基於直流母線的抽油機井群控系統的製作方法
2023-08-03 21:31:06
專利名稱：基於直流母線的抽油機井群控系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及抽油機井群控系統，特別是涉及到一種基於直流母線的抽油機井群控系統。
背景技術：
目前國內有關抽油機及驅動電機的各種檢測與控制方式多種多樣，比如，以改善工藝、提高採收率為目的而為抽油機配備的逆變調速器、示功圖測試分析儀、滑差電機、變極調速；針對抽油機由於長期處於「大馬拉小車」狀態所致的功效低、功率因數低的問題，為了節能降耗而採用的節能控制電機、降壓節能和Λ/Υ接法控制，以及對抽油機通過間歇式控制來實現節能的所謂超級節能器等等。國外圍繞抽油機的控制主要採用比較完善的逆變調速裝置和與之配套的示功圖測試分析儀等，通過逆變調速器及多功能控制系統，既可以較好地滿足採油工藝的要求，又能達到有效的節能目的。在國內各油田採用的逆變控制櫃在以下幾方面有技術和性能上的差異和影響首先，作為交一直一交逆變結構，其交一直·整流及濾波環節的電路結構不同，對於網側功率因數的大小及對電網的諧波汙染程度有直接的影響。其次，對於逆變環節的SPWM控制及調壓控制的算法不同，直接影響著實現抽油機「大馬拉小車」狀態下的降壓節能效果。再次，逆變控制櫃對抽油機的不平衡饋能通常有兩種不同的處理方式和配置組態一是在直流側接入剎車電阻耗能，電路簡單易行；二是交一直整流及濾波環節採用PWM可逆整流器將電機倒發電能量饋入電網，使不平衡饋能得以回收，避免能量的浪費。後者技術難度較大，成本也較高。此外，由於所採用的技術手段不同，控制櫃成本也各不相同，不過總體看來，逆變控制櫃價格偏高，各採油廠難以接受，這也是逆變控制櫃目前難以大面積廣泛應用的主要原因。為此我們發明了一種新的基於直流母線的抽油機井群控系統，解決了以上技術問題。
發明內容本實用新型的目的是提供一種節能效率高，可防止直流母線電壓的大幅度波動和過壓，並且能夠實現較遠距離「一拖多」油井的不升壓輸電的基於直流母線的抽油機井群控系統。本實用新型的目的可通過如下技術措施來實現基於直流母線的抽油機井群控系統，該基於直流母線的抽油機井群控系統包括變壓器，整流濾波裝置和多個逆變終端控制器，該變壓器將高壓電降低為380V或中高壓三相交流電源，該整流濾波裝置將該三項交流電源轉換為直流電能，該多個逆變終端控制器的多個輸入端通過公共直流母線並聯連接在該整流濾波裝置的輸出端，多個輸出端分別連接多個抽油機，該多個逆變終端控制器將該直流電能轉換為交流電能，為該多個抽油機提供該交流電能，並對該逆變終端控制器的運行情況實時監視、控制。本實用新型的目的還可通過如下技術措施來實現該基於直流母線的抽油機井群控系統還包括高壓開關，該高壓開關連接於該變壓器，控制高壓電纜與該變壓器之間的電力通斷。該基於直流母線的抽油機井群控系統還包括空氣開關，該空氣開關連接該變壓器和該整流濾波裝置的輸入端，控制該變壓器與該整流濾波裝置之間的電力通斷。該整流濾波裝置包括整流器和濾波器，該整流器將該三項交流電源轉換為該直流電能，該濾波器將該直流電能濾波。該逆變終端控制器包括電力變換主電路、檢測與保護模塊和單片機控制模塊，該電力變換主電路的輸入端與該整流濾波裝置的輸出端相連接，輸出端與該抽油機電機相連接，其將該直流電能轉換為該交流電能，為該抽油機電機提供該交流電能，並吸收該公共直流母線上的過電壓能量，該檢測與保護模塊連接於該電力變換主電路的檢測端，其對該抽油機的電機的參數進行實時檢測，並將檢測信號傳輸給該單片機控制模塊，該單片機控制模塊接收該檢測信號，並根據該檢測信號判斷該電機的工作狀態，以控制該電力變換主電路提供的該交流電能。 該電力變換主電路包括直流母線輸入濾波電容、充電保護單元、SPWM逆變器和過壓吸收保護單元，該直流母線輸入濾波電容將該直流電能濾波，該充電保護單元吸收因該直流母線輸入濾波電容剛上電時的衝擊電流，該SPWM逆變器將該直流電能轉換為該交流電能，該過壓吸收保護單元吸收該公共直流母線上的過電壓能量。該檢測與保護模塊在該電機出現異常情況下自動發出聲光報警。該單片機控制模塊應用16位dsPIC30F系列DSP單片機及高頻PWM控制方式。該逆變終端控制器還包括驅動模塊和不平衡饋能保護處理模塊，該驅動模塊的輸入端連接於該單片機控制模塊的輸出端，該驅動模塊的輸出端與該電力變換主電路的控制端相連接，以驅動該電力變換主電路，並強弱電隔離以保護該電力變換主電路，該不平衡饋能保護處理模塊連接於該電力變換主電路的檢測端以及該驅動模塊，吸收該公共直流母線上的過電壓能量。該檢測與保護模塊檢測到該公共直流母線上電壓過高時，將過電壓信號傳輸給該單片機控制模塊，該單片機控制模塊將該過電壓信號傳輸給該驅動模塊，使該不平衡饋能保護處理模塊在該驅動模塊的驅動下吸收該公共直流母線上的過電壓能量。當該不平衡饋能保護處理模塊吸收該公共直流母線上的過電壓能量時，該單片機控制模塊和該檢測與保護模塊進行LED指示。該逆變終端控制器還包括運行狀態監視模塊，該運行狀態監視模塊連接於該單片機控制模塊，並對該逆變終端控制器的運行情況進行實時監視、控制。該運行狀態監視模塊包括LED顯示窗口、控制鍵盤和運行狀態監視燈，通過該LED顯示窗口對該逆變終端控制器的工作狀態和運行工況進行監視，通過該控制鍵盤選擇和設定該逆變終端控制器的運行方式，該運行狀態監視燈顯示各種運行狀態。該LED顯示窗口還存儲該逆變終端控制器的故障信息。該控制鍵盤包括逆變終端啟動、停止、復位、正反轉、程序設置、數據設置、上下頻率調節和調頻。本實用新型中的基於直流母線的抽油機井群控系統，與現有技術相比較，具有以下優點1.採用集中整流、平波電抗加直流濾波，由直流母線供電，變壓器容量既有利於降低網側電流諧波汙染及提高功率因數，又可以大幅度降低系統造價；[0021]2.直流母線上各並聯控制終端之間對負荷變化的能量互饋補償，使各抽油機的饋能得以充分共享和循環利用，提高系統節能效率；3.結合抽油機載荷的周期性急劇變化特點，使用專用節能控制算法。通過檢測抽油機的當前負載狀況和上、下衝程位置，經過智能化統計分析判斷，實現對上、下衝程頻率的優化調節；4.防止直流母線電壓的大幅度波動和過壓；5.採用共直流母線供電能夠實現較遠距離「一拖多」油井的不升壓輸電，直流電傳輸距離更長，無線損，且避免了偷盜電的情況發生；6.各控制櫃終端的軟體開發，實現井口數據採集及遠傳通訊和逆變控制保護功能 的有機結合，高度集成化為一體，由一套高性能單片機硬、軟體系統統一完成，既可靠穩定又降低成本。
圖I為本實用新型實施例的結構示意圖；圖2為圖I中的逆變終端控制器的結構示意圖；圖3為圖2中的運行狀態監視模塊的運行狀態監視面板的示意圖。
具體實施方式
為使本實用新型的上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。如圖I所示，圖I為本實用新型的基於直流母線的抽油機井群控系統的結構圖。該基於直流母線的抽油機井群控系統由包括高壓開關I、變壓器2、空氣開關3、整流濾波裝置4和逆變終端控制器5。所述高壓開關I順次連接變壓器2及空氣開關3後與整流濾波裝置4的輸入端相連接，整流濾波裝置4的輸出端與逆變終端控制器5的輸入端相連接，逆變終端控制器5的輸出端與抽油機6相連接。逆變終端控制器5及與其相連接的抽油機6至少設為2套，各逆變終端控制器5的輸入端並聯連接在整流濾波裝置4的輸出端。高壓開關I是額定電壓3kV及以上主要用於開斷和關合導電迴路的電器，用於高壓電纜與變壓器2之間的電力通斷。變壓器2是一種利用電磁互感應，降低電壓的器件，用於將高壓電降低為380V或中高壓三相交流電源。在一實施例中，根據原單臺抽油機配單臺普通型變壓器的容量a · KVA，按照抽油機井群控的要求，選用η臺抽油機對應變壓器的容量總和n*a · KVA的五分之一容量作為群控η臺抽油機的變壓器容量，即O. 2*n*a · KVA。空氣開關3集控制和多種保護功能於一身，除了能完成接觸和分斷電路外，尚能對電路或電氣設備發生的短路，嚴重過載及欠電壓等進行保護，用於變壓器2與整流濾波裝置4之間的電力通斷。整流濾波裝置4包括整流器和濾波器，該整流器將該三項交流電源轉換為該直流電能，該濾波器將該直流電能濾波。整流濾波裝置4通過公共直流母線為多口油井逆變終端控制器5供電，當各抽油機電機分時進入倒發電狀態時，使反饋到直流側的能量為同一母線上的其他逆變終端所共享，整流濾波裝置4將交流電能轉換為直流電能，同一電網側整流器和濾波器通過公共直流母線為多口油井電控終端供電，採用共直流母線供電能夠實現較遠距離「一拖多」油井的不升壓輸電，直流電傳輸距離更長，無線損，且避免了偷盜電的情況發生。如圖2所示，圖2為圖I中的逆變終端控制器的一具體實施例的結構圖。逆變終端控制器主要是將該直流電能轉換為交流電能，抽油機提供該交流電能，並對該逆變終端控制器的運行情況實時監視、控制。逆變終端控制器5包括電力變換主電路21、檢測與保護模塊22、單片機控制模塊23、驅動模塊24、不平衡饋能保護處理模塊25和運行狀態監視模塊26五部分。電力變換主電路21的輸入端與整流濾波裝置4的輸出端相連接，電力變換主電路21的輸出端與抽油機6相連接，用於將直流電能轉換為交流電能，並吸收直流側過電壓能量，電力變換主電路21部分採用第四代新型全控電力電子器件IGBT等快速模塊 組成。電力變換主電路21主要由三個部分組成一是直流母線輸入濾波電容及充電保護單元，群控系統的整流濾波裝置4使三相輸入電流相對於輸入電壓基本沒有相位滯後，網側功率因數較高，為SPWM逆變器提供直流電壓母線，該直流母線輸入濾波電容將該直流電能濾波，充電保護單元吸收因電容剛上電時的衝擊電流，保護電容及整流器，採用的是雙極性的SPWM控制三相橋式逆變電路，可以大大減少輸出電壓中所含諧波成份，使輸出電流接近正弦波，而對輸入網側迴路的功率因數沒有影響，當不平衡饋能保護處理模塊中電能未及時用完時，該過壓吸收保護單元吸收該公共直流母線上的過電壓能量。二是SPWM逆變器，採用的是雙極性PWM控制三相橋式逆變電路，可以大大減少輸出電壓中所含諧波成份，使輸出電流接近正弦波，而對輸入網側迴路的功率因數沒有影響。三是過壓吸收保護單元，防止直流母線饋能比較集中時電壓過高，過壓吸收保護單元通過大功率IGBT功率模塊來實現開關控制，該通斷控制邏輯信號的形成，是通過檢測與保護模塊22的邏輯判斷與單片機控制模塊23的特定控制算法來綜合完成的，主要作用是吸收直流側過電壓能量，防止由於不平衡饋能造成的過壓威脅，在過壓吸收保護單元投入工作期間，單片機控制模塊23和檢測與保護模塊22都會給出相應的LED指示，當不平衡饋能保護處理模塊不能將過電壓能量完全利用時，電壓升高，這時過壓吸收保護單元就會導通，吸收過壓。檢測與保護模塊22連接於電力變換主電路21的檢測端，並對抽油機電機的電壓、電流、功率因數和功率等參數進行實時檢測，除實現對本裝置的保護之外，還可以完成對抽油機電機運行狀態的監測，在電機出現過壓、過流、過載、缺相等異常情況下自動發出聲光報警。單片機控制模塊23連接於檢測與保護模塊22，應用了 16位dsPIC30F系列DSP單片機及高頻PWM控制方式，完成電機節能運行的尋優控制算法，對抽油機及驅動電機的工作狀態進行自動控制，使得抽油機電機始終運行於功率因數和效率最佳的工作狀態。單片機控制模塊23作為整個系統的智能化控制核心，連續不斷地通過檢測與保護模塊22，對抽油機電機的電壓、電流、功率因數和功率等參數進行實時檢測，進而對電機的工作狀態進行綜合判斷，並通過電力變換主電路21，運用獨特的SWM控制方法，實現對電機的平滑逆變運行和節能控制。驅動模塊24的輸入端連接於單片機控制模塊23的輸出端，驅動模塊24的的輸出端與電力變換主電路21的控制端相連接，主要採用專用集成驅動晶片KA962來實現對大功率器件IGBT的驅動與強弱電隔離及保護。當直流母線饋能集中，導致母線電壓過高時，通過驅動模塊24控制不平衡饋能保護處理模塊25，對抽油機的不平衡再生能量進行及時處理。不平衡饋能保護處理模塊25連接於電力變換主電路21的檢測端以及驅動模塊24。抽油機不平衡饋能保護處理部分的設計，針對電機倒發電饋能問題，將不平衡饋能保護處理模塊25和電力變換主電路21協同聯接，通過單片機控制模塊23、檢測與保護模塊22的配合，完成不平衡饋能保護處理模塊25與抽油機電機之間的檢測反饋、切換和協調控制，並通過閉環系統的自動調節達到功率的跟蹤平衡效果。運行狀態監視模塊26連接於單片機控制模塊23，並對逆變終端控制器5的運行情況進行實時監視、控制。運行狀態監視模塊26包括LED顯示窗口、控制鍵盤和運行狀態監視燈。通過LED顯示窗口隨時對系統的工作狀態和運行工況進行監視，保證控制系統能夠及時地在故障時刻進行處理，同時也能夠及時地將系統中的故障信息進行存儲，以便用戶去查尋故障原因。通過控制鍵盤可以選擇和設定兩種運行方式，例如，方式I是普通開環變頻運行；方式2是抽油機上、下衝程頻率自動切換運行。在一實施例中，控制鍵盤可以進 行逆變終端啟動、停止、復位、正反轉、程序設置、數據設置、進行上下頻率調節(即進行數字加減)和調頻。運行狀態監視燈包括運行狀態指示燈、停止狀態指示燈、故障狀態指示燈、正轉指示燈和反轉指示燈，以顯示各種運行狀態。如圖3所示，圖3為運行狀態監視模塊26的運行狀態監視面板的示意圖。運行狀態監視面板包括調頻旋鈕I、數字+2、程序鍵3、數字_4、數據鍵5、正轉/反轉6、運行7、停止/復位8、運行指示燈9、停止指示燈10、故障指示燈U、正轉指示燈12、反轉指示燈13和LED顯示14。逆變終端控制器5將直流電能轉換為交流電能，上電起動時對系統進行自診斷，滿足起動條件方可起動運行。抽油機電機採用逆變軟起動運行，既增大了起動轉矩又減小了起動電流，通過獨特的SPWM波形發生器和相應的控制算法，產生SPWM控制信號，實現逆變控制。隨時根據檢測與保護模塊22提供的抽油機的電壓、電流等參數，按照一定的數字算法，實時計算當前電機的運行功率，根據其負載率的大小，改變SPWM控制開關信號的調製規律，從而實現對抽油機電機負載急劇變化的動態跟蹤和節能控制。隨時對系統的工作狀態和運行工況進行監視，保證控制系統能夠及時地在故障時刻進行處理，同時也能夠及時地將系統中的故障信息進行存儲，以便用戶去查尋故障原因，根據檢測與保護模塊22所提供的倒發電狀態檢測信息，做出邏輯分析判斷，一方面將抽油機的不平衡饋能自動饋入直流母線，為多臺油井終端共享，另一方面，當直流母線饋能集中，導致母線電壓過高時，通過驅動模塊24控制不平衡饋能保護處理模塊25，對抽油機的不平衡再生能量進行及時處理。
權利要求1.基於直流母線的抽油機井群控系統，其特徵在於，該基於直流母線的抽油機井群控系統包括變壓器，整流濾波裝置和多個逆變終端控制器，該變壓器將高壓電降低為380V或中高壓三相交流電源，該整流濾波裝置將該三項交流電源轉換為直流電能，該多個逆變終端控制器的多個輸入端通過公共直流母線並聯連接在該整流濾波裝置的輸出端，多個輸出端分別連接多個抽油機，該多個逆變終端控制器將該直流電能轉換為交流電能，為該多個抽油機提供該交流電能，並對該逆變終端控制器的運行情況實時監視、控制。
2.根據權利要求I所述的基於直流母線的抽油機井群控系統，其特徵在於，該基於直流母線的抽油機井群控系統還包括高壓開關，該高壓開關連接於該變壓器，控制高壓電纜與該變壓器之間的電力通斷。
3.根據權利要求I所述的基於直流母線的抽油機井群控系統，其特徵在於，該基於直流母線的抽油機井群控系統還包括空氣開關，該空氣開關連接該變壓器和該整流濾波裝置的輸入端，控制該變壓器與該整流濾波裝置之間的電力通斷。
4.根據權利要求I所述的基於直流母線的抽油機井群控系統，其特徵在於，該整流濾波裝置包括整流器和濾波器，該整流器將該三項交流電源轉換為該直流電能，該濾波器將該直流電能濾波。
5.根據權利要求I所述的基於直流母線的抽油機井群控系統，其特徵在於，該逆變終端控制器包括電力變換主電路、檢測與保護模塊和單片機控制模塊，該電力變換主電路的輸入端與該整流濾波裝置的輸出端相連接，輸出端與該抽油機電機相連接，其將該直流電能轉換為該交流電能，為該抽油機電機提供該交流電能，並吸收該公共直流母線上的過電壓能量，該檢測與保護模塊連接於該電力變換主電路的檢測端，其對該抽油機的電機的參數進行實時檢測，並將檢測信號傳輸給該單片機控制模塊，該單片機控制模塊接收該檢測信號，並根據該檢測信號判斷該電機的工作狀態，以控制該電力變換主電路提供的該交流電能。
6.根據權利要求5所述的基於直流母線的抽油機井群控系統，其特徵在於，該電力變換主電路包括直流母線輸入濾波電容、充電保護單元、SPWM逆變器和過壓吸收保護單元，該直流母線輸入濾波電容將該直流電能濾波，該充電保護單元吸收因該直流母線輸入濾波電容剛上電時的衝擊電流，該SPWM逆變器將該直流電能轉換為該交流電能，該過壓吸收保護單元吸收該公共直流母線上的過電壓能量。
7.根據權利要求5所述的基於直流母線的抽油機井群控系統，其特徵在於，該檢測與保護模塊在該電機出現異常情況下自動發出聲光報警。
8.根據權利要求5所述的基於直流母線的抽油機井群控系統，其特徵在於，該單片機控制模塊應用16位dsPIC30F系列DSP單片機及高頻PWM控制方式。
9.根據權利要求5所述的基於直流母線的抽油機井群控系統，其特徵在於，該逆變終端控制器還包括驅動模塊和不平衡饋能保護處理模塊，該驅動模塊的輸入端連接於該單片機控制模塊的輸出端，該驅動模塊的輸出端與該電力變換主電路的控制端相連接，以驅動該電力變換主電路，並強弱電隔離以保護該電力變換主電路，該不平衡饋能保護處理模塊連接於該電力變換主電路的檢測端以及該驅動模塊，吸收該公共直流母線上的過電壓能量。
10.根據權利要求9所述的基於直流母線的抽油機井群控系統，其特徵在於，該檢測與保護模塊檢測到該公共直流母線上電壓過高時，將過電壓信號傳輸給該單片機控制模塊，該單片機 控制模塊將該過電壓信號傳輸給該驅動模塊，使該不平衡饋能保護處理模塊在該驅動模塊的驅動下吸收該公共直流母線上的過電壓能量。
專利摘要本實用新型提供一種基於直流母線的抽油機井群控系統，該基於直流母線的抽油機井群控系統包括變壓器，整流濾波裝置和多個逆變終端控制器，變壓器將高壓電降低為380V或中高壓三相交流電源，整流濾波裝置將該三項交流電源轉換為直流電能，多個逆變終端控制器將該直流電能轉換為交流電能，為多個抽油機提供該交流電能，並對該逆變終端控制器的運行情況實時監視、控制。該基於直流母線的抽油機井群控系統解決了現有設備功效差、成本高等問題，具有節能效率高，造價低，可防止直流母線電壓的大幅度波動和過壓，並且能夠實現較遠距離「一拖多」油井的不升壓輸電的優點。
文檔編號H02H9/04GK202679286SQ20122022250
公開日2013年1月16日 申請日期2012年5月17日 優先權日2012年5月17日
發明者薛勝東, 張加勝, 秦延才, 劉向軍, 劉鵬, 田承村, 王興俊, 張玲, 王濤 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司河口採油廠