抽油機井直流電源切換技術建模仿真

中國石化撫順石油化工研究院 杜紅勇

勝利油田管理局高級人才培訓中心 牟 蕾

中國石化撫順石油化工研究院 時振堂

中國石化勝利油田河口采油廠 秦延才 劉 鵬

抽油機井直流電源切換技術建模仿真

中國石化撫順石油化工研究院 杜紅勇

勝利油田管理局高級人才培訓中心 牟 蕾

中國石化撫順石油化工研究院 時振堂

中國石化勝利油田河口采油廠 秦延才 劉 鵬

介紹了抽油機井群共直流母線供電技術的特點和抽油機井雙直流電源切換技術的原理，在Simulink環境下搭建了抽油機井動態仿真模型和直流電源切換模型，仿真分析了故障后直流母線電壓的跌落過程以及變頻器濾波電容對直流母線電壓的影響，對抽油機井動態模擬及直流電源切換過程的分析具有很大的幫助，可為抽油機井供電系統的暫態分析和直流電源快速切換裝置的研究提供參考。

抽油機 直流電源 快速切換 建模仿真

0 引言

抽油機井群共直流母線供電通常是由一套整流濾波裝置為多口抽油機井提供公用直流電源的系統。直流電經逆變后驅動電機旋轉，實現抽油機井群共直流母線的群控，在此系統中整流器可認為是直流電源，共直流母線的群控方式具有較好的節能效果和減少設備容量、節約設備費用的作用[1，2]。

在共直流母線供電系統中整流器的可靠性直接影響了系統供電的可靠性，為了減少因整流器故障或線路檢修造成的抽油機停機，可考慮采用雙直流電源供電模式，利用快速直流切換裝置實現不同直流母線供電系統之間的快速切換，減少停機率，提高系統的供電可靠性。為此，在MATLAB/Simulink環境下搭建了抽油機井動態仿真模型及抽油機井群共直流母線供電系統模型，分析了故障時直流母線電壓的變化情況，為抽油機井群直流電源快速切換裝置的設計、開發提供參考。

1 抽油機井群直流電源快速切換原理

抽油機井群共直流電源切換原理示意圖如圖1所示。該系統中包含兩套抽油機井共直流母線系統，每套系統均由一臺變壓器、一臺整流濾波裝置、若干逆變器、若干抽油機井和電壓檢測單元等組成。每口抽油機井的拖動電機均由單獨逆變器控制，根據工藝需要可實現單井轉速的調節。圖中兩套直流母線之間由直流接觸器KM或其他電子開關連接，具有快速自動開/合的功能，也可進行手動操作。系統中逆止二極管具有隔離故障電壓的作用。

如圖1所示，電壓檢測單元實時監測整流器直流側母線電壓，直流接觸器KM或電子開關保持常開，當某一側整流器或線路發生故障時，其直流母線電壓下降，當下降到正常工作電壓的90%時，PLC控制模塊控制KM閉合，故障側油井負荷全部轉移到另外一側的直流母線上，實現兩套共直流母線系統的合環運行，避免故障引起抽油機井群停機，當故障排除，電壓恢復正常時KM可自動斷開。另外，在設備或線路檢修時也可由人工操作，將一側直流母線上的油井負荷轉移到另一側，減少停機率[3]。

圖1 抽油機井群直流電源切換系統示意圖

圖2 抽油機井不控整流PWM變頻器示意圖

2 抽油機井群共直流母線系統仿真模型

2.1 抽油機井PWM控制模型

PWM（Pulse Width Modulation，脈寬調制）控制技術是利用電力電子開關器件的導通和關斷作用把輸入直流電變成輸出脈沖列，并通過控制脈沖寬度或周期來達到變壓、變流或變頻的目的。PWM控制技術在逆變電路中應用廣泛，目前抽油機井應用的逆變電路大部分是PWM型。

圖3 抽油機井群共直流母線電源切換系統仿真模型

抽油機井群共直流母線系統主要是由二極管不控整流器和多臺PWM逆變單元組成，實現多口抽油機井的共直流母線供電，其結構示意圖如圖2所示[4]。

2.2 抽油機雙直流電源系統仿真模型

在Simulink中搭建的抽油機井群共直流母線電源切換系統仿真模型如圖3所示。

圖3中有AC1和AC2兩套380V三相交流電源，經整流后分別為多口抽油機井提供直流電。仿真模型中以四口抽油機井為例，其中抽油機1和2共用整流器1直流側母線，抽油機3和4共用整流器2直流側母線。整流器1和2的直流母線之間由開關KM連接，其開關狀態設置為常開，開關動作指令由失壓判斷模塊控制，當失壓判斷模塊監測到直流母線電壓下降到正常工作電壓的90%時，即發出合閘指令。圖示的連接方式為假定整流器1發生故障，故失壓判斷模塊監測對象為整流器1的直流側電壓。

圖中抽油機子模塊仿真模型如圖4所示，包含PWM逆變器、濾波電容和三相異步電機等模塊，電機轉速和頻率由PWM模塊控制。模型中以37kW Y250M-8型三相異步電動機為例，電機負載轉矩根據抽油機井結構尺寸、示功圖等參數由MATLAB m函數計算得到，并通過Simulink調用，實現抽油機井的動態模擬。仿真模型中通過對抽油機負載轉矩的延時輸入，可避免多口抽油機井同時帶載啟動。仿真模型中設置的抽油機井沖次為5次/分鐘，電機輸入轉矩在-20N·m～110N·m之間波動[5，6，7]，由m函數計算得到的抽油機電機負載轉矩曲線如圖5所示。

圖4 抽油機子模塊仿真模型

圖5 電機負載轉矩曲線

2.3 PWM控制抽油機井啟動過程仿真

在如圖3所示的抽油井群共直流母線仿真模型中，抽油機井拖動電機空載啟動時轉矩特性曲線如圖6(a)所示，帶抽油機負載啟動時轉矩特性曲線如圖6(b)所示。其中圖6(b)為連續兩個抽油機沖程下的電機轉矩曲線。通過仿真對比可知，在二極管不控整流PWM變頻控制系統中抽油機井拖動電機空載啟動的時間約為0.4s，帶抽油機負載啟動的時間約為0.6s。電機仿真轉矩曲線與輸入轉矩基本一致，但受PWM調制影響，電機定子和轉子磁鏈的脈動會引起電動機轉矩的脈動，相比輸入轉矩會略有波動。

圖6 抽油機電機啟動仿真曲線

2.4 直流電源切換過程仿真

仿真參數設定：在圖3所示的仿真模型中，假定在1s時，整流器1或線路出現故障，斷路器1跳閘，整流器1直流側母線電壓下降，當下降到正常運行值的90%時（約486V），電源切換系統工作，開關KM閉合，整流器1所帶的抽油機負荷將全部轉移到整流器2中的直流母線上。另外，考慮到濾波電容對直流母線電壓有一定的支撐作用，仿真模型中設置了3組不同的電容值以考察其對直流母線電壓的影響。三組不同的電容值分別設定為100μF、1000μF和10000μF。

直流電源切換過程中直流母線電壓的跌落情況、直流電源的切換時間以及電容對直流母線電壓的影響如圖7所示。由圖7可以看出，濾波電容對直流母線電壓具有一定的支撐作用，電容設置為100μF和1000μF時，直流母線電壓跌落到486V的時間差異并不明顯，約為10ms，恢復正常值的時間約為31ms；而電容為10000μF時，電壓跌落到486V的時間為34ms，恢復正常值的時間為55ms，可見電容配置越大對直流母線電壓支撐的作用越大。在進行抽油機井群直流母線電源切換裝置開發時需對判斷系統、執行機構等環節進行合理的選型或設計，以滿足快速切換的要求。另外，也可以通過適當的增加電容的配置來延長電壓跌落時間。

3 結束語

利用MATLAB/Simulink對抽油機井進行了動態模擬，并搭建了抽油機井群共直流母線仿真模型，對直流電源的切換過程進行了仿真，分析了直流母線電壓跌落過程及電容對電壓的影響規律。仿真參數可在線修改，實現不同工況條件下的結果分析，方便直觀。該方法對抽油機井動態建模仿真及直流電源切換過程分析具有很大的指導作用，可很好的用于抽油機動態模擬及直流電源快速切換開關的設計開發。

[1]張超.基于直流母線供電的抽油機群控系統研究[D].北京:北京交通大學,2010.

[2]焦裕璽,盧正通,肖志勇,等.基于共直流母線的多油井變頻群控系統節能分析[J].石油石化節能,2015,5(3):6-8.

[3]趙應春,廖立平,蔣小紅.直流雙電源智能無縫切換裝置[J].電工技術,2012(2):64-66.

[4]顧春雷,陳中.電力拖動自動控制系統與MATLAB仿真[M].北京:清華大學出版社,2014:166-167.

[5]任濤.抽油機系統優化設計分析與MATLAB應用[M].北京:石油工業出版社,2015:102-103.

[6]肖寧,雙凱,王德國,等.MATLAB/Simulink在抽油機動力學分析中的應用[J].科學技術與工程,2009,9(2):405-408.

[7]黃安貽,李海亮.游梁式抽油機工作系統計算機仿真分析[J].西南石油大學學報(自然科學版),2010,32(3):167-171.

Modeling and Simulation of DC Power Supply Switching Technology in Beam Pumping Unit

Du Hong-yong1Mou Lei2Shi Zhen-tang1Qin Yan-cai3Liu Peng3
（1.SINOPEC Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals，Liaoning，Fushun，113001；2.Advanced Training Centre of Shengli Oilfield，Shandong，Dongying，257001；3.Hekou Oil Production Plant of Shengli Oilfield，Shandong，Dongying，257001）

Introduced the features of pumping wells group DC power supply technology and the switching technology principle of double DC power supply.Builded the dynamic simulation model and the DC power supply switching model of pumping wells group used Simulink.Simulated the process of DC bus voltage drop and the effect of converter filter capacitor on DC bus voltage after fault.The operating conditions can be arbitrarily change，the whole process convenient and intuitive，it’s helpful for dynamic simulation of pumping wells and the analysis of DC power supply switching process. The method could provide a reference for the transient analysis of pumping wells power system and the study of DC power fast switching device.

beam pumping unit；DC power supply；fast switching；simulation mode

杜紅勇（1979-），男，碩士，高級工程師，研究領域為電力系統節能及自動化。