油井群控四象限整流裝置負載魯棒性分析

劉沛津，張福堯，王鄭凱

（西安建筑科技大學，陜西 西安 710055）

石油石化產業是國民經濟發展的支柱性產業，在創造巨大利潤的同時，也帶來了巨大的能耗。油田注采系統能耗高、生產效率低的問題尤為突出，降低原油開采能耗已經成為石油開采技術、裝備研發與制造領域的挑戰性課題。課題組前期研發了可實現能量互饋節能的IGBT 四象限PWM 整流裝置，使直流母線上的倒發電被其他電機重復利用，但在現場運行中存在以下三點問題：（1）啟動瞬間偶爾存在直流側電壓過高現象；（2）油梁平衡度降低時，上下沖程電機周期性負荷峰谷差增大，整流裝置載荷波動加劇，導致其直流側電壓波動偶爾會超出允許范圍；（3）上沖程與下沖程轉換瞬間電壓波動較大。為解決以上問題，首先，需要明確直流側電壓隨著載荷波動的變化規律，即需要詳細并深入地分析油井載荷波動時，現場經典控制方式下，整流裝置的負載魯棒性。而通過建立實際系統模型并利用所建立的模型對系統進行實驗研究的手段，可以有效降低現場設備試驗風險與成本，是保證現場安全生產，為現場生產調度調控提供借鑒的重要途經。

基于此，本文建立四象限整流裝置控制模型，模擬不同油井工況的變化特性，分析載荷變化時整流裝置直流側電壓的變化規律，及載荷的變化范圍，為現場生產運行及后續整流裝置的改進與優化提供依據。

1 群控整流裝置數學模型

整流裝置的主電路拓撲結構如圖1 所示。圖中ia、ib、ic為交流側各相輸入電流，ea、eb、ec為電網電動勢，L 是濾波電感；R 為開關損耗電阻與電感電阻之和；idc為直流側電流；udc為直流電壓；iL為負載電流；RL為負載等效電阻；C 是直流母線濾波電容。由三相PWM 整流器的拓撲結構可以得到其三相靜止坐標系下的數學模型如式（1）。

圖1 三相電壓型整流器拓撲

式中，Sk(k=a,b,c)為單極性二值邏輯開關函數，1 代表上橋臂導通，下橋臂關斷，0 代表上橋臂關斷，下橋臂導通。將三相靜止坐標系下的數學模型轉換為旋轉坐標系下數學模型如式（2）所示。

根據瞬時有功、無功功率定義可得電網電壓定向d-q 坐標系下PWM 整流器輸入的有功功率和無功功率表達式如式（3）所示。

當P ＞0 時，抽油機從電網吸收能量，整流器工作在整流狀態；P ＜0 時，抽油機產生倒發電，整流器工作在逆變狀態，能量從負載端回饋電網。當電網電壓恒定時，調節d軸電流即可控制整流器輸入的有功功率，調節q 軸電流即可控制整流器輸人的無功功率，從而實現油井群控系統在不同載荷情況下穩定節能的工作。

2 群控整流裝置雙閉環控制策略

群控整流裝置控制策略如圖2 所示，電壓外環采用PI控制對輸出電壓進行調節，電流內環采用前饋解耦對輸入電流調節控制，外環電壓反饋的輸出信號作為內環電流輸入給定信號，通過外環電壓的變化調節改變內環電流輸入，從而實現實時跟蹤目標指令，達到整流的目的。

圖2 經典控制策略結構圖

電壓外環將采來的直流電壓和給定的直流電壓進行作差比較，將差值作為PI 控制的輸入信號，其簡化控制結構圖如圖3 所示。電流內環將采來的電流值經過一系列坐標變換后，得到dq 坐標系下的電流值，q 軸為無功電流，d 軸為有功電流，對dq 坐標系下的實際電壓電流值和PI 控制器的輸出值進行非線性解耦，得到解耦后的dq 電壓值，其簡化控制結構圖如圖4 所示。將得到的信號經坐標逆變換得到αβ坐標系下的電壓值，最后，進行SVPWM 調制輸出PWM 控制信號，控制主電路開關橋的通斷狀態，從而達到整流效果。

圖3 電壓外環簡化框圖

3 負載魯棒性分析

在油井群控系統中，增加或減少并聯運行抽油機數量導致油井共直流母線負載大范圍波動是系統實際運行中的典型工況。本文利用Matlab/Simulink 設計仿真實驗，在整流器和系統參數確定的情況下，通過調節載荷阻值來模擬油井復雜工況，仿真參數如表1 所示。

圖4 電流內環簡化框圖

表1 仿真參數

3.1 啟動瞬間工況分析

整流器啟動瞬間，直流側所帶負載不同會導致直流側瞬時電壓的不同，運行中要避免出現啟動電壓超出共直流母線耐受電壓的情況。仿真分析整流器啟動瞬間所帶不同負載，與直流側電壓的關系如圖5 所示。仿真關鍵參數如表2 所示。

圖5 不同阻值直流側啟動電壓

表2 啟動瞬間仿真關鍵參數

由圖5 分析可知，直流側的瞬時啟動電壓的大小在系統模型參數確定的情況下，與啟動時所帶負載阻值大小成正比，阻值越大，啟動電壓的超調量越大。共直流母線電壓不能超出其額定電壓的10%，在本文中不能超過660V，所以在現場實際操作時不能帶大負載啟動，但負載也不宜太小，避免產生過大的啟動電流。為保證現場的安全運行，選擇合適的啟動負載尤為重要。

3.2 負載單位時間內大范圍變化工況分析

實際工況下，油井負載不斷變化，本節模擬負載在單位時間內以不同速率進行變，并分析載荷達到極限時直流電壓的變化特征。仿真關鍵參數如表3 所示，在該仿真實驗中，在0.25s 之前在負載為10Ω 下工作，之后在0.5s 內由初始值達到最終值來模擬極差工況，研究負載變化快速變化條件下的直流電壓變化特性。仿真分析結果如圖6 ～9 所示。

圖6 負載連續變大直流側電壓

圖7 負載連續變小直流側電壓

圖8 負載連續變大交流側電壓電流

圖9 負載連續變小交流側電壓電流

表3 負載連續變化關鍵參數

由圖6 可得，當負載不斷增大時，直流端的電壓依舊可以穩定輸出，超調量會略微增大，在油井共直流母線的承受范圍內，當電阻為1000Ω 時，電流為0.6A 左右，電流值很小，相當于空載。由圖7 可知，隨著負載不斷減小，直流端的電壓在一定范圍內可以穩定輸出，當電阻為4Ω 時，此時電流、功率都較大，但存在電壓跌落現象，導致整流器不能在單位功率因數下運行，由上述分析可得，整流器穩定運行的負載極限為5Ω 左右。

結合實際油井工況和仿真結果分析可知，油井在減載時，負載不能過低，否則直流側電壓不穩定，將出現整流器運行功率因數低，線路中電流較大的情況。

3.3 負載突變及倒發電工況分析

實際工況下，要不斷改變電機的使用數量，本文以負載阻值的突變來模擬電機的投切。同時，抽油機在上沖程與下沖程過程中處于兩種不同的工作狀態，本文以電機倒發電來模擬下沖程的狀態。仿真分析負載突變工況下直流側電壓的變化，結果如圖10 所示。

圖10 負載突變直流側電壓變化

由圖10 可知，在0.2s 時，負載由30Ω 變為15Ω，電壓發生突變，變化為569V，經過0.12s 左右，系統能通過自身的PI 調節很快的達到參考電壓并保持穩定。

抽油機在上沖程與下沖程過程中處于兩種不同的工作狀態，本文以電機倒發電來模擬下沖程的狀態，倒發電所產生的電壓為700V，仿真結果如圖11、12 所示。

圖11 倒發電直流側電壓

圖12 倒發電交流側電壓電流

由圖可知，在0.2s 時電機倒發電，電壓為700V，此時，電壓突變為645V，經過0.15s 直流側電壓恢復穩定，該整流器直流側電壓能夠迅速恢復穩定，倒發電時，響應速度快，可以迅速應對油井實際工況中的負載變化，交流側電壓電流相位相反，能量由直流側回饋到電網，從而實現節能。

4 結語

為解決IGFBT 四象限PWM 整流裝置在現場油井群控系統運行中存在的負載波動導致的直流側電壓穩定性問題，本文結合油井生產運行中的工況特點，建立了整流裝置的控制模型，分析了啟動工況、載荷大范圍變化工況及載荷突變及倒發電工況下，整流裝置直流側電壓的變化規律，以低成本高效的方法獲得相應理論結果。該研究為現場生產運行及后續整流裝置的改進與優化提供理論支撐，為油井群控系統整流裝置的安全、可靠控制及應用提供借鑒。