超级电容储能模块在抽油机中的设计研究

邵现振，刘 鹏，赵 闯，李柏涛，张 龙，张永平

(1.河口采油厂工艺所，山东 东营 257000；2.山东爱特机电技术有限责任公司，山东 东营 257000)

0 引言

随着油田的不断开发，近年来，我国大部分油田已进入开发中后期，机械采油尤其是抽油机采油占据主导地位。抽油机具有结实可靠、使用方便、成本较低等许多优点，但对于位能性负载，当负载下行时，电机经常会进入倒发电状态，当电机与电网直接相连时，电能被反馈回电网，如果倒发电功率较大，会引起末端电网电压波动。当电动机通过变频器驱动时，倒发电能量被注入直流侧，导致直流侧电压升高，为防止电压过高造成器件损坏，必须对倒发电能量进行处理。对此，现有的解决方式主要有3种：(1)回馈电网需要使用四象限整流器，成本高，且会对电网造成冲击。(2)就地消耗大部分以电阻发热形式进行，易造成能量浪费。(3)储存抽油机馈能是最有可能实现节能与安全兼顾的方法。

课题组研究了一种具备馈能回收功能的抽油机变频控制装置：一方面，应用超级电容储能技术储存抽油机过剩能量，实现节能，避免“倒发电”影响供配电的安全、稳定运行；另一方面，集成应用变频控制技术，实现对抽油机电机的软启停，提高系统功率因数，降低线损，优化供配电网络容量配置[1]。

1 自动控制系统设计

应用基于高速总线技术的自动控制系统，建立与外接变频单元、功率平衡系统、模组系统、安全保障系统的实时主从通信，实现对抽油机电动机提升下放抽油杆作业时能量循环利用的实时自动控制，研究自校验算法实现自动控制系统的高可靠性与高效率，同时，编制配套控制软件及组态人机界面。自动控制系统框架如图1所示。

图1 自动控制系统框架

2 抽油机超级电容储能功率平衡系统设计

根据井场变压器容量以及抽油机作业的不同阶段所需的不同功率，基于瞬时功率平衡控制策略，研究应用功率平衡单元，包括：信号采集单元、信息处理单元和功率分配单元。针对抽油机上提作业时变压器单独供电与抽油机下放作业时混合供电的不同工况，合理分配储能系统和井口变压器的能量，实现系统的安全、协调、最优化运行[2]。

传统变频器采用用二极管组成的不可控整流桥，利用充电电阻限制充电电流。并接超级电容后，直流侧电容量相比传统变频器大大增加。由于超级电容容量大，充电电流大，持续时间长，如果再用充电电阻，需要安装大功率电阻且发热严重，并且充电时间长。因此，在设计中不能采用传统变频器中不可控整流+充电电阻方式，本团队改用由晶闸管组成的三相全控整流桥，输出直流电压与交流输入和触发角的关系：

Ud=2.34U2cosα

(1)

其中，Ud为直流电压，U2为输入相电压有效值，α为触发角，因此，可以通过控制触发角的大小控制输出电压。当电网电压异常偏高时，通过改变触发角的大小控制直流侧电压，解决了电网停电恢复后由于电压偏高造成变频器大面积损坏的问题。滤波电抗器可以使输入电流更加平滑，降低电流谐波。主电路框架如图2所示。

图2 主电路框架

3 超级电容模组选型设计

通过研究抽油机负载特性、超级电容器的充放电原理及特性、影响超级电容器储能的主要因素等，确定适应于抽油机负荷特点的超级电容器储能模块的组成方式、容量配置。

首先，按照倒发电以及倒发电时功率要求确定超级电容额定电流。虽然抽油机配置电机额定功率比较大，但其负载率比较低，而且经过变频器降频之后，实际瞬时功率一般不大于20 kW，正常工作时，母线电压约540 V，则直流侧电流约为37 A，电流主要由整流电路提供，超级电容与电解电容均起到滤波作用。当倒发电时，倒发电能量主要存储到超级电容，但倒发电功率小于20 kW；倒发电结束后，超级电容电压高于电网电压幅值，由超级电容提供能量，但由于此时电压较高，电流相对较小。因此，选择额定电流30～40 A的超级电容，即可满足要求[3]。

其次，按照逆变器直流侧电压工作范围确定超级电容器电压。对于逆变单元，当直流侧电压不大于720 V时，均可正常工作，因此，电容器组需要满足720 V直流电压要求。选择额定电压每组的过压值设定为90 V，再用8组进行串联，每组设置过压、过热检测输出。

最后，按照倒发电能量选择电容器容量。逆变器正常工作时，直流侧电压约为540 V，最高电压为720 V，出于安全考虑，允许最高电压按700 V计算，超级电容器电压由540 V升高至700 V所增加的能量为：

W1=(U22-U12)*C/2=(7002-5402)*C/2=99200*C(J)

(2)

抽油机倒发电功率一般不大于10 kW，倒发最长电时间按照10 s计算，则一个冲次的倒发电能量为：

W2=P*Δt=10*(10/3600)=1/36 kW·H=100 000 J

(3)

为保证系统的安全，超级电容所能储存的能量要大于抽油机一个冲次倒发电能量，即：

W1>W2

99200*C>100000

C>1.008F

(4)

最终采用90V/10F电容器8组串联后，总电容值为1.25F。

4 实施效果分析

经过研究、设计、组装、室内实验后，安装到现场运行，经过现场检测，设备运行稳定、可靠，平均功率因数大于0.9，满足现场实际生产需要。通过对油井抽油机功率损耗、节约线损和变压器容量费的计算，单井年节约资金在1.6万元左右，同时，减少油井空抽运行时间，改善了油井工况，延长油井检泵周期[4-5]。

5 结语

如何解决游梁式抽油机的各种问题、提高整体的系统效率是一个重大问题。油田采取了各种措施提高效率，降低能耗，变频技术应用最成功、最广泛，但也存在一些问题，因此，本项目在变频的基础上融入了超级电容储能技术，进一步提高了系统效率。一方面，改善了抽油机电机的工作状态，解决了游梁式抽油机电机由于“大马拉小”而带来的功率因数和效率较低的问题；另一方面，针对抽油机由于不平衡馈能而造成的电机再生倒发电问题，通过超级电容储能，对能量回收再利用，最终达到提高抽油机电机的功率因数、节能降耗、降低生产成本的目的。整流单元可控制直流侧电压，当电网电压异常升高时，可控制直流电压保证设备安全，不影响生产。