CN103427729A - 基于直流母线的抽油机井群控系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于直流母线的抽油机井群控系统，该基于直流母线的抽油机井群控系统包括变压器，整流滤波装置和多个逆变终端控制器，变压器将高压电降低为380V或中高压三相交流电源，整流滤波装置将该三项交流电源转换为直流电能，多个逆变终端控制器将该直流电能转换为交流电能，为多个抽油机提供该交流电能，并对该逆变终端控制器的运行情况实时监视、控制。该基于直流母线的抽油机井群控系统解决了现有设备功效差、成本高等问题，具有节能效率高，造价低，可防止直流母线电压的大幅度波动和过压，并且能够实现较远距离“一拖多”油井的不升压输电的优点。

Description

基于直流母线的抽油机井群控系统

技术领域

本发明涉及抽油机井群控系统，特别是涉及到一种基于直流母线的抽油机井群控系统。 

背景技术

目前国内有关抽油机及驱动电机的各种检测与控制方式多种多样，比如，以改善工艺、提高采收率为目的而为抽油机配备的逆变调速器、示功图测试分析仪、滑差电机、变极调速；针对抽油机由于长期处于“大马拉小车”状态所致的功效低、功率因数低的问题，为了节能降耗而采用的节能控制电机、降压节能和Δ/Y接法控制，以及对抽油机通过间歇式控制来实现节能的所谓超级节能器等等。国外围绕抽油机的控制主要采用比较完善的逆变调速装置和与之配套的示功图测试分析仪等，通过逆变调速器及多功能控制系统，既可以较好地满足采油工艺的要求，又能达到有效的节能目的。在国内各油田采用的逆变控制柜在以下几方面有技术和性能上的差异和影响：首先，作为交－直－交逆变结构，其交－直整流及滤波环节的电路结构不同，对于网侧功率因数的大小及对电网的谐波污染程度有直接的影响。其次，对于逆变环节的SPWM控制及调压控制的算法不同，直接影响着实现抽油机“大马拉小车”状态下的降压节能效果。再次，逆变控制柜对抽油机的不平衡馈能通常有两种不同的处理方式和配置组态：一是在直流侧接入刹车电阻耗能，电路简单易行；二是交－直整流及滤波环节采用PWM可逆整流器将电机倒发电能量馈入电网，使不平衡馈能得以回收，避免能量的浪费。后者技术难度较大，成本也较高。此外，由于所采用的技术手段不同，控制柜成本也各不相同，不过总体看来，逆变控制柜价格偏高，各采油厂难以接受，这也是逆变控制柜目前难以大面积广泛应用的主要原因。为此我们发明了一种新的基于直流母线的抽油机井群控系统，解决了以上技术问题。 

发明内容

本发明的目的是提供一种节能效率高，可防止直流母线电压的大幅度波动和过压，并且能够实现较远距离“一拖多”油井的不升压输电的基于直流母线的抽油机井群控系统。   

本发明的目的可通过如下技术措施来实现：基于直流母线的抽油机井群控系统，该基于直流母线的抽油机井群控系统包括变压器，整流滤波装置和多个逆变终端控制器，该变压器将高压电降低为380V或中高压三相交流电源，该整流滤波装置将该三项交流电源转换为直流电能，该多个逆变终端控制器的多个输入端通过公共直流母线并联连接在该整流滤波装置的输出端，多个输出端分别连接多个抽油机，该多个逆变终端控制器将该直流电能转换为交流电能，为该多个抽油机提供该交流电能，并对该逆变终端控制器的运行情况实时监视、控制。

本发明的目的还可通过如下技术措施来实现： 

该基于直流母线的抽油机井群控系统还包括高压开关，该高压开关连接于该变压器，控制高压电缆与该变压器之间的电力通断。

该基于直流母线的抽油机井群控系统还包括空气开关，该空气开关连接该变压器和该整流滤波装置的输入端，控制该变压器与该整流滤波装置之间的电力通断。 

该整流滤波装置包括整流器和滤波器，该整流器将该三项交流电源转换为该直流电能，该滤波器将该直流电能滤波。 

该逆变终端控制器包括电力变换主电路、检测与保护模块和单片机控制模块，该电力变换主电路的输入端与该整流滤波装置的输出端相连接，输出端与该抽油机电机相连接，其将该直流电能转换为该交流电能，为该抽油机电机提供该交流电能，并吸收该公共直流母线上的过电压能量，该检测与保护模块连接于该电力变换主电路的检测端，其对该抽油机的电机的参数进行实时检测，并将检测信号传输给该单片机控制模块，该单片机控制模块接收该检测信号，并根据该检测信号判断该电机的工作状态，以控制该电力变换主电路提供的该交流电能。 

该电力变换主电路包括直流母线输入滤波电容、充电保护单元、SPWM逆变器和过压吸收保护单元，该直流母线输入滤波电容将该直流电能滤波，该充电保护单元吸收因该直流母线输入滤波电容刚上电时的冲击电流，该SPWM逆变器将该直流电能转换为该交流电能，该过压吸收保护单元吸收该公共直流母线上的过电压能量。 

该检测与保护模块在该电机出现异常情况下自动发出声光报警。 

该单片机控制模块应用16位dsPIC30F系列DSP单片机及高频PWM控制方式。 

该逆变终端控制器还包括驱动模块和不平衡馈能保护处理模块，该驱动模块的输入端连接于该单片机控制模块的输出端，该驱动模块的输出端与该电力变换主电路的控制端相连接，以驱动该电力变换主电路，并强弱电隔离以保护该电力变换主电路，该不平衡馈能保护处理模块连接于该电力变换主电路的检测端以及该驱动模块，吸收该公共直流母线上的过电压能量。 

该检测与保护模块检测到该公共直流母线上电压过高时，将过电压信号传输给该单片机控制模块，该单片机控制模块将该过电压信号传输给该驱动模块，使该不平衡馈能保护处理模块在该驱动模块的驱动下吸收该公共直流母线上的过电压能量。 

当该不平衡馈能保护处理模块吸收该公共直流母线上的过电压能量时，该单片机控制模块和该检测与保护模块进行LED指示。 

该逆变终端控制器还包括运行状态监视模块，该运行状态监视模块连接于该单片机控制模块，并对该逆变终端控制器的运行情况进行实时监视、控制。 

该运行状态监视模块包括LED显示窗口、控制键盘和运行状态监视灯，通过该LED显示窗口对该逆变终端控制器的工作状态和运行工况进行监视，通过该控制键盘选择和设定该逆变终端控制器的运行方式，该运行状态监视灯显示各种运行状态。 

该LED显示窗口还存储该逆变终端控制器的故障信息。 

该控制键盘包括逆变终端启动、停止、复位、正反转、程序设置、数据设置、上下频率调节和调频。 

本发明中的基于直流母线的抽油机井群控系统，与现有技术相比较，具有以下优点：1.采用集中整流、平波电抗加直流滤波，由直流母线供电，变压器容量既有利于降低网侧电流谐波污染及提高功率因数，又可以大幅度降低系统造价； 

2.直流母线上各并联控制终端之间对负荷变化的能量互馈补偿，使各抽油机的馈能得以充分共享和循环利用，提高系统节能效率；

3.结合抽油机载荷的周期性急剧变化特点，使用专用节能控制算法。通过检测抽油机的当前负载状况和上、下冲程位置，经过智能化统计分析判断，实现对上、下冲程频率的优化调节；

4.防止直流母线电压的大幅度波动和过压；

5. 采用共直流母线供电能够实现较远距离“一拖多”油井的不升压输电，直流电传输距离更长，无线损，且避免了偷盗电的情况发生；

6.各控制柜终端的软件开发，实现井口数据采集及远传通讯和逆变控制保护功能的有机结合，高度集成化为一体，由一套高性能单片机硬、软件系统统一完成，既可靠稳定又降低成本。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图； 

图2为图1中的逆变终端控制器的结构示意图；

图3为图2中的运行状态监视模块的运行状态监视面板的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。 

如图1所示，图1为本发明的基于直流母线的抽油机井群控系统的结构图。该基于直流母线的抽油机井群控系统由包括高压开关1、变压器2、空气开关3、整流滤波装置4和逆变终端控制器5。所述高压开关1顺次连接变压器2及空气开关3后与整流滤波装置4的输入端相连接，整流滤波装置4的输出端与逆变终端控制器5的输入端相连接，逆变终端控制器5的输出端与抽油机6相连接。逆变终端控制器5及与其相连接的抽油机6至少设为2套，各逆变终端控制器5的输入端并联连接在整流滤波装置4的输出端。 

高压开关1是额定电压3kV及以上主要用于开断和关合导电回路的电器,用于高压电缆与变压器2之间的电力通断。 

变压器2是一种利用电磁互感应，降低电压的器件,用于将高压电降低为380V或中高压三相交流电源。在一实施例中，根据原单台抽油机配单台普通型变压器的容量a·KVA，按照抽油机井群控的要求，选用n台抽油机对应变压器的容量总和n*a·KVA的五分之一容量作为群控n台抽油机的变压器容量，即0.2*n*a·KVA。 

空气开关3集控制和多种保护功能于一身，除了能完成接触和分断电路外，尚能对电路或电气设备发生的短路，严重过载及欠电压等进行保护,用于变压器2与整流滤波装置4之间的电力通断。 

整流滤波装置4包括整流器和滤波器，该整流器将该三项交流电源转换为该直流电能，该滤波器将该直流电能滤波。整流滤波装置4通过公共直流母线为多口油井逆变终端控制器5供电，当各抽油机电机分时进入倒发电状态时，使反馈到直流侧的能量为同一母线上的其他逆变终端所共享, 整流滤波装置4将交流电能转换为直流电能，同一电网侧整流器和滤波器通过公共直流母线为多口油井电控终端供电，采用共直流母线供电能够实现较远距离“一拖多”油井的不升压输电，直流电传输距离更长，无线损，且避免了偷盗电的情况发生。 

如图2所示，图2为图1中的逆变终端控制器的一具体实施例的结构图。逆变终端控制器主要是将该直流电能转换为交流电能，抽油机提供该交流电能，并对该逆变终端控制器的运行情况实时监视、控制。逆变终端控制器5包括电力变换主电路21、检测与保护模块22、单片机控制模块23、驱动模块24、不平衡馈能保护处理模块25和运行状态监视模块26五部分。电力变换主电路21的输入端与整流滤波装置4的输出端相连接，电力变换主电路21的输出端与抽油机6相连接，用于将直流电能转换为交流电能，并吸收直流侧过电压能量，电力变换主电路21部分采用第四代新型全控电力电子器件IGBT等快速模块组成。电力变换主电路21主要由三个部分组成：一是直流母线输入滤波电容及充电保护单元，群控系统的整流滤波装置4使三相输入电流相对于输入电压基本没有相位滞后，网侧功率因数较高，为SPWM逆变器提供直流电压母线，该直流母线输入滤波电容将该直流电能滤波，充电保护单元吸收因电容刚上电时的冲击电流，保护电容及整流器，采用的是双极性的SPWM控制三相桥式逆变电路，可以大大减少输出电压中所含谐波成份，使输出电流接近正弦波，而对输入网侧回路的功率因数没有影响，当不平衡馈能保护处理模块中电能未及时用完时，该过压吸收保护单元吸收该公共直流母线上的过电压能量。二是SPWM逆变器，采用的是双极性PWM控制三相桥式逆变电路，可以大大减少输出电压中所含谐波成份，使输出电流接近正弦波，而对输入网侧回路的功率因数没有影响。三是过压吸收保护单元，防止直流母线馈能比较集中时电压过高，过压吸收保护单元通过大功率IGBT功率模块来实现开关控制，该通断控制逻辑信号的形成，是通过检测与保护模块22的逻辑判断与单片机控制模块23的特定控制算法来综合完成的，主要作用是吸收直流侧过电压能量，防止由于不平衡馈能造成的过压威胁，在过压吸收保护单元投入工作期间，单片机控制模块23和检测与保护模块22都会给出相应的LED指示，当不平衡馈能保护处理模块不能将过电压能量完全利用时，电压升高，这时过压吸收保护单元就会导通，吸收过压。 

检测与保护模块22连接于电力变换主电路21的检测端，并对抽油机电机的电压、电流、功率因数和功率等参数进行实时检测，除实现对本装置的保护之外，还可以完成对抽油机电机运行状态的监测，在电机出现过压、过流、过载、缺相等异常情况下自动发出声光报警。 

单片机控制模块23连接于检测与保护模块22，应用了16位dsPIC30F系列DSP单片机及高频PWM控制方式，完成电机节能运行的寻优控制算法，对抽油机及驱动电机的工作状态进行自动控制，使得抽油机电机始终运行于功率因数和效率最佳的工作状态。单片机控制模块23作为整个系统的智能化控制核心，连续不断地通过检测与保护模块22，对抽油机电机的电压、电流、功率因数和功率等参数进行实时检测，进而对电机的工作状态进行综合判断，并通过电力变换主电路21，运用独特的SWM控制方法，实现对电机的平滑逆变运行和节能控制。 

驱动模块24的输入端连接于单片机控制模块23的输出端，驱动模块24的的输出端与电力变换主电路21的控制端相连接，主要采用专用集成驱动芯片KA962来实现对大功率器件IGBT的驱动与强弱电隔离及保护。当直流母线馈能集中，导致母线电压过高时，通过驱动模块24控制不平衡馈能保护处理模块25，对抽油机的不平衡再生能量进行及时处理。 

不平衡馈能保护处理模块25连接于电力变换主电路21的检测端以及驱动模块24。抽油机不平衡馈能保护处理部分的设计，针对电机倒发电馈能问题，将不平衡馈能保护处理模块25和电力变换主电路21协同联接，通过单片机控制模块23、检测与保护模块22的配合，完成不平衡馈能保护处理模块25与抽油机电机之间的检测反馈、切换和协调控制，并通过闭环系统的自动调节达到功率的跟踪平衡效果。 

运行状态监视模块26连接于单片机控制模块23，并对逆变终端控制器5的运行情况进行实时监视、控制。运行状态监视模块26包括LED显示窗口、控制键盘和运行状态监视灯。通过LED显示窗口随时对系统的工作状态和运行工况进行监视，保证控制系统能够及时地在故障时刻进行处理，同时也能够及时地将系统中的故障信息进行存储，以便用户去查寻故障原因。通过控制键盘可以选择和设定两种运行方式，例如，方式1是普通开环变频运行；方式2是抽油机上、下冲程频率自动切换运行。在一实施例中，控制键盘可以进行逆变终端启动、停止、复位、正反转、程序设置、数据设置、进行上下频率调节（即进行数字加减）和调频。运行状态监视灯包括运行状态指示灯、停止状态指示灯、故障状态指示灯、正转指示灯和反转指示灯，以显示各种运行状态。如图3所示，图3为运行状态监视模块26的运行状态监视面板的示意图。运行状态监视面板包括调频旋钮1、数字+2、程序键3、数字-4、数据键5、正转/反转6、运行7、停止/复位8、运行指示灯9、停止指示灯10、故障指示灯11、正转指示灯12、反转指示灯13和LED显示14。 

逆变终端控制器5将直流电能转换为交流电能，上电起动时对系统进行自诊断，满足起动条件方可起动运行。抽油机电机采用逆变软起动运行，既增大了起动转矩又减小了起动电流，通过独特的SPWM波形发生器和相应的控制算法，产生SPWM控制信号，实现逆变控制。随时根据检测与保护模块22提供的抽油机的电压、电流等参数，按照一定的数字算法，实时计算当前电机的运行功率，根据其负载率的大小，改变SPWM控制开关信号的调制规律，从而实现对抽油机电机负载急剧变化的动态跟踪和节能控制。随时对系统的工作状态和运行工况进行监视，保证控制系统能够及时地在故障时刻进行处理，同时也能够及时地将系统中的故障信息进行存储，以便用户去查寻故障原因，根据检测与保护模块22所提供的倒发电状态检测信息，做出逻辑分析判断，一方面将抽油机的不平衡馈能自动馈入直流母线，为多台油井终端共享，另一方面，当直流母线馈能集中，导致母线电压过高时，通过驱动模块24控制不平衡馈能保护处理模块25，对抽油机的不平衡再生能量进行及时处理。 

Claims (10)

1.基于直流母线的抽油机井群控系统，其特征在于，该基于直流母线的抽油机井群控系统包括变压器，整流滤波装置和多个逆变终端控制器，该变压器将高压电降低为380V或中高压三相交流电源，该整流滤波装置将该三项交流电源转换为直流电能，该多个逆变终端控制器的多个输入端通过公共直流母线并联连接在该整流滤波装置的输出端，多个输出端分别连接多个抽油机，该多个逆变终端控制器将该直流电能转换为交流电能，为该多个抽油机提供该交流电能，并对该逆变终端控制器的运行情况实时监视、控制。

2.根据权利要求1所述的基于直流母线的抽油机井群控系统，其特征在于，该基于直流母线的抽油机井群控系统还包括高压开关，该高压开关连接于该变压器，控制高压电缆与该变压器之间的电力通断。

3.根据权利要求1所述的基于直流母线的抽油机井群控系统，其特征在于，该基于直流母线的抽油机井群控系统还包括空气开关，该空气开关连接该变压器和该整流滤波装置的输入端，控制该变压器与该整流滤波装置之间的电力通断。

4.根据权利要求1所述的基于直流母线的抽油机井群控系统，其特征在于，该整流滤波装置包括整流器和滤波器，该整流器将该三项交流电源转换为该直流电能，该滤波器将该直流电能滤波。

5.根据权利要求1所述的基于直流母线的抽油机井群控系统，其特征在于，该逆变终端控制器包括电力变换主电路、检测与保护模块和单片机控制模块，该电力变换主电路的输入端与该整流滤波装置的输出端相连接，输出端与该抽油机电机相连接，其将该直流电能转换为该交流电能，为该抽油机电机提供该交流电能，并吸收该公共直流母线上的过电压能量，该检测与保护模块连接于该电力变换主电路的检测端，其对该抽油机的电机的参数进行实时检测，并将检测信号传输给该单片机控制模块，该单片机控制模块接收该检测信号，并根据该检测信号判断该电机的工作状态，以控制该电力变换主电路提供的该交流电能。

6.根据权利要求5所述的基于直流母线的抽油机井群控系统，其特征在于，该电力变换主电路包括直流母线输入滤波电容、充电保护单元、SPWM逆变器和过压吸收保护单元，该直流母线输入滤波电容将该直流电能滤波，该充电保护单元吸收因该直流母线输入滤波电容刚上电时的冲击电流，该SPWM逆变器将该直流电能转换为该交流电能，该过压吸收保护单元吸收该公共直流母线上的过电压能量。

7.根据权利要求5所述的基于直流母线的抽油机井群控系统，其特征在于，该检测与保护模块在该电机出现异常情况下自动发出声光报警。

8.根据权利要求5所述的基于直流母线的抽油机井群控系统，其特征在于，该单片机控制模块应用16位dsPIC30F系列DSP单片机及高频PWM控制方式。

9.根据权利要求5所述的基于直流母线的抽油机井群控系统，其特征在于，该逆变终端控制器还包括驱动模块和不平衡馈能保护处理模块，该驱动模块的输入端连接于该单片机控制模块的输出端，该驱动模块的输出端与该电力变换主电路的控制端相连接，以驱动该电力变换主电路，并强弱电隔离以保护该电力变换主电路，该不平衡馈能保护处理模块连接于该电力变换主电路的检测端以及该驱动模块，吸收该公共直流母线上的过电压能量。

10.根据权利要求9所述的基于直流母线的抽油机井群控系统，其特征在于，该检测与保护模块检测到该公共直流母线上电压过高时，将过电压信号传输给该单片机控制模块，该单片机控制模块将该过电压信号传输给该驱动模块，使该不平衡馈能保护处理模块在该驱动模块的驱动下吸收该公共直流母线上的过电压能量。

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