抽油机滤波与能量回馈一体化技术研究与应用.pdf

技术纵横杜红勇等：抽油机滤波与能量回馈一体化技术研究与应用 油气田地面工程 http:/ 抽油机滤波与能量回馈一体化技术研究与应用 杜红勇 1 时振堂 1 王德涛 2 刘维功 1 摘要：随着油田电力电子设备的大量推广应用，非线性设备越来越多，造成油田低压供配电系 统谐波污染日益严重。目前，解决抽油机“倒发电”能量回馈利用主要是通过使用具有能量回 馈功能的变频器或采用共交流/直流母线群控技术，但变频器的使用又增加了谐波的污染。如何 同时实现抽油机“倒发电”能量回馈利用并消除谐波污染是油田急需解决的问题。通过试验研 究，开发了一种既能滤除谐波又能实现“倒发电”能量回馈利用的一体化装置，有效地解决了 谐波污染和“倒发电”能量再利用的问题。油田现场应用表明，滤波能馈一体化装置投用后线 路电流总畸变率从 107.9%降到了 10.3%，谐波滤除率达 90.5%，功率因数由 0.69 提升到了 0.99， 谐波治理效果非常明显。该技术为油田配电网的谐波治理和节能降耗工作提供了一种新的解决 方案，具有较好的推广应用价值。 关键词：谐波；能量回馈；抽油机；倒发电 Doi:10.3969/j.issn.1006-6896.2017.3.025 Research and Application on Integrated Technology of Harmonic and Energy Feedback in Pumping Units Du Hongyong，Shi Zhentang，Wang Detao，Liu Weigong Abstract： With the popularization and application of power and electronic equipments in the oil- field， more and more nonlinear equipments are used， so harmonic pollution in low-voltage power supply system is more and more seriousAt present，to solve energy feedback utilization of pumping unit inverted power， the transducer with energy feedback function or the total AC/DC bus group control technology are mainly used However， using the transducer adds more harmonic pollution， and it is urgent to solve the problem that how to realize energy feedback of pumping unit inverted power and eliminate harmonic pollution at the same timeThrough the study and test， an integrated device that can filter harmonic and realize energy feedback of inverted power is developed，which ef- fectively solves harmonic pollution and the reuse of energy of inverted powerField application in the oilfield indicates that after using the device，the current total harmonic distortion rate falls from 107.9% to 10.3% ， harmonic filtering rate reaches 90.5% and the power factor increases from 0.69 to 0.99， which shows a very obvious effect of harmonic treatmentThe technology provides a new solution to harmonic control，energy saving and consumption reducing in oil-field power distribution network， and has good promotion and application value Key words：harmonic；energy feedback；pumping unit；inverted power 随着油田电力电子设备 （如变频器） 的大量推 广应用，非线性设备越来越多，造成低压供配电系 统谐波污染日益严重。谐波不仅会降低供用电设备 本身的安全性，干扰电网的经济运行，严重时还会 造成电力设备烧毁，电缆及绝缘子击穿，自控系统 误动和无功补偿装置无法正常运行等问题及其他潜 在的安全隐患 1-3。另外，游梁式抽油机特殊的负荷 特性带来的“倒发电”现象，不仅造成电能损失， 还会影响电网侧的功率因数。目前，解决抽油机 “倒发电”能量回馈利用主要是通过使用具有能量 回馈功能的变频器或采用共交流/直流母线群控技 术，将“倒发电”能量回馈电网或多台抽油机井之 间互相吸收利用 4，但由于增加了变频器及其他电 力电子设备，又带来了新的谐波污染问题。因此， 1中国石化抚顺石油化工研究院2山东山大华天科技 90 万方数据 第 36卷第 3期 （2017.03）技术纵横 油气田地面工程 http:/ 如何同时治理谐波污染又能将能量回馈利用，达到 谐波治理与节能降耗一体化应用，是油田急需解决 的问题。而滤波与能馈一体化应用技术，可有效解 决抽油机变频器谐波污染和“倒发电”能量再利用 的问题。 1滤波与能馈一体化技术 1.1工作原理 滤波与能馈一体化装置在抽油机直流母线控制 系统中的工作原理见图 1。该系统中，滤波能馈装 置并联到抽油机井的整流和变频线路，整个系统主 要由整流、滤波回馈和抽油机变频三部分组成。整 流部分由输入断路器、输入采样电流互感器、输入 电抗器、整流桥和缓冲装置组成；回馈滤波部分由 回馈断路器、滤波能馈装置、熔丝和回馈二极管 组成。 图 1抽油机滤波能馈装置工作原理 滤波与能馈一体化装置通过熔断器与变频器的 直流侧相连或者通过电抗器直接与变频器交流侧相 连。通过实时监测变频器直流母线电压和变频器的 进线电流，判断抽油机运行状态。当抽油机从电网 获取能量时，抽油机变频器直流侧电压值低于滤波 能馈装置直流侧电压值，此时滤波能馈装置处于抑 制谐波、动态无功补偿及三相功率平衡运行状态， 对变频器设备工作时产生的频率和幅值都变化的谐 波以及无功功率进行动态补偿，消除不控整流引起 的谐波，改善电网质量。当抽油机回馈能量导致变 频器设备的直流侧电压升高时，滤波能馈装置自动 转入并网发电状态，维持变频器的直流母线电压至 设定值，将抽油机“倒发电”能量回馈到电网侧， 达到能量回馈的目的。 1.2主要功能 抽油机滤波与能馈一体化装置具备滤波、能量 回馈和电能质量综合治理等功能。 （1） 谐波滤除。装置由指令电流运算电路和补 偿电流发生电路两个部分组成。指令电流运算电路 实时监视线路中的电流，并将模拟电流信号转换为 数字信号，送入高速数字信号处理器 （DSP） 对信 号进行处理，将谐波与基波分离；并以脉宽调制 （PWM） 信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉 冲，驱动 IGBT 功率模块，生成与谐波电流幅值相 等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进 行补偿或抵消，主动消除电力谐波，实现对谐波的 动态、快速治理。 （2） 能量回馈。装置采用 IGBT模块 PWM 逆变 的方式，将电动机反转时的“倒发电”能量回馈到 电网侧，回馈的电流波形为正弦波，对电网无污 染。回馈的起始电压可根据实际需要设定。 （3） 电能质量综合治理。滤波与能馈一体化装 置直流母线阀值可以根据实际工作状态设定，当变 频器逆变装置直流母线电压超过该值时，装置向电 网回馈能量以保持母线电压维持恒定，且回馈电流 畸变率不超过 3%；当变频器逆变装置直流母线电 压低于该值时，装置检测负载电流并滤除其中的谐 波电流，且谐波电流滤除率不低于 90%。装置可设 定变频器逆变装置直流母线电压上下调节的循环次 数、幅值及软起和持续时间。 该装置既可一口抽油机井单独使用，又可多口 抽油机井共同使用，当多口抽油机井共同使用时负 载率高，其滤波和能馈的优势更加明显，效益 更优。 2现场应用 以某采油厂 3 口抽油机井进行试验，3 口油井 各用一台变频器，共用直流母线，由一台整流装置 供电。根据抽油机变频器功率，选用 40 kW 的滤波 能馈装置。滤波能馈装置投用前线路电流波形见图 2，投用后线路电流波形见图 3，装置投用前后电 流、电压谐波对比数据见表 1与表 2。 由上述图表可知，滤波能馈装置投用后线路电 压 畸 变 率 从 2.6% 降 至 2.1% ， 电 流 总 畸 变 率 从 107.9%降至 10.3%，谐波滤除率达 90.5%，功率因 数由 0.69提升至 0.99。谐波治理效果非常明显，很 91 万方数据 技术纵横杜红勇等：抽油机滤波与能量回馈一体化技术研究与应用 油气田地面工程 http:/ 好地抑制了变频器产生的各次谐波，基本消除了谐 波对电网的影响。由于现场抽油机直流母线电压未 达到滤波能馈装置的回馈阀值，回馈功率少，此次 未做统计。 图 2滤波能馈装置投用前电流波形 图 3滤波能馈装置投用后电流波形 表 1电流谐波对比 电流谐波 畸变率/ 有效值/A 阶段 投用前 投用后 投用前 投用后 总谐波 107.9 10.3 24.8 2.4 谐波次数 5次 71.8 9.9 16.5 2.3 7次 60.5 9.3 13.9 2.1 11次 26.4 3.1 6.1 0.7 表 2电压谐波对比 电压谐波 畸变率/% 功率因数 投用前 2.6 0.69 投用后 2.1 0.99 3结语 随着变频器等电力电子设备的广泛应用，油田 配电网谐波问题日渐严重，谐波治理已迫在眉睫。 目前油田滤波技术的选取不仅需要考虑滤波效果， 还要综合考虑设备的性价比及后期维护成本等因 素，因此，现有的通用型有源滤波装置难以在油田 采油系统中推广应用。滤波与能馈一体化装置专门 针对油田抽油机谐波治理与“倒发电”能量回馈利 用开发，现场应用效果好、适应性强、综合效益 高，为油田配电网谐波治理和节能降耗提供了一种 新的解决方案。该技术不仅满足建设绿色低碳、可 持续发展油田的需要，同时在其他行业也具有较好 的参考价值。 参考文献 1 刘巍，陈瑞宝，韦涛油田电网谐波的危害与抑制J 资源节约与环保，2012 （5） ：46-54 2 王军油田配电系统谐波抑制技术应用与展望J科技 导报，2012，30 （28） ：108-111 3 胡月提高油井低压供电系统电能质量的探讨J 石油 石化节能，2015，5 （7） ：31-34 4 焦裕玺，卢正通，肖志勇，等基于共直流母线的多油 井变频群控系统节能分析J石油石化节能，2015，5 （3） ：6-8 作者简介 杜红勇：高级工程师，2005 年毕业于西南石油大学机械工 程 学 院 ， 从 事 电 力 系 统 节 能 及 自 动 化 技 术 研 究 工 作 ， 18678692092，，辽宁省抚顺市望花区丹东 路 31号抚顺石油化工研究院，113001。 收稿日期2016-02-14 （栏目编辑陆倩） （上接第 84页） 参考文献 1 中华人民共和国建设部生活垃圾卫生填埋场防渗系统 工程技术规范：CJJ 113S北京：中国建筑工业出版