一种抽油机井控制装置及方法与流程

本发明涉及抽油机控制装置技术领域，具体涉及一种抽油机井控制装置及方法。

背景技术：

抽油机井在生产过程中存在的强制简谐运动引起的能耗高、效率低、检泵周期短以及平衡动态变化引起的工况变差等问题，抽油机井还会因为不平衡造成电动机“倒发电”，产生驱动设备发热和“倒发电”谐波污染电网的现象。

传统变频器控制柜中产生的“倒发电”回馈能量是通过制动电阻来消耗的，生产过程中出现严重不平衡时，制动电阻会产生大量的热量，导致控制柜温度升高、甚至烧毁元器件。

通用变频器解决方案对于“倒发电”采用二极管整流(不可控)，输入电流畸变较大，电流谐波含量在30％以上,电流谐波含量高，导致无功占比变大，功率因数低，通常为0.7-0.8。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决抽油机井在生产过程中存在的强制简谐运动引起的能耗高、效率低、检泵周期短以及平衡动态变化引起的工况变差、倒发电污染电网等问题。

具体的技术方案为：

一种抽油机井控制装置，包括控制单元、“倒发电”回收反馈单元，所述回收反馈单元包括依次连接的电抗器、afe变流器、电解电容、回馈变频器，电抗器连接电网三相输入端，回馈变频器连接三相输出端，所述回收反馈单元用于在能量回馈的时候，回馈变频器的三相逆变桥将能量泵升到电解电容，在电抗器、afe变流器、电解电容的共同作用下，电网侧的三相电路充当逆变桥的作用，将电解电容上的能量逆变至电网，实现能量的回收。

进一步的，所述控制单元包括控制器、无线通信模块、驱动变频器及传感器组件，传感器组件安装在抽油机悬绳器、控制柜内及井口流程管线上，包括扭矩传感器、流量传感器、荷载位移传感器、压力温度传感器，所述传感器组件用于采集示功图、单周期电功率曲线和变频器频率输出曲线的数据并通过rtu传送至控制器，所述控制器用于通过实时示功图计算井下泵的充满程度，控制单元根据设定的产液量条件，判断调整冲次的幅度和方向，始终保持井下泵的充满程度与工作制度的匹配可获得所需要的稳定产液量，以及根据上一冲程电机负载率的变化，随动调整驱动变频器输出频率，实时改变电机转速从而改变其输出扭矩，实现单周期内的变转速运行控制，达到降低电机峰值输出功率、提高峰谷输出功率，使电机的功率输出曲线平滑，且平均输出功率降低的目标。

另一方面，本发明公开了抽油机井“倒发电”回馈控制方法，所述方法具体为：

通过在电网三相输入端和三相输出端之间依次连接的电抗器、afe变流器、电解电容、回馈变频器，在能量回馈的时候，回馈变频器的三相逆变桥将能量泵升到电解电容，在电抗器、afe变流器、电解电容的共同作用下，电网侧的三相电路充当逆变桥的作用，将电解电容上的能量逆变至电网，实现能量的回收。

进一步的，所述方法还包括闭环控制和柔性控制，通过安装在抽油机悬绳器上的载荷传感器、控制柜内的电参数传感器、井口的流量传感器、压力温度传感器，实时采集示功图、单周期电功率曲线和井口产液量以及温度压力数据并通过rtu传输至控制器。所述闭环控制功能是通过实时示功图计算井下泵的充满程度，控制单元根据设定的产液量条件，判断调整冲次的幅度和方向，始终保持工作制度(冲次)和井下泵的充满程度与设定产液量合理匹配；所述柔性控制功能是指控制器根据上一冲程电机负载率的变化，随动调整驱动变频器输出频率，实时改变电机转速从而改变其输出扭矩，实现单周期内的变转速运行控制，达到降低电机峰值输出功率、提高峰谷输出功率，使电机的功率输出曲线平滑，且平均输出功率降低的目标。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明开发出了一种抽油机井智能控制装置及方法，本发明实现了闭环、柔性和“倒发电”反馈的功能集成，系统集成度高、更加适用于抽油机变负载运行的特点，是抽油机实现智能控制的最佳配套组合装置。相对于工频控制和传统的变频控制装置具有控制运行平稳、能耗更低、工况更加合理、对动态不平衡适应性更强，举升系统检泵周期更长等优点。

附图说明

图1为抽油机井智能控制装置的整体结构示意图。

图2为回收“倒发电”反馈单元工作原理图。

附图标记如下：

1、控制器；2、无线通信模块；3、驱动变频器；4、电参数传感器；5、流量传感器；6、荷载位移传感器；7、压力温度传感器；

11、电网三相输入端；12、电抗器；13、保护电路和防雷单元；14、afe变流器；15、电解电容；16、回馈变频器；17、三相输出端；18、辅助电源；19、散热风扇。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1、图2所示，本发明应用于油田开发后期的人工举升领域，主要用于解决抽油机井在生产过程中存在的强制简谐运动引起的换向冲击、能耗高、效率低、检泵周期短以及平衡动态变化引起的工况变差、“倒发电”污染电网等问题。

本发明通过实时采集示功图(是指反映深井泵工作状况好坏，由专门的仪器测出，画在坐标图上，被封闭的线段所围成的面积表示驴头在一次往复运动中抽油机所做功的图形)、单周期电功率曲线和变频器频率输出曲线，通过以能耗最低为目标的智能控制算法，通过控制器控制变频器实现抽油机井单周期内最佳变速运行形态，在获得最低运行能耗的前提下，使井下泵的充满程度最高，从而达到系统效率最高的目的。通过集成“倒发电”afe+inverter回收反馈单元，有效利用了这部分能量，同时不会产生设备发热和谐波污染电网的现象，提高了抽油机智能控制装置的智能化程度和平衡率动态变化的适应能力，本发明对比传统的变频器和回馈单元组合，功能更完善、使用更加简单且节省成本。

根据举升系统所需动力变化以及井下泵的充满程度需要，通过动态改变驱动变频器3输出频率而改变驱动电机的实时转速，实现电机功率的“按需输出”，从而获得更低的输出能耗，同时获得更高的井下泵充满程度，最大幅度提升抽油机井的系统效率；而当抽油机出现不平衡现象时，通过集成四象限变频器控制回收电机发电并通过滤波及母线电压缓冲电路极大的消除了谐波干扰，回馈能量可通过逆变回到电网侧。通过试验对比相对于传统变频器驱动，综合节电率35％以上。

闭环控制功能是通过实时示功图计算井下泵的充满程度，控制器1根据设定的产液量条件，判断调整冲次的幅度和方向，始终保持井下泵的工作制度和充满程度与所需要的产液量合理匹配。

柔性控制功能是指控制器1根据上一冲程电机负载率的变化，通过调整驱动变频器3输出频率实时改变电机转速从而改变其输出扭矩，实现单周期内的变转速运行控制，达到降低电机峰值输出功率、提高其峰谷输出功率的控制效果，通过“削峰填谷”使电机的功率输出曲线更加平滑，且平均输出功率得到大幅降低。

主动前端(afe〕整流单元的工作原理为：afe整流单元从电网汲取正弦波交流，经整流后输出直流电压，并保持所要求的电压值。各次谐波由滤波电路删除。afe+inverter回收反馈单元包括：emc(保护电路)和防雷单元13、电抗器12、afe变流器14、电解电容15、inverter(回馈变频器16)、辅助电源18、散热风扇19，回收反馈单元两端接入电网三相输入端11和三相输出端17。驱控一体控制装置集成afe+inverter回收反馈单元后相对于原控制系统可实现：1.能量回馈2.减少谐波3.提高功率因数4.取消制动电阻等改进效果。

afe+inverter解决方案输入整流可控，电流正弦度高，电流谐波可以控制在3％-5％范围内，输入电流受控，相位始终跟随电网电压且谐波含量低，理论功率因数为1。

数据采集部分由安装在抽油机悬绳器上的载荷位移传感器4、控制柜内的电参数传感器6和井口流程上的流量传感器5、压力温度传感器7以及无线通讯模块2组成，传感器采集实时数据通过无线通讯模块2传输至控制器1；控制器1数据通过无线通讯模块上传至远端控制中心。

控制器1主板集成了闭环控制、柔性控制和afe+inverter整流反馈控制功能模块，控制器1与驱动变频器3输入端相连接，根据不同的控制模式实现变频器的输出控制，驱动变频器3输出端连接电机，电机通过皮带、减速箱传动传输动力到抽油机。

传统变频器中产生的回馈能量是通过制动电阻来消耗的，生产过程中出现严重不平衡时制动电阻会产生大量的热量，导致控制柜内温度升高、甚至烧毁元器件。afe+inverter整流当能量回馈的时候，三相逆变桥将能量泵升到电解电容，电网侧的三相boost电路此时充当逆变桥的作用，将电解电容上的能量逆变至电网，实现能量的回收，也可供给同一电网上的其他负载使用。无论是converter还是inverter发电回馈运行，功率因数都接近1，对电网的干扰减至最小。这是因为电动及发电时刻，与电网连接的电抗器起到储能滤波的作用。

以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。