抽油機無功補償策略研究及應用

摘 要：詳細分析抽油機的工作狀態，提出分段補償的控制方法，建立瞬時動態補償模型。在無功補償時，不僅考慮基波和諧波，還要根據負載的情況，在最優的范圍內進行斬波調壓，以節省線路的有功損耗。在此基礎上，研制的抽油機節能裝置，通過使用電參數測試儀對安裝節能器前后進行時比，證明其節能效果明顯。

關鍵詞：抽油機；控制模型；無功補償；功率因素

中圖分類號：TP301 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)10-019-02

Study and Application of VAR Compensation Strategy in Oil-pumping Machine

JIN Ying，ZHAO Jianyang

(Huaiyin Institute of Technology，Huaiyin，223001，China)

Abstract：This paper analyzes the work state of oil-pumping and presents control methods of multi-level compensation.Dynamic transient compensation model is built up.In the model，we take both base and harmonic into account and modulate the voltage of oil-pumping motor to save energy.energy saving unit of oil-pumping machine based on the above is developed.Comparing with energy-saving device by using electric parameter measurement equipment，It is proved that the unit can save energy evidently via tests.

Keywords：oil-pumping machine;control model;VAR compensation;power factor

1 引 言

在我國油井抽油機面廣量大，但抽油機的平均負荷率只有30%左右，電能浪費嚴重。據測算，在油田生產開發中，機械采油消耗電能已達到總成本的40%，因此研究抽油機節能降耗問題受到廣泛的重視。

目前，針對抽油機節能問題有多種解決方案，主要分為兩大類：一類為節能抽油機電動機，這類電機節電性能優于一般的異步電動機，但都存在一定局限性；另一類是用節能配電柜，其中就節省無功技術有：采用機械開關投切電容器進行無功補償，但投切電容時的過電流、過電壓，使觸頭易拉弧以致損壞；采用可控硅無觸點法解決了機械觸點壽命短問題，但不能做到頻繁投切。節省有功技術主要采用：變頻控制器，但成本高，且由于抽油機電機時常出現無功倒送問題，這會使得變頻器難以工作；斬波調壓，借助雙向晶閘管進行斬波降低電機供電電壓，但這種方法在負載率為60%以上時效果明顯，在負載率較低時，會產生大量諧波。本課題針對抽油機的工作狀態經過大量反復的試驗、研究發現，傳統意義上使用cos(φ)計算功率因數的方法，不能全面描述有功和無功的概念，必須建立合理的模型才能達到節能的目的。

2 抽油機的工作特性分析

在理想情況下抽油機的載荷特性如圖1（a）曲線所示，曲線1為空載情況下的活塞和抽油桿的自重在電機上產生的阻力，曲線3表示平衡塊產生的阻力，因為平衡塊在一個周期中的作用為可以用負正弦曲線來近似，曲線2為曲線1和曲線3合力。從合力曲線2可以看出：

(1) 電機的受力是不均勻的且沖擊較大。表現為，在橫軸上的0~a1段中對應著活塞上行程的開始，這時電機受到的阻力矩較大，因為電機要使活塞和桿及活塞中的液體從最低點的速度0增加到一定速度；在a1~a2段中對應著活塞上行程的平穩移動點，此時曲線下凹的原因在于平衡鐵的作用；在a2~a3段對應著活塞上行程到達頂端到下行程開始；a4~2π為下行程即將結束。

(2) 電機有電動狀態也有處于發電狀態。在a3~a4段合力曲線2是處于發電狀態，這是因為電于平衡鐵的作用力就足以使抽油機活塞移動，而不需要電機作用，甚至電機而要被反向拖動。

對應圖1(a)的電流特性如圖1(b)所示，要對圖示功率進行有效補償，就要知道對于曲線中不同點的電流對應于電機的有功、無功及功率因數，這就要從電機等效電路的角度進行分析。

3 電機的等效電路

電機每相的等效電路如圖2所示，r1，x1為定子繞組的電阻和漏抗；r′1，x′1代表轉子繞組經歸算以后的電阻和漏抗；rm 為與定子鐵耗相對應的等值電阻；xm代表與主磁通相對應的鐵芯電路電抗。由電路分析可列出定、轉子電勢方程為：

 1=－1+1(r1+jx1)=－1+1Z1

2′[WB]=2′r2′(1－ss)+1(r2′+jx2′)

[DW]=2′r2′(1－ss)+2′Z2′

1=2′

1=－mZm [JY](1)

化簡后為：

1=1[JB((]Z1+Zm(Z2′+1－ssr2′)Zm+(Z2′+1－ssr2′)[JB))][JY](2)

從式（2）可知，電機的等效阻抗為：

Z=Z1+Zm(Z2′+1－ssr2′)Zm+(Z2′+1－ssr2′)[JY](3)

其中包含一個與電機運行狀態相關的轉差率s ，他的正負及大小直接反映電機的狀態及效率。對抽油機無功補償和節能控制，實際上需要針對抽油機電機的各種工作狀態分段控制，綜合進行。

圖1 抽油機力矩和電流曲線

4 瞬時動態補償模型

抽油機電機的阻抗是瞬變的，與轉差率密切相關，在進行動態補償時很難準確地測出轉差率，因此要用T型等效電路的解析式作為補償公式不現實的。

事實上，在任一時刻電機的輸入電壓和電流是確定的，可以將電機的等值阻抗作為測量等效值電路，其模型如圖3所示，下面根據電機的運行狀態分類討論。

圖2 電機的T形等效電路

（1） 異步電機是處于電動機運行狀態電壓Um和電流Im均為正弦，且電流滯后電壓。

（2） 異步電機是處于發電動機運行，則由于發出電壓的相位不能保證與電網電壓相位一致，因此電機的電流會產生畸變，又由于線路電阻的存在，加在電機上的電壓也表現出非正弦性，在進行補償時除考慮基波外，還應考慮諧波問題。

以上2種情況均可以等效為1個電感和1個電阻的串聯，在圖3中Xm和rm分別為感抗和電阻，只是Xm和rm均不是常量而是隨電機運行狀態變化而變化的量。同時考慮到線路中存在電阻（設電阻為r1），這樣要想提高功率因數，就可以采用并聯電容器的方法進行，圖3中Xe就是并聯電容的容抗。

圖3 測量等效值電路模型

通過計算電壓電流的基波及諧波的幅值和相位得到的xm和rm；r1是一個定值，由電線的規格及長度計算出來。通過電容補償的目的就是減少或消除無功損耗，補償時設電動機的等效感抗為Xm=jωl，則對于n次諧波，補償電容C有：

C = lr2m + n2ω20 l2

可見補償電容值不僅與電機的等效電阻、電感有關，還與諧波之間有關系，諧波次數越高需要的補償電容越小。但需注意，在諧波較大時，不能一味追求功率因數，而應從綜合效率上考慮。

5 實驗及比較

根據上述補償方案，研制了新一代抽油機節能裝置。使用電參數測試儀對抽油機安裝抽油機節能器前后進行檢測與分析。以江蘇油田陳2-14井為例，安裝節能器前后測試儀所測信號波形波形分別如圖4（a），（b）所示。

根據所測量的數據計算有功功率、平均功率因素為：補償前每個采油周期的平均有功功率7.46×3，平均功率因數0.64；補償后每個采油周期的平均有功功率6.53×3，平均功率因數0.904。

圖4 補償前后實測信號

6 結 語

抽油機的工作狀態復雜，在一個行程周期中，其負載的變化頻繁，其電機不僅工作于電動狀態，還會工作于發電狀態，因此必須綜合考慮，建立合理的模型，才能有效節能。本文建立的動態無功補償的數學模型，為計算機控制補償奠定了理論基礎。在系統設計時，不僅進行無功補償來節省無功，提高功率因素，還結合斬波調壓技術減少傳輸線路損耗，即節省了有功。通過試驗，該節能裝置節能效果良好。

參 考 文 獻

［1］尚德彬，李增印.抽油機無功補償技術的研究與應用［J］.電機技術，2006(2):34-36.

［2］趙建洋.一種少數點FFT遞歸算法［J］.振動與沖擊，2006，25(2):48-50.

［3］趙鵬飛.油田抽油機節能方式綜述及解決方案［J］.科技資訊，2007(6):96-97.

［4］Abril I P，Quintero J A G.VAR compensation by Sequential Quadratic Programming.Power Systems.IEEE Transactions on，2003:36 - 41.

作者簡介 金 鷹 1968年出生，淮陰工學院副教授。主要研究方向為嵌入式應用系統。

趙建洋 1963年出生，淮陰工學院副教授。主要研究方向為信號處理。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。