一种抽油机直流配电系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种抽油机直流配电系统，包括高压交流母线、变压器、低压交流母线、抽油机，还包括双向换流单元、直流母线和多个直流电机，其中，多个直流电机并联至直流母线上，驱动与其匹配的抽油机工作，分为上升状态和下降状态；当多个直流电机处于上升状态需要电能时，双向换流单元将来自低压交流母线的交流电转换为直流电，传输至直流母线为多个直流电机供电；当多个直流电机处于下降状态倒发电时，双向换流单元将倒发电所产生的电能逆变并反馈至所述低压交流母线。本实用新型专利技术采用直流电机替代了交流电机，转矩大、易调整；采用滤波单元进行滤波，提高直流母线稳定性；采用储能单元存储倒发电所产生的电能，提高了电能使用率。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种配电系统，特别涉及一种抽油机直流配电系统，属于配电网自动化

技术介绍
目前，抽油机是目前采油生产中的主要设备，它由电动机、减速箱和四连杆机构(包括曲柄、连杆和游梁)等组成，数量达10万台以上。我国的油田多为低产油井，抽油机用电量约占油田总用电量的40％，运行效率较低，电能浪费大，所以亟需对抽油机系统进行节能改造。抽油机是位能性负载，在下冲程时，电动机会出现转子转速大于电机的同步转速，使电动机变为发电机状态，这种状态也被称为倒发电状态。在倒发电状态时产生的电能，现有技术中，倒发电的电能处理方法有三种：一是采用能耗制动的方法，将倒发电的能量用电阻消耗掉，这种方式成本相对较低，但浪费电能；二是回馈方式，通过回馈单元或四象限变频器的可控整流桥将电能回馈电网，这种方式成本很高，对电网的谐波影响也更严重，不适合推广应用；三是采用共直流母线方式，将能量传递给其它负载使用，这种方式成本低，也节能，但在大多场合使用有局限性。现有的一种基于最佳冲次辨识的抽油机智能控制系统中公开了抽油机智能控制系统由抽油机专用变频器、直流电抗器和智能控制卡组成的智能系统和旁路系统两部分。智能系统通过变频器的电流和电压检测回路检测电机的瞬时电压和瞬时电流，计算出电机的瞬时功率(含负功率)，以通讯方式将瞬时功率传送至智能控制卡。智能控制卡对瞬时功率作数据处理，得到抽油机的冲次电耗量。检测到抽油机 在不同冲次下的冲次电耗，通过基于产液量最大化的最佳冲次辨识数学模型计算出最佳冲次及对应的冲次电耗，完成对油井工况的自学习。智能控制卡控制变频器在最佳冲次对应的频率运行，实时检测的到冲次电耗的变化情况对抽油机进行闭环控制，跟踪井下的供液情况，实现供采平衡、增产增效、节能降耗。但是本方案采用专利变频器的成本会比较高，同时异步电动机由于经常处理功率因数较低的状态，也会引起电能浪费。由于直流电动机具有良好的起动、制动和调速性能；能快速起、制动，正、反转；能在十分宽广的范围内平滑而经济地调节速度。在对抽油机进行改造时，引起人们的重视。另一种组合式抽油机优化节能控制器包括直流母线、频率控制器以及转换器，在直流母线输入端设置有整流储能器，在该整流储能器输入端上并联连接有多个再生能量回馈器。当直流母线上电源过高于再生能量回馈器的电源而自动工作时，所述整流储能器把过剩的电能经过直流母线输给到频率控制器，频率控制器经转换器运输到抽油机；可避免现有技术中因直流母线电压过高时因变频器而造成的停机现象的发生。同时，因整流储能器把过剩的电能运输到抽油机，可以达到节能电能的效果。该方案由于变频设备的存在，使得母线的谐波增加，电机的寿命减少，同时设备的成本较高，增加了企业的成本。另外，电动机倒发电的能量虽然一定程度上得到了缓解，但是还存在继续改进的空间。
技术实现思路
本技术要解决的技术问题是：(1)采用直流电机替代交流电机驱动抽油机工作；(2)改善直流母线的电能质量；(3)将直流电机在下冲程工作时倒发电产生的电能合理使用。为实现上述的技术目的，本技术提供了一种抽油机直流配电系统，包括高压交流母线、变压器、低压交流母线、抽油机，所述变压器将所述高压交流母线的高压交流电转换成低压交流电，并传 输到所述低压交流母线，还包括双向换流单元、直流母线和多个直流电机，其中，所述多个直流电机并联至直流母线上，驱动与其匹配的抽油机工作，分为上升状态和下降状态；当所述多个直流电机处于上升状态需要电能时，所述双向换流单元将来自所述低压交流母线的交流电转换为直流电，传输至所述直流母线为所述多个直流电机供电；当所述多个直流电机处于下降状态倒发电时，所述双向换流单元将倒发电所产生的电能逆变成交流电，反馈至所述低压交流母线。较优地，所述双向换流单元为PWM整流器。较优地，所述抽油机直流配电系统还包括滤波单元，所述滤波单元与所述直流母线相连接，所述滤波单元的正极连接到正直流母线，所述滤波单元的负极连接至负直流母线。较优地，所述滤波单元为电容。较优地，所述抽油机直流配电系统还包括储能单元，所述储能单元与所述直流母线相连接，所述储能单元的正极连接到正直流母线，负极连接至负直流母线。较优地，所述储能单元为蓄电池组。较优地，所述储能单元为蓄电池组和电容器。较优地，所述电容器与所述蓄电池组在吸纳电能时的开关电压是连续的。与现有技术相比，本技术的具有以下有益效果：(1)采用易于调速的直流电机替代了交流电机，转矩大，提高效率；(2)采用滤波单元将倒发电所产生的电能进行滤波，提高直流母线稳定性；(3)采用储能单元存储倒发电所产生的电能，在直流电机需要时，然后进行释放，取代了常用的制动电阻消耗，提高了电能使用率；(4)采用直流母线可以提高传输距离，极大提高了传输效率。附图说明图1是现有技术中抽油机直流配电系统框图；图2是本技术提供的一种抽油机直流配电系统框图；图3是本技术实施例一中，用于直流电机的抽油机直流配电系统原理示意图；图4是本技术实施例二中，倒发电所产生的电能的流向示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本技术，但不用来限制本技术的范围。如图1所示，现有技术中的抽油机直流配电系统，包括：高压交流母线、变压器、低压交流母线、多个交流电机以及与之匹配的抽油机。由于油井的工况比较复杂，需要对交流电机进行调速，大多引入变频器进行调速，由于变频器不能贮存和释放倒发电的电能，会引起母线高压升高。为此，本技术提供的一种抽油机直流配电系统，如图2所示，包括高压交流母线、变压器、低压交流母线、双向换流单元、直流母线、多个直流电机以及相匹配的抽油机。变压器的输入端连接至高压交流母线，其输出端连接至低压交流母线。双向换流单元的输入端连接至低压交流母线，输出端连接至直流母线。多个直流电机并联到直流母线，并驱动同等数量的抽油机。抽油机直流配电系统的工作原理如下：变压器将来自高压交流母线的高压交流电转换为低压交流电，并传输至低压交流母线。双向换流单元采集低压交流母线的低压交流电进行整流，形成与直流电机的额定电压相同的直流电，传输至直流母线。并联在直流母线的多个直 流电机接通电源后即可运转，从而带动与其匹配的抽油机进行工作。抽油机在工作时，在直流电机的驱动下会做固定周期的上下往复运动，把井下的油送到地面。在一个周期内，随着抽油杆的上升与下降，直流电机会工作在电动/发电状态，即上升过程直流电机从直流母线吸收能量电动运行；在下降过程直流电机的负载性质为位势负载，加之井下的负压使得直流电机转子的转速大于同步转速，此时电动机处于发电状态，把机械能量转换成电能回馈到电网。但是，如果将产生的电能直接回馈到电网，会对直流母线的电能质量产生较大的影响，从而影响其他直流电机的正常工作。普通的整流器，不能将电能转换成交流电反馈至交流母线，进一步会增加直流母线的电压，损坏与直流母线相连的设备。因此，本技术采用双向换流单元，用来解决上述问题。当直流电机工作在电动状态时，该双向换流单元可将低压交流电转换成直流电，提供给直流电机。当工作在下降过程中直流电机数量多余工作在上升过程中直流电机的数量时，此时会引起直流母线电压升高，此本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抽油机直流配电系统，包括高压交流母线、变压器、低压交流母线、抽油机，所述变压器将所述高压交流母线的高压交流电转换成低压交流电，并传输到所述低压交流母线，其特征在于：还包括双向换流单元、直流母线和多个直流电机，其中，所述多个直流电机并联至直流母线上，驱动与其匹配的抽油机工作，分为上升状态和下降状态；当所述多个直流电机处于上升状态需要电能时，所述双向换流单元将来自所述低压交流母线的交流电转换为直流电，传输至所述直流母线为所述多个直流电机供电；当所述多个直流电机处于下降状态倒发电时，所述双向换流单元将倒发电所产生的电能逆变成交流电，反馈至所述低压交流母线。

【技术特征摘要】
1.一种抽油机直流配电系统，包括高压交流母线、变压器、低压交流母线、抽油机，所述变压器将所述高压交流母线的高压交流电转换成低压交流电，并传输到所述低压交流母线，其特征在于：还包括双向换流单元、直流母线和多个直流电机，其中，所述多个直流电机并联至直流母线上，驱动与其匹配的抽油机工作，分为上升状态和下降状态；当所述多个直流电机处于上升状态需要电能时，所述双向换流单元将来自所述低压交流母线的交流电转换为直流电，传输至所述直流母线为所述多个直流电机供电；当所述多个直流电机处于下降状态倒发电时，所述双向换流单元将倒发电所产生的电能逆变成交流电，反馈至所述低压交流母线。2.如权利要求1所述的抽油机直流配电系统，其特征在于，所述双向换流单元为PWM整流器。3.如权利要求1所述的抽油机直流配电系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：李君，李琼，李正茂，钱志红，杜红勇，时振堂，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司抚顺石油化工研究院，
类型：新型
国别省市：北京;11