抽油機混合PWM變頻調速節能技術的研究*

曹 雪 付光杰 趙子明 林雨晴 喬永娜

(1.東北石油大學電氣信息工程學院；2.國網鶴崗供電公司；3.上海電科船用電氣事業部)

抽油機混合PWM變頻調速節能技術的研究*

曹 雪1付光杰1趙子明2林雨晴3喬永娜1

(1.東北石油大學電氣信息工程學院；2.國網鶴崗供電公司；3.上海電科船用電氣事業部)

介紹三電平SVPWM技術和SHEPWM技術的原理，并結合SVPWM和SHEPWM的優點提出了混合PWM變頻調速節能技術。在抽油機用三相異步電動機實驗平臺上進行了實驗驗證，結果表明：混合PWM變頻調速節能技術可有效降低能耗，能在實現電動機平穩啟動的同時提高轉速的穩態精度。

混合調制技術 抽油機 SVPWM技術 SHEPWM技術 節能

國民經濟的增長離不開石化行業的發展[1]，我國作為石油生產大國，現有抽油機的總量超過10萬臺，每年的耗電總量高達150億 kW·h。相比于國外30.05%的抽油機平均效率，我國僅為25.96%[2]。現役的游梁式抽油機作為油田生產的耗電大戶，其耗電量約占油田生產總用電量的30%～40%[3]。為此，變頻技術應運而生，20世紀80年代，變頻技術開始被應用于石油驅動鉆機[4]，極大地降低了石油開采成本，因此被公認為新一代鉆井裝備四大新技術之一[5]。

我國大慶油田、勝利油田等多個油田的實際統計結果均表明，變頻技術的應用減少了電氣能耗，提高了抽油機的工作效率。目前，變頻技術正向著更廣、更深的方向發展[3]，傳統的控制策略急需改善。為此，在傳統空間矢量脈寬調制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)技術的基礎上將它與特定諧波消去脈寬調制(Selected Harmonic Elimination Pulse Width Modulation,SHEPWM)技術相結合，充分利用SVPWM所具有的優勢(較高的直流電壓利用率、易于實現數字化控制)，同時在中高頻引入SHEPWM技術，利用SHEPWM技術消除特定次數的諧波，從而克服SVPWM高頻諧波特性較差和SHEPWM在低頻時因采用較多開關角度致使存儲量較大的缺點。將混合式PWM技術應用于抽油機變頻調速控制系統，以達到減少控制系統電氣能耗、減少電流脈動[6]、進一步提高轉速控制精度和啟動平穩度的目的。

1 三電平SVPWM技術

游梁式抽油機多為異步電動機，異步電動機的矢量控制系統中一般采用電壓型逆變器，通過脈寬調制信號控制開關管的工作狀態，以實現逆變功能并為異步電動機提供驅動電壓。在低頻段采用SVPWM技術，設低頻段范圍為0～40Hz。三電平SVPWM的空間矢量圖如圖1所示，共包括6個大扇區(Ⅰ～Ⅵ)，每個大扇區又細分為6個小扇區，如圖2所示。圖2為圖1中的第Ⅰ扇區，空間矢量合成依據最近三矢量合成原則，當參考矢量位于圖2中的第3小扇區時，在一個采樣周期Ts中有：

VrefTs=V1T1+V3T3+V4T4

(1)

同時，根據伏秒平衡原理，T1、T3、T4還應滿足：

圖1 三電平SVPWM的空間矢量圖

圖2 第Ⅰ扇區空間矢量合成示意圖

(2)

由此可以得到各矢量的作用時間為：

(3)

2 三電平SHEPWM技術

SHEPWM技術的核心是選擇適當的開關時刻控制逆變器的電壓波形，使輸出電壓中的特定諧波分量被消除[7]。由于線電壓中不存在3次及其整數倍的諧波分量，因此SHEPWM消去諧波分量的主要對象是非3的整數倍的諧波分量。單極性SHEPWM生成的相電壓波形如圖3所示，其中VA為相電壓，αk為第k個開關角度。

圖3 單極性SHEPWM生成的相電壓波形

由圖3可知，在半個周期內共有k個脈沖，將相電壓展開為傅里葉級數的形式，有：

(4)

(5)

三相三電平NPC逆變器重點消除的諧波次數為5，7，11，…，6i-1[7]。設M為需要消除的最高次諧波次數，則有：

(6)

其中，BM為傅里葉系數，m為選定的基波幅值。對于式(6)這一非線性超越方程組，可以采用牛頓迭代法或智能尋優算法求取開關角度，從而實現三電平逆變器的控制，以消除某些特定的低次諧波，減小畸變率。

3 SVPWM技術與SHEPWM技術的轉換

根據抽油機實際工作情況，設定低、中高的切換頻率值為40Hz，即調頻范圍在40Hz以下時選用SVPWM技術，大于40Hz時切換至SHEPWM技術。其中SHEPWM技術的開關點數為7，消除的目標為700Hz以內的低次(5、7、11、13次)諧波。

由于兩種技術在相位上存在偏差，導致切換瞬間將產生相位躍變。為此，采用固定角度切換法實現調制方式的轉換，角度切換區間為0～36°。SVPWM技術的開關頻率是600Hz，對于切換時的參考矢量頻率40Hz而言，在一個周期內(即360°空間范圍內)參考矢量將被采樣15次，這15次中必將有一次在角度切換區內，此時將SVPWM技術切換至SHEPWM技術即可。當從SHEPWM技術切換回SVPWM技術時，判斷SHEPWM技術的A相電壓是否進入設定角度切換區內，若進入轉換區域則進行調制技術方式轉換。切換區間的固定使得控制方式的相互切換具有可重復性，因此可以推廣到其他工業應用領域。

4 實驗驗證與分析

為驗證SVPWM技術和SHEPWM技術之間可以實現有效切換，在抽油機用三相異步電動機的變頻調速系統中具有減少抽油機桿機械沖擊、降低電氣能耗的作用，并能實現抽油機平穩啟動和調速，在額定功率為20kW、額定轉速為1 000r/min、額定電壓為380V、極對數為3的抽油機用三相異步電動機實驗平臺上進行變頻調速矢量控制系統的實驗驗證。其控制系統為具有32位高性能ARM Cortex-M4處理器的STM32F4微控制器。

參考矢量頻率為40Hz時三電平SVPWM和SHEPWM混合調制作用下的輸出線電壓VAB以及給定轉速為400r/min時抽油機用異步電動機定子A相電流IA的實驗波形如圖4所示。可以看出，從SVPWM向SHEPWM切換時線電壓不存在明顯躍變，且轉換為SHEPWM后逆變器輸出線電壓諧波畸變率由27.81%降為23.67%；抽油機用異步電動機相電流雖有擾動但很快恢復平穩，并且調制模式轉換后相電流波形更加平滑。

圖4 輸出線電壓與相電流的實驗波形

異步電動機轉速實驗波形如圖5所示，可以看出，電動機啟動平穩，轉速上升時間約1.7s，上升速度較快且超調量小，電動機轉速的穩態精度得到了保證。

圖5 異步電動機轉速實驗波形

該技術在大慶油田某廠區抽油機井進行了試運行，結果表明，SVPWM和SHEPWM混合調制技術應用前后抽油機功率因數分別為0.347 6、0.637 3，百米噸液有功耗電量分別為1.87、1.25kW·h/(102m·t)，有功節電率為33.16%，有效降低了電氣能耗。

5 結束語

筆者對抽油機變頻調速節能技術進行了介紹，在三電平SVPWM和SHEPWM技術的基礎上研究了兩者的混合調制逆變技術，并將該技術應用于抽油機用異步電動機的驅動系統中。實驗結果表明，該技術有助于降低抽油機用異步電動機的百米噸液有功耗電量，提高功率因數，降低輸出電壓畸變率，同時電動機的平穩啟動和轉速穩態精度也得到了有力保證。同時，該混合PWM技術也可以廣泛應用于其他工業領域的驅動系統中。

[1] 耿向忠.淺談油田抽油機的節能方式[J].化工機械,2012,39(1):110～112.

[2] 王艷春.一種基于DSP的抽油機智能變頻控制系統的設計[J].化工自動化及儀表,2011,38(1):89～92.

[3] 徐向前.游梁式抽油機采油系統矢量控制節能方法研究[D].西安:長安大學,2013.

[4] 杜永軍,于嘉驥.抽油機游梁平衡自動調節系統的設計[J].化工機械,2017,44(1):52～53.

[5] 蘇憲龍,李山,苗亮亮,等.變頻調速在油田抽油機控制系統中的應用[J].現代電子技術,2008,31(11):123～126.

[6] 張永昌,趙爭鳴,張穎超,等.三電平變頻調速系統SVPWM和SHEPWM混合調制方法的研究[J].中國電機工程學報,2007, 27(16):72～77.

[7] 張志剛,黃守道,胡存剛,等.三電平SHEPWM與SVPWM混合控制策略及其矢量平滑切換方法的研究[J].電工技術學報,2015, 30(14):342～349.

StudyonTechnologiesforPumpingUnitHybridPWMVariableFrequencyControlandEnergyConservation

CAO Xue1, FU Guang-jie1, ZHAO Zi-ming2, LIN Yu-qing3,QIAO Yong-na1

(1.CollegeofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity;2.StateGridHegangElectricPowerSupplyCompany; 3.ShanghaiSEARIMarineElectricalDivision)

The tri-level SVPWM and SHEPWM modulation technologies were introduced and considering their advantages, a hybrid PWM frequency control technology was proposed and verified on a test platform for three-phase asynchronous motor. The results show that, the hybrid PWM frequency control technology can reduce energy consumption effectively and enable motor start smoothly and enhance speed’s steady accuracy simultaneously.

hybrid modulation technology, pumping unit, SVPWM technology, SHEPWM technology, energy conservation

國家自然科學基金項目(51474069)。

曹雪(1984-)，講師，從事電力電子與電力傳動的研究。

聯系人付光杰(1962-)，教授，從事電力傳動自動化系統和電力電子器件應用與控制技術的研究，fgjmhw@163.com。

TH865；TE933

B

1000-3932(2017)10-0921-04

2017-06-07，

2017-09-04)