中低压变频在石油开采中的应用研究

季秀远，张怀忠

（渤海装备中成机械制造公司，天津 300280）

1 概述

目前，潜油电泵工艺作为石油开采中比较重要的机械采油举升技术，是油田长期稳产的主要手段，其泵挂通常在1000～3000m。在生产中受到高温、腐蚀、含砂、气锁和地层能量低等恶劣井况条件下的影响，加上地面供电系统不稳定会造成电泵运行寿命短、泵效低、生产时效低，运用变频技术对潜油电泵控制系统进行改进，提高其生产效率，目前，潜油电泵变频主要有中压变频控制和高低高变频控制方式，该两种控制方式在控制原理、谐波输出、输出力矩、输出电压稳定、系统效率方面存在差别。

2 高低高和中压变频方案原理对比

2.1 高低高变频控制柜

系统两端各设置1 台变压器，中间用1 台(或几台并联)低压变频器，前端的降压变压器将输入的高压交流电变成低压交流电送到变频器的输入端，变频器输出的低压交流电经后端的升压变压器再升为高压后供潜油电泵机组使用，这种方案虽然可以进行变频调速，但需使用两台变压器，造成系统损耗大占地多投资高，并且产生大量高次谐波的明显缺陷，因此，开发适用于中高压潜油电泵的变频调速装置势在必行。

图1 高低高变频控制原理图

2.2 中压变频控制系统应用（井场电网电压380V）

系统电网电压直接与一台升压变压器相连，将380V 变成潜油电泵机组使用的电压等级供中压变频柜使用，通过中压变频柜直接控制潜油电机。

中压变频柜的结构设计相当于一个放大化的变频器，其采用“交－直－交”的主电路结构设计，三相交流电由整流器整流为直流电，经中间直流环节的电容器滤波后由逆变器逆变为电压、频率可调的三相交流电，经滤波后供电机调速用。在逆变部分采用三电平式拓扑结构，是目前技术较为成熟的潜油电泵中压变频调速技术，所以采用这种方式，可以使电力电子器件的耐压要求降低一半，变频器采用高压IGBT 晶闸管，可以直接实现高压输出。

图2 中压变频控制原理图

3 中压变频器和高低高方式比较主要有几方面的优势

3.1 输出谐波小

对应于功率开关器件的导通瞬间将会产生谐波电流，当开关器件以很高的频率通断时，将会产生脉冲电流，电机绕组绝缘将反复承受峰值很高的脉冲电流，如此长期下去，将会加剧绝缘老化过程。输出谐波对电机的影响主要有引起电机附加发热，导致电机的额外温升升高，由于输出波形失真，增加了电机的重复峰值电压，影响电机和电缆绝缘，谐波还会引起电机转矩脉动，使噪音增加。谐波电流流过电机定、转子绕组时产生的附加损耗，该损耗将导致电机温升增加.同时将使得电机效率下降。因为变频器都是采用PWM 输出，PWM 输出会产生电压谐波，中压变频器一般都采用多电平方式（主要有三电平和五电平两种），而低压变频器一般都采用两电平方式，多电平方式的输出电压谐波比两电平小很多，不仅提高了波形质量，而且减小了开关损耗。电压谐波对电机和电缆都有危害，特别在长电缆情况下，电压谐波对他们危害与谐波大小的平方成正比，所以电压谐波小对电缆和电机有很大的好处。高低高方案中的低压变频器均为电压源型，本身输出波形就不是很理想，高次谐波经由升压变压器放大后对（老）电机发热、噪声等都会带来不利的影响，缩短电机的使用寿命。

从测试试验数据来看，中压变频控制柜无论在输入侧电压谐波、输入侧电流谐波、输出侧电压谐波以及输出侧电流谐波都要略优于低低压变频控制柜，因此能有效地确保机组的稳定运行。

表1 中低压变频控制柜谐波测试数据对比

3.2 中低压变频输出力矩比较

因为三相异步电机的特性，如果要保持低速输出力矩不变，必须保持磁通不变，或者说保持电机上的V/F（电压/频率）不变，所以变频器的输出方式是VVVF（变频变压），但是电缆和电机都有一定的线电阻，所以有一定的压降，为了保持电机低速是有较大的力矩输出必须采用低频电压提升的办法。因为高低高方式输出是通过变压器，变压器是无法在低频下提升电压（如果强力提升低频电压，变压器会磁饱和，发热很厉害会很快烧坏，而且强力提升的电压也非常有限）。所以高低高方式在低频时的输出力矩很小，在长电缆情况下，为了解决电机的启动问题采用高频直接启动（如30Hz 启动），变频器的软启动性能就完全不能实现了，对机组肯定有危害，而且因为变频器的过载能力的限制（变频器的过载能力一般是150%，电机高频启动的电流可达600%～700%），采用高频直接启动的启动力矩都小于50%的额定力矩。可是直接中压变频器完全可以做到150%以上的启动力矩，而且是软启动，优势非常明显。

3.3 输出电压稳定

变频器一般都有输出电压自动稳压功能，高低高变频器的输出是通过变压器，升压变压器必须能够承受变频器频率输出范围的大幅变动，变压器有输出阻抗，输出电压会随负载变化，输出电压不稳，对机组有危害。中压变频器是直接输出，电压输出稳定对机组有益。

3.4 变频控制柜现场维护对比

（1）低压变频控制柜。低压变频控制柜采用的整体变频器，变频器通过螺栓固定安装到控制柜内，一旦出现变频器自身故障，现场操作人员无法快速进行检修或更换，只能等变频器厂家专业技术人员进行现场修理或者将变频器从柜体拆除进行返厂修理，且申请售后服务手续繁琐，会严重影响潜油电泵井的恢复生产，有可能造成死井。

（2）中压变频控制系统。中压变频控制柜设计较为简单，变频控制柜也就是变频器，它是把变频器内部整流二极管、电容、线路板、逆变模块、散热风扇通过模块化设计，合理分散布置在控制柜内，结构清晰明了，方便查找故障原因，更换柜内内部的线路板和电气元件较为简单，由于该变频柜柜体设计轻便，现场一旦不能对变频柜进行修复，可由2～3人较快地完成变频控制柜更换工作，能保证电泵井较快复产。

4 结语

综上所述，对比中压变频控制系统和低压变频控制系统的优劣势可以看出，中压变频控制系统更适用于油田的井况和工作环境，对提高采油产量、质量,降低维护费用,节约能源及提高经济综合效益,具有非常重要的意义。