一种用于抽油机的自洽供能系统控制方法与流程

本发明涉及并网或离网供电的供能系统，具体涉及一种用于抽油机的自洽供能系统控制方法。

背景技术：

1、抽油机又称“磕头机”是开采石油的重要设备，其通过循环举升抽吸井下原油，被广泛应用于各类油田中。抽油机通常在油田内需全天候运转，其动载大且能耗高，目前油田中为抽油机供能主要以电网为主。根据目前油田的分布位置，有些油田所处区域架设有电网，可以满足其用能需求，但有些油田所处区域则无电网解决其用能问题。

2、现有技术中为抽油机供能所采用的方式如下：

3、方式一，油田周围架设有电网时，抽油机直接从电网取电，鉴于抽油机的工作特点，会拉低电网功率因数，因此用电成本比常规用电设备要高，除了常规电费外，供电部门还会额外收取因拉低功率因数的调整电费，导致单纯依靠电网供能的用电成本极高。

4、方式二，油田周围无电网供能时，通常采用柴油发电机给抽油机供能，燃油消耗巨大，碳排放过高，对环境也不友好。

5、随着对石油需求量的增加，解决抽油机供能问题十分必要，充分利用油田所处地域资源优势，将绿色能源转化为电能为其供能，减少对电网取电的依赖。光伏储能供电系统是解决抽油机用能需求的较佳选择，在设计光伏储能供电系统时，需考虑以下方面：

6、(1)光伏储能供电系统中所需光伏阵列、储能系统、直流变换器、变流设备、隔离变压器等设备的容量配置，要结合抽油机的用能特点而考虑，需在满足用能需求前提下，还满足经济性。

7、(2)对于有电网区域，尽可能减少从电网取电，光伏发电剩余电能在保证储能充足情况下，尽量余电上网减少用能成本；对于无电网区域，需考虑光伏发电不足问题，配备合适容量的柴油发电机补充供能。

8、(3)抽油机油杆循环举升过程内，下冲程时会带动电机旋转发生发电现象，这部分发电能量目前未被有效利用，造成能源浪费，并且，下冲程时抽油机所发电能还会对供电系统造成冲击，影响供电系统供电的可靠性，因此，在构建光伏储能供电系统时，需考虑将此环节所发电能回馈供电系统加以利用，避免能源浪费，还减少对供电系统的冲击。

9、(4)抽油机通常采用的0.4kv低压供电系统为其供电，抽油机配备的电机一般采用直接启动方式，电机的全压启动电流往往为额定电流的5-7倍，电机启动时不仅增加供电系统的损耗，还会对供电系统带来电流冲击，因此，在设计光伏储能供电系统的启动控制方面，也要充分考虑抽油机的特点。

10、基于上述原因，发明人针对抽油机的用能特点及需求，结合现有光伏储能供电系统在并网、离网时的架构，设计出适用于抽油机的自洽供能系统控制方法，可以解决上述提及的四方面考虑问题，本案由此而生。

技术实现思路

1、本发明分别公开一种用于抽油机的并网型自洽供能系统控制方法及离网型自洽供能系统控制方法，能够满足有电网区域或无电网区域的抽油机用能需求。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

3、一种用于抽油机的自洽供能系统控制方法，所述自洽供能系统包括光伏阵列、储能单元、直流变换器、变流器、隔离变压器、电网以及抽油机；所述控制方法包括对自洽供能系统的配置设计、对自洽供能系统的能量管控设计、对自洽供能系统的软启动设计；

4、自洽供能系统的配置设计按如下给出的公式进行配置：

5、

6、上式中，各个参数的含义如下：

7、ppv表示光伏阵列布设总容量，单位为kwp；

8、tpv表示光伏阵列年有效发电小时数，单位为h；

9、pload表示用电负荷平均运行功率，单位为kw；

10、tload表示用电负荷年总用能时长，单位为h；

11、pes_ch表示储能单元额定充电功率，单位为kw；

12、tpv_ch表示光伏阵列为储能单元充电时长，单位为h；

13、spvmin、spvmax分别表示光伏阵列布置容量的下限值和上限值，单位为kw；

14、ppcs表示变流器设计容量，单位为kw；

15、etran表示隔离变压器设计容量，单位为kva；

16、pload_max表示用电负荷最大运行功率，单位为kw；

17、pdcdc表示直流变换器设计容量，单位为kw；

18、pes表示储能单元额定功率，单位为kw；

19、ees表示储能单元额定容量，单位为kwh；

20、trequir表示需要储能单元放电时长，单位为h；

21、k1、k2表示基于系统出力以及设备电能转换损耗设计的损耗系数，＞1，无量纲；

22、自洽供能系统的软启动设计具体如下：

23、将变流器初始输出电压设定为抽油机电机额定电压的60％；

24、启动抽油机电机，实时检测抽油机电机的转速是否达到额定转速，抽油机电机从初始转速逐渐升高到额定转速的过程中，变流器输出电压从初始输出电压逐渐开始升高，直至抽油机电机的转速达到额定转速时，变流器输出电压调整为抽油机电机的额定电压；

25、自洽供能系统的能量管控设计如下：

26、当抽油机工作于下冲程时，并且储能单元的实时荷电状态≤储能单元荷电状态上限值时，自洽供能系统的能量管控按如下公式进行控制：

27、

28、上式中，各个参数含义如下：

29、ppv(t)表示光伏阵列实时发电功率，单位为kw；

30、ppv_mppt(t)表示光伏阵列实时最大功率点出力功率，单位为kw；

31、pes(t)表示储能单元实时充电功率，单位为kw；

32、pesn(t)表示储能单元额定充电功率，单位为kw；

33、pgrid(t)表示电网与自洽供能系统实时交互功率，单位为kw；

34、pload_m(t)表示抽油机下冲程时电机的放电功率，单位为kw；

35、当抽油机工作于下冲程时，并且储能单元的实时荷电状态＞储能单元荷电状态上限值时，自洽供能系统的能量管控按如下公式进行控制：

36、

37、进一步，所述自洽供能系统的软启动过程中，变流器输出电压每次调整时，变流器输出电压每次升高10％。

38、进一步，所述自洽供能系统的能量管控设计中，当抽油机工作于上冲程时，其能量管控具体如下：

39、(1)当储能单元实时荷电状态≤储能单元荷电状态上限值，并且光伏阵列实时发电功率≥用电负荷实时用电功率时，自洽供能系统的能量管控按如下公式进行控制：

40、

41、上式中，pload(t)表示用电负荷实时用电功率，单位为kw；

42、(2)当储能单元实时荷电状态≥储能单元荷电状态下限值，并且光伏阵列实时发电功率＜用电负荷实时用电功率时，自洽供能系统的能量管控按如下公式进行控制：

43、

44、上式中，pes_dis(t)表示储能单元实时放电功率，单位为kw；

45、(3)储能单元实时荷电状态＜储能单元荷电状态下限值，并且光伏阵列实时发电功率＜用电负荷实时用电功率时，自洽供能系统的能量管控按如下公式进行控制：

46、

47、(4)当储能单元实时荷电状态＞储能单元荷电状态上限值，并且光伏阵列实时发电功率≥用电负荷实时用电功率时，自洽供能系统的能量管控按如下公式进行控制：

48、

49、一种用于抽油机的自洽供能系统控制方法，所述自洽供能系统包括光伏阵列、储能单元、直流变换器、变流器、隔离变压器、柴油发电机以及抽油机；所述控制方法包括对自洽供能系统的配置设计、对自洽供能系统的能量管控设计、对自洽供能系统的软启动设计；

50、自洽供能系统的配置设计按如下给出的公式进行配置：

51、

52、上式中，各个参数符号含义如下：

53、ppv表示光伏阵列布设总容量，单位为kwp；

54、tpvmonth表示光照最差月份太阳能辐射最小日有效小时数，单位为h；

55、eloadday表示用电负荷日最高用电量，单位为kwh；

56、ppcs表示变流器设计容量，单位为kw；

57、pload表示用电负荷平均运行功率，单位为kw；

58、ees表示储能单元额定容量，单位为kwh；

59、pes表示储能单元额定功率，单位为kw；

60、trequir表示需要储能单元放电时长，单位为h；

61、pm表示柴油发电机发电功率，单位为kw；

62、etran表示隔离变压器设计容量，单位为kva；

63、pdcdc表示直流变换器设计容量，单位为kw；

64、k1、k2、k3、k4表示基于线缆、设备电能转换损耗设计的冗余系数，＞1，无量纲；

65、自洽供能系统的软启动设计具体如下：

66、将变流器初始输出电压设定为抽油机电机额定电压的60％；

67、启动抽油机电机，实时检测抽油机电机的转速是否达到额定转速，抽油机电机从初始转速逐渐升高到额定转速的过程中，变流器输出电压从初始输出电压逐渐开始升高，直至抽油机电机的转速达到额定转速时，变流器输出电压调整为抽油机电机的额定电压；

68、自洽供能系统的能量管控设计如下：

69、当抽油机工作于下冲程时，并且储能单元的实时荷电状态≥储能单元荷电状态上限值时，自洽供能系统的能量管控按如下公式进行控制：

70、

71、上式中，各个参数含义如下：

72、ppv(t)表示光伏阵列实时发电功率，单位为kw；

73、ppv_mppt(t)表示光伏阵列实时最大功率点出力功率，单位为kw；

74、pab表示自洽供能系统弃电功率，单位为kw；

75、pload_m(t)表示抽油机下冲程时电机的放电功率，单位为kw；

76、当抽油机工作于下冲程时，并且储能单元的实时荷电状态＜储能单元荷电状态上限值时，自洽供能系统的能量管控按如下公式进行控制：

77、

78、上式中，各个参数含义如下：

79、pes(t)表示储能单元实时充电功率，单位为kw；

80、pesn表示储能单元额定充电功率，单位为kw。

81、进一步，所述自洽供能系统的软启动过程中，变流器输出电压每次调整时，变流器输出电压每次升高10％。

82、进一步，所述自洽供能系统的能量管控设计中，当抽油机工作于上冲程时，其能量管控具体如下：

83、(1)当储能单元实时荷电状态≥储能单元荷电状态上限值，并且光伏阵列实时发电功率≥用电负荷实时用电功率时，自洽供能系统的能量管控按如下公式进行控制：

84、

85、上式中，pload(t)表示用电负荷实时用电功率，单位为kw；

86、(2)当储能单元实时荷电状态＜储能单元荷电状态上限值，并且光伏阵列实时发电功率≥用电负荷实时用电功率时，自洽供能系统的能量管控按如下公式进行控制：

87、

88、(3)当储能单元实时荷电状态≥储能单元荷电状态下限值，并且光伏阵列实时发电功率＜用电负荷实时用电功率时，自洽供能系统的能量管控按如下公式进行控制：

89、

90、上式中，pes_dis(t)表示储能单元实时放电功率，单位为kw；

91、(4)当储能单元实时荷电状态＜储能单元荷电状态下限值，并且光伏阵列实时发电功率＜用电负荷实时用电功率时，自洽供能系统的能量管控按如下公式进行控制：

92、

93、本发明针对油田中抽油机的工作特点，分别从有网和无网区域考虑，设计了能够满足抽油机长期运行不停机的自洽供能系统，在配置各设备容量时，以抽油机工作发电回收利用以及多余能源入网为考量，实现经济最大化；在能量管控方面，回收抽油机下冲程产生电量，实现能量零散回收并集中释放，减少能源的浪费，也减少从电网取电；在供能系统启动方面采用软启动方式对变流器输出电压进行控制，降低了抽油机电机启动时对供能系统造成的冲击，提高了供能系统工作的可靠性。