超级电容储能模块在游梁式抽油机中的研究与应用
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摘 要：抽油机带动抽油杆上下往复运动，属于典型的位能型负载，电动机会周期性的进入倒发电状态，如果倒发电功率较大，电能被反馈回电网，引起末端电网电压波动，造成谐波污染，所以必须对倒发电能量进行处理。文章通过对超级电容储能技术的研究，实现了对抽油机馈能的回收再利用，同时提高了系统功率因数，降低线损，优化供配电网络容量配置。
关键词：抽油机馈能;超级电容;变频器;双向DC/DC单元
中图分类号：TE933 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）26-0180-02
Abstract： The pumping unit drives the sucker rod up and down reciprocating motion， which belongs to the typical potential-type load. If the reverse power generation power is large， the electric energy will be fed back to the grid， causing voltage fluctuation of the terminal grid and causing harmonic pollution. Therefore， the reverse power generation energy must be processed. In this paper， through the study of supercapacitor energy storage technology， the recovery and reuse of the fed energy of the pumping unit are realized， the system power factor is improved， the line loss is reduced， and the capacity configuration of the power supply and distribution network is optimized.
Keywords： pumping unit feeds energy; supercapacitor; transducer; bidirectional DC/DC unit
随着油田的不断开发，近年来，我国大部分油田已进入开发中后期，油井供液量不足，而且受作业影响较大。根据节能及生产要求，变频器被广泛应用于抽油机驱动。由于抽油机周期性的进入倒发电状态，倒发电能量被注入到直流侧，导致直流侧电压升高，为防止电压过高造成器件损坏，必须对倒发电能量进行处理。为解决该问题，现有的处理方式主要有三种：回馈电网、就地消耗、储存。使用四象限整流器将倒发电能量回馈电网，会造成电网末端电压波动，对电网造成冲击。就地消耗大部分以电阻发热形式进行，造成能量浪费。电能储存就是将抽油机倒发电能量储存起来，当抽油机进入电动状态时再利用，是最有可能实现节能与安全兼顾的方法。
1 变频储能技术原理
变频调速技术实现了电动机的软启动，对电网无冲击，电动机基波功率因数可由0.25～0.50提高到0.90以上，降低变压器及线路损耗。利用变频器可实现实时、无极调速，不需停产即可根据油井的实际供液能力，动态调整冲次，减少空抽，节能效果明显。
储能技术就是采用超级电容将倒发电能量储存起来，当抽油机负载较重时再利用。变频储能主电路如图1所示，双向DC/DC单元输入端连接到变频器直流母线，输出端连接到超级电容器单元。由于双向DC/DC单元及超级电容器均有电流限制，因此变频器通电后，双向DC/DC单元首先对超级电容充电到设定值，当抽油机进入倒发电状态时才能提供足够的充电功率。抽油机运行过程中，双向DC/DC单元根据直流母线电压控制电能在超级电容器与变频器直流母线间双向流动。抽油机进入倒发电状态时，直流母线电压升高到设定值时，双向DC/DC单元向超级电容充电，并根据倒发电程度自动调节充电电流，稳定直流母线电压。当抽油机进入电动状态后，电流母线电压下降到设定值时，双向DC/DC单元按照设定电流向直流母线放电，当超级电容电压下降到设定值时停止放电。利用变频自带的制动单元，外接制动电阻用于吸收偶然出现的尖峰倒发电功率。
2 超级电容器单元选型设计
通过研究抽油机负载特性、超级电容器的充放电原理及特性、影响超级电容器储能的主要因素等，确定适应于抽油机负荷特点的超级电容器储能模块的组成方式、容量配置。超级电容器配置时主要考虑2个方面的因素：储存能量和充放电功率。
抽油机运行过程中功率曲线如图2所示，抽油机周期性的交替进入倒发电状态和电动状态。设计前期对大量油井进行了测试，图2曲线是所测油井工频运行每分钟6冲次，倒发电功率大，虽然持续时间短，但是每次倒发电能量与其它倒发电比较剧烈的井基本相当，因此按照该井设计超级电容器单元。
抽油机周期性的交替进入倒发电状态和电动状态，超级电容只要能满足抽油机一个冲次过程中出现的倒发能量最大的一次即可，不需要考虑倒发电能量积累。如图2所示，每次倒发电过程持续时间为2S，持续时间内倒发电平均功率8kW，则超级电容器需要储存的能量：
由于超级电容器要及时吸收抽油机倒发电能量，所以超级电容器除了要能够储存足够的能量外，还需要承受足够大的充电功率。充电功率与充电电流和超级电容器电压有关。
選择额定电流40A的双向DC/DC单元对超级电容充电，超级电容器工作电流同样选择40A。由图2可知，峰值倒发电功率达到16kW，但持续时间非常短，而且该井是所测油井中倒发电功率最大的井，如果按照峰值功率设计，会增加成本、设备容量浪费严重，而且设计了制动电阻，对于极短时间的峰值功率造成的直流母线电压过高由制动电阻吸收，因此最大充电功率按照峰值功率的一半即8kW设计即可满足实际需求。按照以上参数计算充电起始电压为200V，选择3组90V超级电容器组串联，额定电压270V，按照充电到260V计算储能量： 最终选择额定电压90V，额定电流40A，电容量为10F的超级电容器组，3组串联组成超级电容单元。
3 控制单元设计
控制单元以PLC为核心，如图3所示，完成人机交互、故障检测、自动控制等功能。PLC外接触摸屏、开关、按钮、继电接触控制电路，完成控制柜的基本功能。电参数表检测电网参数，PLC根据电网电压调整双向DC/DC单元向超级电容器充电的直流母线起始电压和结束电压，避免由于电网电压偏高造成持续对超级电容充电。PLC根据油井倒发电过程中直流母线电压、双向DC/DC单元电流、超级电容器最高电压等参数，自动调整超级电容放电截止电压。例如双向DC/DC单元达到额定电流但直流母线电压高于目标电压，而超级电容最高电压又低于额定电压，则表示抽油机倒发电功率偏大，但是倒发电持续时间短、能量少，则自动调整双向DC/DC单元参数，增大超级电容放电截止电压。PLC还检测超级电容故障、变频器故障、双向DC/DC单元、电网异常等，自动执行故障处理及记录。
4 实施效果分析
经过研究、设计、组装、室内实验后，安装到现场运行，经过现场检测，设备运行稳定可靠，平均功率因数0.9以上，满足现场实际生产需要。通过对油井抽油机功率损耗、节约线损和变压器容量费的计算，单井年节约资金在1.6万元左右，同时减少油井空抽运行时间，改善了油井工况，延长油井检泵周期。
5 结束语
解决游梁式抽油机的各种问题，提高整体的系统效率是一个重大问题。油田采取了各种措施提高效率，降低能耗，变频技术应用最成功、最广泛，但也存在一些问题，本项目在变频的基础上融入了超级电容储能技术进一步提高系统效率。针对抽油机由于不平衡馈能而造成的电机再生倒发电问题，通过超级电容储能，对能量回收再利用，最终达到提高抽油机电机的功率因数，节能降耗，降低生产成本的目的。而且整流单元可控制直流侧电压，当电网电压异常升高时，可控制直流电压保证设备安全，不影响生产。
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