抽油机混合PWM变频调速节能技术的研究*

曹 雪 付光杰 赵子明 林雨晴 乔永娜

(1.东北石油大学电气信息工程学院；2.国网鹤岗供电公司；3.上海电科船用电气事业部)

抽油机混合PWM变频调速节能技术的研究*

曹 雪1付光杰1赵子明2林雨晴3乔永娜1

(1.东北石油大学电气信息工程学院；2.国网鹤岗供电公司；3.上海电科船用电气事业部)

介绍三电平SVPWM技术和SHEPWM技术的原理，并结合SVPWM和SHEPWM的优点提出了混合PWM变频调速节能技术。在抽油机用三相异步电动机实验平台上进行了实验验证，结果表明：混合PWM变频调速节能技术可有效降低能耗，能在实现电动机平稳启动的同时提高转速的稳态精度。

混合调制技术 抽油机 SVPWM技术 SHEPWM技术 节能

国民经济的增长离不开石化行业的发展[1]，我国作为石油生产大国，现有抽油机的总量超过10万台，每年的耗电总量高达150亿 kW·h。相比于国外30.05%的抽油机平均效率，我国仅为25.96%[2]。现役的游梁式抽油机作为油田生产的耗电大户，其耗电量约占油田生产总用电量的30%～40%[3]。为此，变频技术应运而生，20世纪80年代，变频技术开始被应用于石油驱动钻机[4]，极大地降低了石油开采成本，因此被公认为新一代钻井装备四大新技术之一[5]。

我国大庆油田、胜利油田等多个油田的实际统计结果均表明，变频技术的应用减少了电气能耗，提高了抽油机的工作效率。目前，变频技术正向着更广、更深的方向发展[3]，传统的控制策略急需改善。为此，在传统空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)技术的基础上将它与特定谐波消去脉宽调制(Selected Harmonic Elimination Pulse Width Modulation,SHEPWM)技术相结合，充分利用SVPWM所具有的优势(较高的直流电压利用率、易于实现数字化控制)，同时在中高频引入SHEPWM技术，利用SHEPWM技术消除特定次数的谐波，从而克服SVPWM高频谐波特性较差和SHEPWM在低频时因采用较多开关角度致使存储量较大的缺点。将混合式PWM技术应用于抽油机变频调速控制系统，以达到减少控制系统电气能耗、减少电流脉动[6]、进一步提高转速控制精度和启动平稳度的目的。

1 三电平SVPWM技术

游梁式抽油机多为异步电动机，异步电动机的矢量控制系统中一般采用电压型逆变器，通过脉宽调制信号控制开关管的工作状态，以实现逆变功能并为异步电动机提供驱动电压。在低频段采用SVPWM技术，设低频段范围为0～40Hz。三电平SVPWM的空间矢量图如图1所示，共包括6个大扇区(Ⅰ～Ⅵ)，每个大扇区又细分为6个小扇区，如图2所示。图2为图1中的第Ⅰ扇区，空间矢量合成依据最近三矢量合成原则，当参考矢量位于图2中的第3小扇区时，在一个采样周期Ts中有：

VrefTs=V1T1+V3T3+V4T4

(1)

同时，根据伏秒平衡原理，T1、T3、T4还应满足：

图1 三电平SVPWM的空间矢量图

图2 第Ⅰ扇区空间矢量合成示意图

(2)

由此可以得到各矢量的作用时间为：

(3)

2 三电平SHEPWM技术

SHEPWM技术的核心是选择适当的开关时刻控制逆变器的电压波形，使输出电压中的特定谐波分量被消除[7]。由于线电压中不存在3次及其整数倍的谐波分量，因此SHEPWM消去谐波分量的主要对象是非3的整数倍的谐波分量。单极性SHEPWM生成的相电压波形如图3所示，其中VA为相电压，αk为第k个开关角度。

图3 单极性SHEPWM生成的相电压波形

由图3可知，在半个周期内共有k个脉冲，将相电压展开为傅里叶级数的形式，有：

(4)

(5)

三相三电平NPC逆变器重点消除的谐波次数为5，7，11，…，6i-1[7]。设M为需要消除的最高次谐波次数，则有：

(6)

其中，BM为傅里叶系数，m为选定的基波幅值。对于式(6)这一非线性超越方程组，可以采用牛顿迭代法或智能寻优算法求取开关角度，从而实现三电平逆变器的控制，以消除某些特定的低次谐波，减小畸变率。

3 SVPWM技术与SHEPWM技术的转换

根据抽油机实际工作情况，设定低、中高的切换频率值为40Hz，即调频范围在40Hz以下时选用SVPWM技术，大于40Hz时切换至SHEPWM技术。其中SHEPWM技术的开关点数为7，消除的目标为700Hz以内的低次(5、7、11、13次)谐波。

由于两种技术在相位上存在偏差，导致切换瞬间将产生相位跃变。为此，采用固定角度切换法实现调制方式的转换，角度切换区间为0～36°。SVPWM技术的开关频率是600Hz，对于切换时的参考矢量频率40Hz而言，在一个周期内(即360°空间范围内)参考矢量将被采样15次，这15次中必将有一次在角度切换区内，此时将SVPWM技术切换至SHEPWM技术即可。当从SHEPWM技术切换回SVPWM技术时，判断SHEPWM技术的A相电压是否进入设定角度切换区内，若进入转换区域则进行调制技术方式转换。切换区间的固定使得控制方式的相互切换具有可重复性，因此可以推广到其他工业应用领域。

4 实验验证与分析

为验证SVPWM技术和SHEPWM技术之间可以实现有效切换，在抽油机用三相异步电动机的变频调速系统中具有减少抽油机杆机械冲击、降低电气能耗的作用，并能实现抽油机平稳启动和调速，在额定功率为20kW、额定转速为1 000r/min、额定电压为380V、极对数为3的抽油机用三相异步电动机实验平台上进行变频调速矢量控制系统的实验验证。其控制系统为具有32位高性能ARM Cortex-M4处理器的STM32F4微控制器。

参考矢量频率为40Hz时三电平SVPWM和SHEPWM混合调制作用下的输出线电压VAB以及给定转速为400r/min时抽油机用异步电动机定子A相电流IA的实验波形如图4所示。可以看出，从SVPWM向SHEPWM切换时线电压不存在明显跃变，且转换为SHEPWM后逆变器输出线电压谐波畸变率由27.81%降为23.67%；抽油机用异步电动机相电流虽有扰动但很快恢复平稳，并且调制模式转换后相电流波形更加平滑。

图4 输出线电压与相电流的实验波形

异步电动机转速实验波形如图5所示，可以看出，电动机启动平稳，转速上升时间约1.7s，上升速度较快且超调量小，电动机转速的稳态精度得到了保证。

图5 异步电动机转速实验波形

该技术在大庆油田某厂区抽油机井进行了试运行，结果表明，SVPWM和SHEPWM混合调制技术应用前后抽油机功率因数分别为0.347 6、0.637 3，百米吨液有功耗电量分别为1.87、1.25kW·h/(102m·t)，有功节电率为33.16%，有效降低了电气能耗。

5 结束语

笔者对抽油机变频调速节能技术进行了介绍，在三电平SVPWM和SHEPWM技术的基础上研究了两者的混合调制逆变技术，并将该技术应用于抽油机用异步电动机的驱动系统中。实验结果表明，该技术有助于降低抽油机用异步电动机的百米吨液有功耗电量，提高功率因数，降低输出电压畸变率，同时电动机的平稳启动和转速稳态精度也得到了有力保证。同时，该混合PWM技术也可以广泛应用于其他工业领域的驱动系统中。

[1] 耿向忠.浅谈油田抽油机的节能方式[J].化工机械,2012,39(1):110～112.

[2] 王艳春.一种基于DSP的抽油机智能变频控制系统的设计[J].化工自动化及仪表,2011,38(1):89～92.

[3] 徐向前.游梁式抽油机采油系统矢量控制节能方法研究[D].西安:长安大学,2013.

[4] 杜永军,于嘉骥.抽油机游梁平衡自动调节系统的设计[J].化工机械,2017,44(1):52～53.

[5] 苏宪龙,李山,苗亮亮,等.变频调速在油田抽油机控制系统中的应用[J].现代电子技术,2008,31(11):123～126.

[6] 张永昌,赵争鸣,张颖超,等.三电平变频调速系统SVPWM和SHEPWM混合调制方法的研究[J].中国电机工程学报,2007, 27(16):72～77.

[7] 张志刚,黄守道,胡存刚,等.三电平SHEPWM与SVPWM混合控制策略及其矢量平滑切换方法的研究[J].电工技术学报,2015, 30(14):342～349.

StudyonTechnologiesforPumpingUnitHybridPWMVariableFrequencyControlandEnergyConservation

CAO Xue1, FU Guang-jie1, ZHAO Zi-ming2, LIN Yu-qing3,QIAO Yong-na1

(1.CollegeofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity;2.StateGridHegangElectricPowerSupplyCompany; 3.ShanghaiSEARIMarineElectricalDivision)

The tri-level SVPWM and SHEPWM modulation technologies were introduced and considering their advantages, a hybrid PWM frequency control technology was proposed and verified on a test platform for three-phase asynchronous motor. The results show that, the hybrid PWM frequency control technology can reduce energy consumption effectively and enable motor start smoothly and enhance speed’s steady accuracy simultaneously.

hybrid modulation technology, pumping unit, SVPWM technology, SHEPWM technology, energy conservation

国家自然科学基金项目(51474069)。

曹雪(1984-)，讲师，从事电力电子与电力传动的研究。

联系人付光杰(1962-)，教授，从事电力传动自动化系统和电力电子器件应用与控制技术的研究，fgjmhw@163.com。

TH865；TE933

B

1000-3932(2017)10-0921-04

2017-06-07，

2017-09-04)