出电压)在电动状态下控制电机工作，此时输出电流随着负载的波动而波动，如图3中状态c所示。当驴头上升至最顶端，系统开始运行切换至发电状态。

若负载既不小于第一阈值，又不大于第二阈值，则说明在第一阈值与第二阈值之间，此时为负载的平衡阶段，无需处理。

在具体实施时，第一阈值可等于第二阈值，则步骤230中判断负载是否大于等于第一阈值。如图4和图5所示，系统设定的力矩电流给定值为一固定的较小的电流值，例如vf曲线对应的输出电流的百分之五，在电动状态下，当控制器内部的自适应vf控制模块判断力矩电流反馈值(对应当前的输出电流，其大小对应影响负载)大于等于力矩电流给定值时(对应负载大于等于第一阈值的情况)，此时为负载较重的情况(重载状态)，第一pid(比例-积分-微分)控制器pid1的输入端的电流差为负值，第一pid控制器pid1输出的电压增量△u限幅至0(若电流差为0，则输入为0，pid1的输出必定为0)，此时总给定电压(其输出作为输出电压)不变，输出电压恢复到vf曲线设定的电压设定值。

当自适应vf控制模块判断力矩电流反馈值小于力矩电流给定值时(对应负载小于第一阈值的情况)，此时为负载较轻的情况(轻载状态)，第一pid控制器pid1的输入端的电流差为正值，第一pid控制器pid1输出的电压增量△u为正值，电压增量△u限幅后的值为正，vf曲线设定的电压设定值与电压增量△u限幅后的值相减后得到总给定电压，总给定电压降低，即输出电压降低。

控制器内部的vf给定模块将当前的总给定频率和总给定电压作为输出频率和输出电压输出给控制器内部的输出模块，输出模块将输出电压(即三相电压ua、ub、uc)通过三根电机线(u、v、w)传输给电机(m)。

在电动状态下的母线电压反馈值小于母线电压给定值，第二pid控制器pid2的输入端的电压差为负值，第二pid控制器pid2输出的频率增量限幅至0(若电压差为0，则输入为0，pid2的输出必定为0)，此时总给定频率等于设定频率，即输出频率保持不变，按照正常的vf曲线设定的设定频率运行。母线电压反馈值大于母线电压给定值是发电状态。

s300、在发电状态下，根据母线电压反馈值的大小调整输出频率，使母线电压保持在稳定范围内。

本实施例根据输出的力矩电流(即输出电流)的正负可判断是否为发电状态，当力矩电流为负值时处于发电状态，即可启动自适应节能控制模式来调整输出频率；当力矩电流为正值时处于电动状态，执行步骤s200来进行调整。则在所述步骤s200之后，还包括：判断输出电流是否为负值，是则进入发电状态，执行步骤s300；否则仍处于电动状态，继续执行步骤210～230。所述步骤s300具体包括：

步骤310、在发电状态下将输出电压和输出频率分离，当力矩电流反馈值的绝对值大于等于力矩电流给定值时，保持当前的输出电压不变。

如图5所示，当输出的力矩电流(即输出电流)为负值时，系统处于发电状态，采集当前输出的力矩电流作为力矩电流反馈值来进行判断。由于力矩电流给定值为正值且较小，当力矩电流反馈值的绝对值大于等于力矩电流给定值时，第一pid控制器pid1的输入端为负值，经过第一pid控制器的调节，电压增量的限幅限定至0，vf曲线设定的电压设定值与电压增量限幅后的值相加得到总给定电压，总给定电压不再增加，而是保持不变，此时总给定电压等于输出电压，即输出电压不变。

如图3所示，在发电状态下母线电压升高，如图3的状态d，根据母线电压升高来调整输出频率，母线电压升高，则采集的母线电压反馈值对应升高。

步骤320、当检测母线电压反馈值大于母线电压给定值时，增加输出频率。

当检测母线电压反馈值升高至大于母线电压给定值后，第二pid控制器pid2的输入端是正值(即母线电压反馈值与母线电压给定值的差值)，通过第二pid控制器pid2的调节，频率增量从0变大，变大的程度与差值成正比例，经过限幅模块以后和vf曲线设定的设定频率相加得到总给定频率，总给定频率增加即输出频率增加。发电状态下总给定频率增加，总给定电压不变，此时系统发电的能量转换为机械能储存起来，用于下一个冲次使用。

随着驴头位置的降低，当驴头接近于最底部时，母线电压逐渐降低，此时发电状态逐渐结束。如图5所示，母线电压反馈值逐渐小于母线电压给定值，直到检测母线电压反馈值与母线电压给定值的差值小于等于0时，第二pid控制器pid2的输入端为0，第二pid控制器pid2输出的频率增量限幅至0，总给定频率降低至设定频率，此时系统退出发电状态，如图3中状态c所示，此时母线电压降低，输出频率降低至设定频率，完全退出发电状态。然后，差值为负值则系统将会进入一下个冲程，也就是下一次的电动状态，进入到图3中状态a，如此反复循环运行，直到停机。

当力矩电流反馈值从负值开始变为正值，则又进入电动状态，在电动状态下，当力矩电流反馈值大于等于力矩电流给定值时(重载)，总给定电压不变，输出电压恢复到vf曲线设定的电压设定值；当力矩电流反馈值小于力矩电流给定值时(轻载)，输出频率保持不变，减小输出电压，以进行节能。

本实施例在电动状态和发电状态交替进行时，在发电状态下通过提高输出频率，即可将设备的机械能保存，变成动能；然后在下一次电动状态时，继续使用这部分能量，使泵升用的制动电阻不需要工作，从而大大降低能耗，达到节能的目的。

本实施例中，所述自适应智能节能的控制器的工作原理包括下面3种情况：

当四连杆抽油机工作在电动状态时，控制器自动检测输出电压和输出电流的幅值及相位的变化，计算出电机负载的大小；判断负载较轻(如负载小于第一阈值)时，控制输出频率保持不变，自动降低输出电压，从而减小控制器和电机的损耗；在负载较重(如负载大于第二阈值)时，输出频率同样保持不变，自动升高输出电压，使其与所需负载平衡，增加控制器的带载能力。

当工作在发电状态时，控制器自动检测发电功率的大小，自动升高控制器的输出频率，使得控制器的母线电压基本保持不变，从而将机械的重力势能转化为动能存储起来，母线电压不会像变频器运行时那样持续升高，从而实现控制器内的泵升制动管无需动作，制动电阻不发热，从而减小普通变频器控制的抽油机的电能损耗。制动电阻只是在正常快速停机时需要瞬时动作一下。

进行测试验证时，若vf曲线设定的频率是45hz，则电动状态下运行时，总给定电压最低为220v，重载时到达350v。发电状态运行时，可以明显看到频率上升，正常运行频率(vf曲线设定的)为45hz，发电状态中，总给定频率由45hz上升到55hz，制动用的电阻无需工作。

自适应智能节能控制，工作在发电状态时提高电机的运行转速，工作在电动状态时恢复到正常的运行转速，从而实现同等时间内，冲程次数不低于正常冲次，这样单位时间、单位能量的抽油量只会提高，不会降低。

综上所述，本发明提供的一种油田自适应节能控制系统及其方法，控制器能自动适应四连杆抽油机的负载情况，自动调节输出频率和输出电压；在发电状态下调节输出频率，使母线电压基本保持不变，即可将电动机下降过程中产生的电能储存起来，在下一次电动状态(上升电动过程)时使用，使泵升用的制动电阻不再动作，不需要发热，从而可大大降低电机的用电量，达到节能降耗的目的。

另外，控制器自动检测负载变化，在负载较轻时，自动减小输出电压，减小输出电流，同时保持输出频率不变，从而大大降低了损耗，在轻载同样达到了节能的目的。

传统的抽油机在发电状态时通过电阻消耗，因此造成了能量的浪费。本发明具有简单、可靠，节能效果明显、无需增加系统成本等优点；使用功率分析仪器对比测试了多台油井，自适应智能节能控制器比普通控制器节能率达到了15％～30％。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。