基于超级电容的抽油机制动能量回收系统研究

王建元，王智文，谢天才

(东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林 132012)

游梁式抽油机因其构造简单、工艺成熟可靠，且便于维护，是油田进行机械采油的首选[1].在我国，游梁式抽油机的数量已达10万多台，总装机容量超过3 500 MW，年耗电量接近百亿千瓦时[2].然而，游梁式抽油机因其自身构造及负载特性导致工作周期的某个阶段出现“倒发电”现象[3-4]，产生的制动能量传输到变频器直流侧的滤波电容上，形成泵升电压，若不加以处理，持续升高的电压会损坏滤波电容器及功率开关管，甚至破坏电机的绝缘.针对抽油机系统的“倒发电”现象，目前大多采取在变频器直流母线上并接制动电阻，通过电阻以热能的形式耗散到周围环境中，即电阻能耗制动.这种方式虽然限制了泵升电压，但会造成严重的能源浪费，降低抽油机系统的整体效率，而且释放到周围环境中的热量会造成温度升高，影响系统正常运行.

为解决上述问题，工业和学术界开展了大量的研究工作.文献[5]利用超越离合器只能单向传递动力的特性，在抽油机电机即将产生负转矩的瞬间，超越离合器内部的棘轮脱开，完成瞬态超越，此时电机空载运行，消除了“倒发电”现象，提高了系统效率，但超越离合器故障率较高且寿命较短.文献[6]采用四象限变频器取代普通变频器，将抽油机电机产生的制动能量回馈电网，但电机在抽油机拖动下转速不稳定，所产生的电能质量不高，存在很大的谐波，会污染电网，而且结构复杂，目前较难推广.文献[7]提出断续供电控制方法，在电机处于空载及发电工况期间对其进行“断电”处理，文献[8]在此基础上给出了断续供电节能技术断电时刻的准确判断方法，但断续供电存在断电后再通电时损耗增大及伴随机电冲击等问题.

随着超级电容储能技术的兴起，其在抽油机系统节能上的应用成为新的研究热点.超级电容器循环寿命长、功率密度大、温度适应性好、容量配置灵活且安全无污染[9-10]，在电力系统、轨道交通、电动汽车及电梯等领域已经得到了应用[11]，然而在抽油机系统上的应用国内尚处于理论研究阶段.

基于上述背景，为进一步促进抽油机系统节能技术的发展，文章研究并设计了基于超级电容的抽油机制动能量回收系统.首先对抽油机制动能量回收系统进行整体结构设计；以一台37 kW异步电机拖动的游梁式抽油机[12]为研究对象，根据其高功率峰值，低制动能量的负荷特性，提出基于功率-容量约束的超级电容器模组参数配置方法，该方法以提高超级电容储能系统性价比为目标，对储能系统的初始充电电压进行优化；以抽油机再生制动能量的有效回收和及时释放为前提，并限制超级电容器的电压和电流处于合理区间，制定储能系统控制策略.

1 制动能量回收系统结构方案

抽油机制动能量回收系统的整体设计方案如图1所示，系统由380 V交流电源、交直交变频器、储能单元及负荷几部分构成[13-14].其中380 V交流电源是供电网接入点，为抽油机电机的运行提供动力，同时也为抽油机制动能量回收系统的控制电路提供电能.交直交变频器为两象限变频器，由整流器、直流环节和逆变器三部分组成，其中整流器为二极管整流桥，直流环节包括滤波电容和能耗电路.储能单元由超级电容器模组和Buck-Boost型双向DC/DC变换器组成[15-16]，相较于直接将超级电容器模组并联到变频器直流母线的方式，经DC/DC变换器后与变频器直流侧相连，能显著减小超级电容器模组成本，同时便于对超级电容进行充放电控制.

图1 抽油机制动能量回收系统结构图

2 基于功率-容量约束的超级电容器模组配置方法

2.1 功率约束

超级电容器是抽油机制动能量回收系统的关键组成部分，而现阶段超级电容器成本较高，故超级电容器模组的功率及容量配置是否合理直接影响储能系统的经济效益.以一台37 kW异步电机拖动的游梁式抽油机典型功率曲线为例，如图2所示，对抽油机用超级电容器模组进行优化配置.图中P1>0表示电网经变频器向抽油机电机输出功率；而P1<0则表示这时抽油机拖动电机的转速超过同步转速，电动机处于再生发电状态，产生的电能经变频器逆变侧回馈到直流母线.而图中阴影区域的面积代表储能系统可吸收回馈能量的多少，其下边缘的直线l为储能系统的额定功率

PscN=UscmaxIscmax

(1)

图2 游梁式抽油机电机典型功率曲线

公式中：Uscmax为超级电容器模组额定电压；Iscmax为超级电容器模组最大持续电流.由超级电容器的工作原理可知，在进行充放电时，超级电容器两端的电压是动态变化的，通常情况下设计其工作电压为额定电压的一半到额定电压之间，而最大持续充电电流在超级电容器模组已配置完成的情况下保持不变，因此超级电容器模组的最大充电功率是动态变化的，基于此种方法设计的超级电容器模组可吸收功率远小于预期吸收功率，且超级电容器模组的最大充电功率满足

(2)

公式中：U0为超级电容器模组初始充电电压；Csc为超级电容器模组等效电容量；t为超级电容器模组充电时间.通过以上分析可知，超级电容器模组要想完全吸收图2中阴影区域所对应的抽油机电机制动能量，则超级电容器模组的最大充电功率必须始终满足

Pscmax≥PL

(3)

公式中：PL为直线l所对应的功率，即期望吸收功率.由于在充电过程中，超级电容模组两端的电压逐渐升高，根据公式(2)可知，只需令储能系统的初始最大充电功率Pscmax0满足公式(4)，则公式(3)一定成立.

Pscmax0=U0Iscmax=PL

(4)

2.2 容量约束

当抽油机电机处于再生发电状态时，产生的再生电能经变频器逆变侧回馈至直流母线，然后在经双向DC/DC变换器被储能系统储存，在此过程中必然伴随着能量的损耗，则要完全吸收阴影区域的制动能量E，需满足

(5)

公式中：Uscmax为超级电容器模组最高工作电压；η为考虑变频器、双向DC/DC变换器以及超级电容器模组充放电效率在内的等效效率，取值0.9.

2.3 基于功率-容量约束的超级电容器模组参数配置

游梁式抽油机通常采用380 V工频电源，通过二极管整流桥整流后的直流母线电压为54 0V，而超级电容器单体的耐压值却很低，通常只有2.5 V～3.3 V，即使经双向DC/DC变流器对变频器直流侧电压进行降压后，低压侧的超级电容器仍会承受上百伏的电压，因此需要将超级电容器单体串联起来构成能够满足高压需求的超级电容器模组.设储能系统的工作电压范围为Uscmin～Uscmax，则储能系统中超级电容器串联数为

(6)

公式中：UC为超级电容器单体额定电压.

由公式(4)可知，储能系统的最大持续电流为

(7)

进而可得储能系统中并联支路数为

(8)

公式中：IC为超级电容器单体最大持续电流.实际应用时，需对计算得到的m、n进行向上取整.

根据公式(6)～公式(8)可得超级电容器模组等效电容量为

(9)

进而可得超级电容器模组的最大充电功率为

(10)

公式(6)和公式(8)表明，对于抽油机系统，当变频器的直流母线电压等级及DC/DC变流器变比确定后，储能系统中超级电容器串联数m也就唯一确定下来，而并联数n除与超级电容器单体最大持续电流IC和初始最大充电功率Pscmax0相关外，还与初始充电电压U0有关.同时，由式(10)可知，在储能系统的初始最大充电功率Pscmax0等参数确定的情况下，超级电容器模组的最大充电功率Pscmax与充电时间t成一次函数关系，且随着初始充电电压U0的增大其斜率减小，储能系统的功率利用率增大.综上分析，初始充电电压U0的取值为储能系统容量优化的关键.

将公式(9)代入公式(5)可得

(11)

对公式(11)作进一步分析，可得满足功率-容量约束的储能系统初始充电电压范围为

(12)

公式中：D=CCUCPscmax0/(UscmaxIC).

与其它储能装置相比，超级电容器拥有诸多优点，但其缺点同样突出，即成本较高，因此要尽可能提高储能系统的经济效益.以超级电容器储能系统的性价比为目标函数，经量化

(13)

公式中：m、n分别为超级电容模组的串联数和并联数，如公式(6)、公式(8)所示；p为超级电容器单体的容量；k为kJ超级电容器模组及其配套储能装置的造价.

由公式(13)可知，储能系统的性价比除了与超级电容器单体参数、待吸收制动能量E、初始最大充电功率Pscmax0等参数有关外，还与其初始充电电压U0相关，且成正比关系，结合式(12)可得，当U0由Uscmin逐渐增大至U*的过程中，S也增大.因此，在满足功率-容量约束的条件下，存在初始充电电压值U*使得储能系统的性价比最高，即当U0=U*时，S取得最大值，此时超级电容器储能系统的容量最小，性价比最高.

2.4 基于功率-容量约束的超级电容器模组参数匹配流程

在进行超级电容器模组的参数匹配过程中，首先由变频器的直流母线电压等级及双向DC/DC变换器两侧电压比确定超级电容器模组的工作电压范围Uscmin～Uscmax；根据电机的功率曲线计算并确定超级电容器模组的初始最大充电功率Pscmax0及可吸收制动能量E；根据超级电容器单体参数、可吸收制动能量E、初始最大充电功率Pscmax0等参数，利用式(12)计算出最优初始充电电压U*；最后结合公式(6)～公式(8)完成对超级电容器模组的最优化配置，如图3所示.

图3 超级电容器模组参数匹配流程

3 储能单元控制策略

储能单元的整体控制策略遵循如下原则：当抽油机变频器直流母线电压大于充电阀值Udcmax时，储能单元进行充电；当抽油机电机处于电动状态时，储能单元保持实时最大功率运行，以缓解电网供电压力.由于游梁式抽油机是典型的周期性势能负载[17-18]，抽油机电机回馈制动能量过程频繁，要想实现再生制动能量的有效回收，必须保证超级电容器存储能量的及时释放，避免“存而不用”的现象发生，因此，抽油机电机电动状态的确定是实现制动能量有效回收和及时释放的关键，储能系统的整体控制流程如图4所示.

在图4中，P1为抽油机变频器输出功率，可通过对直流母线电压和电流的检测计算得到，可以看出储能系统与抽油机变频器之间不需要繁复的通讯与协调.通过此控制策略不仅可以使储能单元的SOC稳定在合理的区间，延长储能单元的使用寿命，而且可以最大限度发挥超级电容器的存储能力，达到节能的目的.

至于能耗电路，一般情况抽油机变频器内置制动电阻，通过实时监测直流母线电压对能耗电路进行控制，并且制动电阻的投入和切出的阀值电压应为一滞环.

4 算例分析

4.1 参数设置

抽油机变频器直流母线电压为540 V，设置当直流母线电压大于550 V时储能系统回收制动能量(图4中Udcmax)，当直流母线电压高于600 V时能耗电路启动.为使双向DC/DC变换器具有较高的工作效率，两侧电压比不能过高[19]，选择储能系统的工作电压范围为200 V～400 V，即储能系统的最高工作电压Uscmax为400 V.

抽油机电机的功率曲线采用图2所示的功率曲线，为了确定储能系统的初始最大充电功率Pscmax0及可吸收制动能量E，如图5所示.图中可吸收制动能量E的计算公式为

(14)

其中：

(15)

公式中：T为游梁式抽油机的工作周期.

由图5可知，在储能系统的初始最大充电功率Pscmax0较小时，随着Pscmax0的增大，储能系统的可回收制动能量E迅速增加；当Pscmax0增大到一定程度后，E的增大速度逐渐变缓；当Pscmax0增大到10 kW以后，E不在增加，此时，储能系统已可以吸收所有的制动能量.在现场应用时，可根据油井工况、抽油机平衡状态及优化目标的不同对Pscmax0进行灵活配置.

图5 储能单元功率与可吸收制动能量关系图

由于图2中的负载功率曲线经过理想化处理，致使图5中的初始最大充电功率Pscmax0与可吸收制动能量E的关系曲线的拐点并不明显，故文中选择吸收所有制动能量，即Pscmax0=10 kW，E=18.6 kJ，并选用美国Maxwell公司XP系列的BCAP0005型超级电容器进行容量配置，该系列超级电容器可在油田多风沙、温差大的恶劣环境下稳定运行，其主要参数如下：额定容量为5F，额定电压为2.7 V，最大持续电流为2.3 A，由公式(12)可计算得到超级电容器模组的最优初始电压U*为290 V(为了降低超级电容器的电压应力，计算时令额定电压为2.5 V)，则根据文中提出的基于功率-容量约束的超级电容器模组参数配置方法及传统配置方法得到的配置结果如表1所示.

表1 基于Maxwell BCAP0005型超级电容器参数配置

由表1可知，采用文中提出的超级电容器模组参数匹配方法能够在满足抽油机制动能量回收需求的条件下，有效减小超级电容器模组中并联支路数，从而降低储能系统的投入成本.

4.2 仿真验证

按图1在Matlab/Simulink仿真软件中搭建抽油机制动能量回收系统仿真模型，对文中所述超级电容器模组参数配置方法及储能系统控制策略进行仿真验证，仿真结果如图6、图7所示.

图6 无超级电容储能系统时直流母线电压

图7 无超级电容储能系统时抽油机、电网功率

图6和图7为抽油机系统未安装超级电容储能装置时的仿真波形，在0 s～3.2 s和6.1 s～12 s内，抽油机电机处于电动状态，需要从电网吸收大量电能，直流母线电压为525 V～540 V.在3.2 s～6.1 s内，抽油机电机处于再生发电状态，向直流母线回馈电能，为了限制“泵升电压”，能耗电路开始工作，直流母线电压在580 V～600 V之间波动，580 V和600 V分别为制动电阻退出和投入的阀值，为一滞环.

图7、图9和图10为加入超级电容储能系统并且采用文中所提参数配置方法及控制策略时的仿真波形，在3.2 s时抽油机电机开始向直流母线回馈电能，直流母线电压升高，当直流母线电压达到充电阀值550 V，并且超级电容器模组端电压小于400 V时，超级电容开始回收制动能量，使直流母线电压稳定在545 V～550 V，此处仍为一滞环，545 V和550 V分别为双向DC/DC电路降压模式关闭和开启的阀值；6.1 s时，抽油机电机开始处于电动状态，超级电容向抽油机电机供电，6.1 s～7 s，超级电容最大放电功率大于电机所需功率，由超级电容承担全部功率，直流母线电压维持在540 V左右；7 s～8 s时，超级电容最大放电功率小于电机所需功率，超级电容作为辅助电源，提供部分功率，直流母线电压降低；8s时，超级电容端电压下降到最优初始充电电压290 V，超级电容停止放电，此时电机运行需要的功率全部由电网提供，直流母线电压为525 V～540 V.

图8 有超级电容储能系统时直流母线电压

图9 有超级电容储能系统时抽油机、电网、超级电容功率

图10 超级电容器模组电压、电流波形

在抽油机系统的一个工作周期内，超级电容器模组的端电压由最优初始充电电压290 V经充电上升至385 V，对应于图2中抽油机电机功率曲线的发电区域，之后抽油机电机进入电动阶段，超级电容器模组的端电压经放电又回到最优初始充电电压290 V，此阶段对应于图2中抽油机电机功率曲线的电动区域，整个过程实现了工作周期内能量的归零；超级电容模组的充放电电流及功率的峰值在整个工作周期内均接近但未超过的最大持续电流Iscmax和初始最大充电功率Pscmax0，储能系统的功率利用率得到有效提高，且系统运行性能稳定.

由上述分析可知，超级电容储能系统能够在满足较高性价比的基础上实现对抽油机电机制动能量的存储与再利用，证明了本文所提超级电容器模组参数配置方法及控制策略的正确性和有效性.

5 结 论

针对抽油机系统的“倒发电”现象，设计了基于超级电容的抽油机制动能量回收系统，并以提升超级电容储能系统的性价比为目标，提出了基于功率-容量约束的超级电容器模组参数匹配方法以及储能系统协调控制策略.仿真验证表明，文章所提超级电容器模组参数匹配方法能够实现储能系统功率和容量对节能量的最佳性价比配置，满足节能效果与系统成本双优的目的；储能单元能够实现抽油机电机制动能量的有效回收和及时释放，荷电状态及电流处于合理区间，且采用独立的充放电控制电路，并未对抽油机系统原有控制电路做改动.

文章所提超级电容器模组参数配置方法及控制策略未考虑超级电容器电压、电流及温度对其寿命的影响，后续研究可以以此切入点进行改进.