一种抽油机直流配电系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种抽油机直流配电系统，包括高压交流母线、变压器、低压交流母线、抽油机，还包括双向换流单元、直流母线和多个直流电机，其中，多个直流电机并联至直流母线上，驱动与其匹配的抽油机工作，分为上升状态和下降状态；当多个直流电机处于上升状态需要电能时，双向换流单元将来自低压交流母线的交流电转换为直流电，传输至直流母线为多个直流电机供电；当多个直流电机处于下降状态倒发电时，双向换流单元将倒发电所产生的电能逆变并反馈至所述低压交流母线。本实用新型采用直流电机替代了交流电机，转矩大、易调整；采用滤波单元进行滤波，提高直流母线稳定性；采用储能单元存储倒发电所产生的电能，提高了电能使用率。
【专利说明】
一种抽油机直流配电系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种配电系统，特别涉及一种抽油机直流配电系统，属于配电网自动化技术领域。
【背景技术】
[0002]目前，抽油机是目前采油生产中的主要设备，它由电动机、减速箱和四连杆机构(包括曲柄、连杆和游梁)等组成，数量达10万台以上。我国的油田多为低产油井，抽油机用电量约占油田总用电量的40%，运行效率较低，电能浪费大，所以亟需对抽油机系统进行节能改造。
[0003]抽油机是位能性负载，在下冲程时，电动机会出现转子转速大于电机的同步转速，使电动机变为发电机状态，这种状态也被称为倒发电状态。在倒发电状态时产生的电能，现有技术中，倒发电的电能处理方法有三种:一是采用能耗制动的方法，将倒发电的能量用电阻消耗掉，这种方式成本相对较低，但浪费电能；二是回馈方式，通过回馈单元或四象限变频器的可控整流桥将电能回馈电网，这种方式成本很高，对电网的谐波影响也更严重，不适合推广应用;三是采用共直流母线方式，将能量传递给其它负载使用，这种方式成本低，也节能，但在大多场合使用有局限性。
[0004]现有的一种基于最佳冲次辨识的抽油机智能控制系统中公开了抽油机智能控制系统由抽油机专用变频器、直流电抗器和智能控制卡组成的智能系统和旁路系统两部分。智能系统通过变频器的电流和电压检测回路检测电机的瞬时电压和瞬时电流，计算出电机的瞬时功率(含负功率)，以通讯方式将瞬时功率传送至智能控制卡。智能控制卡对瞬时功率作数据处理，得到抽油机的冲次电耗量。检测到抽油机在不同冲次下的冲次电耗，通过基于产液量最大化的最佳冲次辨识数学模型计算出最佳冲次及对应的冲次电耗，完成对油井工况的自学习。智能控制卡控制变频器在最佳冲次对应的频率运行，实时检测的到冲次电耗的变化情况对抽油机进行闭环控制，跟踪井下的供液情况，实现供采平衡、增产增效、节能降耗。但是本方案采用专利变频器的成本会比较高，同时异步电动机由于经常处理功率因数较低的状态，也会引起电能浪费。由于直流电动机具有良好的起动、制动和调速性能；能快速起、制动，正、反转;能在十分宽广的范围内平滑而经济地调节速度。在对抽油机进行改造时，引起人们的重视。
[0005]另一种组合式抽油机优化节能控制器包括直流母线、频率控制器以及转换器，在直流母线输入端设置有整流储能器，在该整流储能器输入端上并联连接有多个再生能量回馈器。当直流母线上电源过高于再生能量回馈器的电源而自动工作时，所述整流储能器把过剩的电能经过直流母线输给到频率控制器，频率控制器经转换器运输到抽油机;可避免现有技术中因直流母线电压过高时因变频器而造成的停机现象的发生。同时，因整流储能器把过剩的电能运输到抽油机，可以达到节能电能的效果。该方案由于变频设备的存在，使得母线的谐波增加，电机的寿命减少，同时设备的成本较高，增加了企业的成本。另外，电动机倒发电的能量虽然一定程度上得到了缓解，但是还存在继续改进的空间。【实用新型内容】
[0006]本实用新型要解决的技术问题是:(1)采用直流电机替代交流电机驱动抽油机工作；(2)改善直流母线的电能质量；(3)将直流电机在下冲程工作时倒发电产生的电能合理使用。
[0007]为实现上述的实用新型目的，本实用新型提供了一种抽油机直流配电系统，包括高压交流母线、变压器、低压交流母线、抽油机，所述变压器将所述高压交流母线的高压交流电转换成低压交流电，并传输到所述低压交流母线，还包括双向换流单元、直流母线和多个直流电机，其中，所述多个直流电机并联至直流母线上，驱动与其匹配的抽油机工作，分为上升状态和下降状态；
[0008]当所述多个直流电机处于上升状态需要电能时，所述双向换流单元将来自所述低压交流母线的交流电转换为直流电，传输至所述直流母线为所述多个直流电机供电；
[0009]当所述多个直流电机处于下降状态倒发电时，所述双向换流单元将倒发电所产生的电能逆变成交流电，反馈至所述低压交流母线。
[0010]较优地，所述双向换流单元为PffM整流器。
[0011]较优地，所述抽油机直流配电系统还包括滤波单元，所述滤波单元与所述直流母线相连接，所述滤波单元的正极连接到正直流母线，所述滤波单元的负极连接至负直流母线。
[0012]较优地，所述滤波单元为电容。
[0013]较优地，所述抽油机直流配电系统还包括储能单元，所述储能单元与所述直流母线相连接，所述储能单元的正极连接到正直流母线，负极连接至负直流母线。
[0014]较优地，所述储能单元为蓄电池组。
[0015]较优地，所述储能单元为蓄电池组和电容器。
[0016]较优地，所述电容器与所述蓄电池组在吸纳电能时的开关电压是连续的。
[0017]与现有技术相比，本实用新型的具有以下有益效果:
[0018](I)采用易于调速的直流电机替代了交流电机，转矩大，提高效率；
[0019](2)采用滤波单元将倒发电所产生的电能进行滤波，提高直流母线稳定性；
[0020](3)采用储能单元存储倒发电所产生的电能，在直流电机需要时，然后进行释放，取代了常用的制动电阻消耗，提高了电能使用率；
[0021](4)采用直流母线可以提高传输距离，极大提高了传输效率。
【附图说明】
[0022]图1是现有技术中抽油机直流配电系统框图；
[0023]图2是本实用新型提供的一种抽油机直流配电系统框图；
[0024]图3是本实用新型实施例一中，用于直流电机的抽油机直流配电系统原理示意图；
[0025]图4是本实用新型实施例二中，倒发电所产生的电能的流向示意图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和实施例，对本实用新型的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
[0027]如图1所示，现有技术中的抽油机直流配电系统，包括:高压交流母线、变压器、低压交流母线、多个交流电机以及与之匹配的抽油机。由于油井的工况比较复杂，需要对交流电机进行调速，大多引入变频器进行调速，由于变频器不能贮存和释放倒发电的电能，会引起母线高压升高。
[0028]为此，本实用新型提供的一种抽油机直流配电系统，如图2所示，包括高压交流母线、变压器、低压交流母线、双向换流单元、直流母线、多个直流电机以及相匹配的抽油机。变压器的输入端连接至高压交流母线，其输出端连接至低压交流母线。双向换流单元的输入端连接至低压交流母线，输出端连接至直流母线。多个直流电机并联到直流母线，并驱动同等数量的抽油机。
[0029]抽油机直流配电系统的工作原理如下:变压器将来自高压交流母线的高压交流电转换为低压交流电，并传输至低压交流母线。双向换流单元采集低压交流母线的低压交流电进行整流，形成与直流电机的额定电压相同的直流电，传输至直流母线。并联在直流母线的多个直流电机接通电源后即可运转，从而带动与其匹配的抽油机进行工作。
[0030]抽油机在工作时，在直流电机的驱动下会做固定周期的上下往复运动，把井下的油送到地面。在一个周期内，随着抽油杆的上升与下降，直流电机会工作在电动/发电状态，即上升过程直流电机从直流母线吸收能量电动运行;在下降过程直流电机的负载性质为位势负载，加之井下的负压使得直流电机转子的转速大于同步转速，此时电动机处于发电状态，把机械能量转换成电能回馈到电网。
[0031]但是，如果将产生的电能直接回馈到电网，会对直流母线的电能质量产生较大的影响，从而影响其他直流电机的正常工作。普通的整流器，不能将电能转换成交流电反馈至交流母线，进一步会增加直流母线的电压，损坏与直流母线相连的设备。
[0032]因此，本实用新型采用双向换流单元，用来解决上述问题。当直流电机工作在电动状态时，该双向换流单元可将低压交流电转换成直流电，提供给直流电机。当工作在下降过程中直流电机数量多余工作在上升过程中直流电机的数量时，此时会引起直流母线电压升高，此时双向换流单元触发工作，将直流电机倒发电的直流电转换成交流电，回馈至低压交流母线。通过双向换流单元的双向转换，极大的提高了电能利用率，还能在一定程度上防止直流母线电压升高，间接的保护了用电设备。
[0033]优选地，本实用新型的双向换流单元采用HVM整流器。如图3所示，Pmi整流器整流时，电能从低压交流母线传输至直流母线;PWM整流器逆变时，电能从直流母线传输至交流母线。通过上述过程，可以解决直流电机倒发电时，直流母线电压升高的问题。
[0034]本实用新型的双向换流单元还可以采用不可控整流器交流与逆变器并联装置并联实现，不可控整流器交流侧接于交流母线，直流侧接于直流母线，逆变器交流侧接于交流母线，直流侧接于直流母线。交流不可控整流器可将交流电转换为直流电，为直流母线供电。如倒发电能量高，导致直流母线电压高，则用逆变器将直流电转换为交流电，反馈至低压交流母线。
[0035]由于多个直流电机工作在不同的状态，有一部分处于下降过程倒发电，有一部分处于上升过程需要电能，他们的数量有可能相等，或多或少，这样，就会对直流母线造成一定程度的影响，产生大量的谐波，影响到其他直流电机。
[0036]本实用新型在直流母线的一侧设置有滤波单元，降低倒发电产生的电能所携带的谐波含量，使直流母线的供电质量能够得到保证，从而不用影响其他直流电机的性能。
[0037]该电容的主要作用为滤波，由于倒发电所产生的电能不是标准的直流电，含有较多的谐波，即直流电压是波动的。该电容可以吸收超过直流母线电压的电能，起动平滑倒发电所产生电能的作用。
[0038]另一方面，电容还能储存一部分的倒发电电能，储存多余的电能，进而稳定直流母线的电压。倒发电时，直流发电机的电压高于直流母线电压，因此可为电容充电，将能量储存在电容中。当处于电动状态的直流电机较多时，即处于上冲程抽油机较多需要能量较多，电容释放能量提供给直流电机，使直流母线电压稳定，提供较高质量的电能。
[0039]通常情况下，在一定区域内，接入直流母线的直流电机，处于上冲程与处于下冲程的数量大体相等，因此对直流母线的影响比较小。增加电容即解决上述影响，此时配电系统中的能量的利用率较高。
[0040]但是，由于电容的容量有限，大电容或者超级电容的费用较大。或者处于下冲程的直流电机数量远大于处于上冲程的直流电机数量时，此时对直流母线的影响非常大。此时电容已经存储了较多的电能，由于其容量有限，不能应付此时的恶劣电场环境。因此还需要对电能进行处理。较优地，本实用新型还在直流母线的一侧设置有储能单元，储能单元可以进一步存储多余的电能。由于储能单元可以将容量设计的比较大，因此可以很好的解决上面的问题。当倒发电所产生的电能较多时，触发储能单元进行工作储存电能。当处于上冲程状态的直流电机较多时，释放电能，从而保证直流母线的电压稳定。更重要的是，可以使倒发电的电能得到最大程度的利用，避免了利用电阻消耗这些电能的情况。
[0041]优选的，本实用新型的储能单元采用蓄电池组，或者蓄电池组与电容。
[0042]如果储能单元的容量过大，也会增加相应的成本。因此，本实用新型在储能单元储存的能量达到额定值时，会启动双向换流单元，此时，由双向换流单元将倒发电所产生的电能转换成交流电，回馈到低压交流母线。
[0043]本实用新型提供的抽油机直流配电系统的工作过程是这样的:(I)当多个直流电机处于上冲程状态的数量较多时，双向换流单元将来自低压交流母线的交流电整流成直流电，并传输至直流母线，供多个直流电机使用；(2)当多个直流电机处于倒发电状态的数量较多时，会引起直流母线的电压升高，此时双向换流单元进行逆变，将直流电逆变为交流电，并反馈至所述低压交流母线。
[0044]如图4所示，变压器将高压交流电进行转换生成低压交流电传输到低压交流母线。PWM整流器将低压交流电进行整流，形成直流电，并传输至直流母线。多个直流电机通电后，驱动与其匹配的抽油机进行工作。
[0045]当处于上升状态与下降状态的直流电机数量大体相等时，此时整个配电系统处于相对平衡状态，即处于下降状态的直流电机倒发电的电能能够由处于上升状态的直流电机所利用，电能的利用率比较高。
[0046]如图4所示，当上升状态与下降状态的直流电机数量不相等，并且相关数量比较大时，此时配电系统处于不平衡状态。数量较多的一方，在上升状态时，需要电能较多;这部分直流电机处于下降状态时，又会倒发电反馈到直流母线，会极大的影响直流母线。
[0047]当这部分直流电机处于下降状态时，倒发电电能较多，此时电容会对反馈的直流电进行滤波，同时吸收一部分电能，如果此时切换到上升状态，电容向直流母线放电。如果电容吸纳电容至自身的额定值，还有源源不断的电能反馈至直流母线，此时蓄电池组开始储能，同理，如果此时切换到上升状态，蓄电池组向直流母线放电，放电完成后，电容也向直流母线放电。如果，蓄电池组存储电能至额定值时，还有反馈的电能，此时则需要触发PWM整流器，使其工作在逆变状态，即将直流电逆变为交流电反馈至低压交流母线。通过上面过程，使倒发电的能量得到最大程度的利用，从而解决了现有技术中利用制动电阻消耗电能引起的电能浪费的问题。
[0048]由此可以看出，本实用新型在储存电能时，分为三个阶段:当倒发电所产生的电能较少时，由电容进行储存，此时蓄电池组不工作；当电能较多时，电容的容量已满时，此时蓄电池组工作，继续吸纳多余的电能；当蓄电池组也不能存储电能时，此时触发PWM整流器进行工作，将直流电转换为交流电回馈至电网。
[0049]当然，在直流电机需要较多的电能时，首先将电容与蓄电池组存储的电能提供给直流电机，期间不足部分由直流母线进行提供。当电容与蓄电池组释放完成后，再完全由直流母线进行提供。
[0050]通过分为三个层次的储存电能，以及释放电能，本实用新型能够尽最大程度的利用倒发电的电能，同时还稳定了直流母线的电压，使直流电机能够正常工作。
[0051]综上所述，本实用新型将交流异步电动机更换为直流电动机后，将原交流配电网改造为直流配电网。在原低压交流母线下，接入双向换流单元，可将交流电能转变为直流电能，直流母线下接入一定区域的抽油机，进行统一供电，直流母线为接入的直流抽油机供电。并且电能可以双向流通，抽油机处于倒发电状态时，直流母线可以汇集多余电能，为其它抽油机供电。当直流母线下接入电容，具有滤波作用，滤除谐波提高直流母线供电质量。直流母线下接入蓄电池组，多余的能量储存在蓄电池组中，在需要电能的时候释放出来，可以提尚直流母线电压稳定性，提尚电能质量。
[0052]以上实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应由权利要求限定。
【主权项】
1.一种抽油机直流配电系统，包括高压交流母线、变压器、低压交流母线、抽油机，所述变压器将所述高压交流母线的高压交流电转换成低压交流电，并传输到所述低压交流母线，其特征在于:还包括双向换流单元、直流母线和多个直流电机，其中，所述多个直流电机并联至直流母线上，驱动与其匹配的抽油机工作，分为上升状态和下降状态； 当所述多个直流电机处于上升状态需要电能时，所述双向换流单元将来自所述低压交流母线的交流电转换为直流电，传输至所述直流母线为所述多个直流电机供电； 当所述多个直流电机处于下降状态倒发电时，所述双向换流单元将倒发电所产生的电能逆变成交流电，反馈至所述低压交流母线。2.如权利要求1所述的抽油机直流配电系统，其特征在于， 所述双向换流单元为PWM整流器。3.如权利要求1所述的抽油机直流配电系统，其特征在于， 所述抽油机直流配电系统还包括滤波单元，所述滤波单元与所述直流母线相连接，所述滤波单元的正极连接到正直流母线，所述滤波单元的负极连接至负直流母线。4.如权利要求3所述的抽油机直流配电系统，其特征在于， 所述滤波单元为电容。5.如权利要求1所述的抽油机直流配电系统，其特征在于， 所述抽油机直流配电系统还包括储能单元，所述储能单元与所述直流母线相连接，所述储能单元的正极连接到正直流母线，负极连接至负直流母线。6.如权利要求5所述的抽油机直流配电系统，其特征在于， 所述储能单元为蓄电池组。7.如权利要求5所述的抽油机直流配电系统，其特征在于， 所述储能单元为蓄电池组和电容器。8.如权利要求7所述的抽油机直流配电系统，其特征在于， 所述电容器与所述蓄电池组在吸纳电能时的开关电压是连续的。
【文档编号】H02J1/12GK205489522SQ201520931491
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2015年11月19日
【发明人】李君 , 李琼, 李正茂, 钱志红, 杜红勇, 时振堂
【申请人】中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司抚顺石油化工研究院