基于功率补偿的电动修井机控制系统*

2013-06-01王树龙

机电工程技术 2013年9期

徐刚，王树龙，韩菊，顾芳，刘峥

（1.渤海石油装备制造有限公司，天津 300457）；2.渤海石油职业技术学院，河北任丘 062552）

0 引言

修井机是油田修井作业的主要设备，用于对发生故障或损坏的油管、抽油杆、抽油泵等井下采油设备和工具起下作业，大部分以柴油机作为原动力。与电机相比，柴油机驱修井机整机效率低、功率利用率低。柴油机的工作原理是将柴油在汽缸中燃烧产生的热能转变成活塞的机械运动，在能量转化过程中能量转化效率较低。另外在修井作业中，需要有被吊物的装卸时间。修井机提升和下放作业时间与人工装卸时间之比大约是1∶2，意味着柴油机将有66%左右时间处于空载运行状态[1]，柴油机功率利用率低。

随着环保和节能减排要求的不断提高，出现了以交流变频技术为基础的电动修井机，实现修井机原动力“油改电”。电动修井机的电源解决方案大体为两种：（1）在井场电源高压端接大容量变压器。此种方法每次作业都需专业高压电工重新连接，且需高压端断电连接，限制了产品的使用范围；（2）由井场供电变压器供电。多数情况下，总供电容量往往小于修井机总负荷容量，属于小电网供电。受井场变压器容量限制，配备电机功率较小，影响了作业时效，增加了修井机的作业时间，无法大规模推广使用。

修井机原动力的“油改电”是实现修井机节能减排的一条重要途径，若推广应用电动修井机，需要解决修井机的作业时效问题，为此提出了一种基于电容功率补偿的电动修井机控制系统的解决方案。

1 工作原理

修井机作业提升过程包括以下步骤：提升——悬停——卸扣——排放油管——摘掉卡——挂吊卡。每个步骤的耗费功率不同，见图1。最大功率需求主要出现在油管提升工况，而一个完整的提升过程，提升时间只占整个作业周期的1/4～1/3，其余时间负荷小。修井机绞车配置功率以提升油管的功率为设计点，一般为150 kW，但整个周期的平均功率为50 kW。

图1 修井作业提升过程

根据修井机的工作特点，在井场变压器容量较小的情况下，提升阶段利用功率补偿技术实现油管提升功率输入倍增，满足作业时效的要求，同时在其他阶段由井场电网为功率补偿装置快速储能，充分利用井场电网能量，实现电能持续均衡输入。

电动修井机控制系统重点解决以下两个问题：一是为了提高作业时效，配置高功率密度补偿装置，并具有在线快速充放电、智能诊断的功能；二是井场电网和功率补偿装置共同为修井机供电时，针对井场配置的不同容量变压器，控制系统能自动负载分配控制，最大限度应用井场电网电能。

2 控制系统设计方案

2.1 整体方案

修井机控制系统包括井场电网供电系统（井场变压器、PWM 整流器）、电容功率补偿系统（超级电容器、双向直流变换器（DC/DC））、调速系统（逆变器、变频调速电机）、总线控制系统（主控制器及DP总线网络）、其他用电设备（液压站电机、空压机、照明等），控制系统结构见图2（不包括其他用电设备）。

修井机修井作业时，由井场电网供电系统、电容功率补偿系统构成的电-电混合系统为整个系统供电。根据井场电网变压器容量的大小及修井作业负荷，合理分配井场电网、电容功率补偿系统的功率输出，保证修井作业时效。同时在修井作业排放油管的轻负荷的时间段内，由井场电网快速为电容功率补偿系统充电，为下一个提升作业周期储备能量。

控制系统采用DP总线的网络结构，主控制器为主站，PWM整流器、逆变器、双向直流变换器通过DP 总线接口连接到DP 网络上，构成了一个完整的数字平台，在操作台完成修井机的参数设置和监控，可实现操作提示、安全报警和故障诊断等功能。

图2 修井机控制系统结构图

2.2 控制系统关键设备

电动修井机控制系统关键设备包括PWM整流器、逆变器和双向直流变换器。

2.2.1 PWM整流器、逆变器

PWM 整流器和逆变器采用同一的硬件结构，只是控制软件不同，便于现场维护，减小备件、备板的投入，如图3所示。

图3 PWM整流器、逆变器硬件结构

PWM整流器将井场变压器提供的交流电转化为直流电，为逆变器提供直流电源。采用双闭环控制结构，其外环为直流母线电压环，内环为电流环，通过对电源电压的相位检测和坐标变换以及PI调节器的调节作用实现对电网输入电流的有功分量和无功分量的独立控制，可实现单位功率因数和正弦波电流控制[2]。

逆变器驱动电机运转，实现电动机的恒转矩、恒功率控制。控制上采用双闭环控制结构，其外环为速度环，内环为电流环，通过检测电动机的定子电流，并经过坐标变换得到同步旋转坐标系上的电动机定子电流的转矩分量和励磁分量，然后再经过电流调节器的调节作用、两相同步旋转坐标到两相静止坐标的变换以及PWM脉冲调制控制，实现了对电动机的快速、精确调速控制[2]。

2.2.2 双向直流变换器

双向直流变换器为双向工作制，能够实现电容功率补偿系统到直流母线、直流母线到电容功率补偿系统的能量双向流动，完成修井提升作业的功率补偿，并快速为电容功率补偿系统补充能量。

变换器采用交错并联双向Buck-Boost 拓扑结构，见图4。采用两重回路并联方式可以减小流过单个开关管的电流等级，满足功率需求；错相控制可以有效的减小等效电感值和输出电流波纹[3]。

V1 侧为电容补偿装置侧，V2 侧为PWM 整流器的直流母线侧。正常工作时，V2 电压高于V1电压，有利于提高超级电容器的利用率，在满足正常运行所需的条件下尽量减小超级电容器的数量，提高储能的经济性。补偿装置储能时，由井场电网为电容功率补偿装置快速充电，能量从V2侧流向V1 侧，变换器工作在Buck 变换器模式。修井作业提升阶段功率补偿时，电容功率补偿装置放电，能量从V1 侧流向V2 侧，变换器工作在Boost变换器模式。

正常工作时，这种拓扑结构能够满足使用要求，但在实际使用中发现，如母线侧电压V2低于V1电压，即使不进行充放电的控制，也会导致上桥臂直通。为此在上桥臂串联一反向的功率管，通过与下桥臂功率管的互补控制，保证即使母线侧电压V2 低于V1 电压，上桥臂也不会直通，保证设备安全。

图4 双向直流变换器拓扑结构图

2.3 不同工作作模式的功率分配控制策略

井场变压器有不同的容量等级，一般是从50 kVA～160 kVA，同时修井机等级多样及修井做业的不同阶段所需的功率也不同，因此要对由井场电网供电系统、电容功率补偿系统构成的电-电混合系统进行功率分配控制，充分均衡的应用井场电能，减少电压波动，提高功率因数。

根据修井机的工作特点，由井场电网供电系统、电容功率补偿系统构成的电-电混合系统工作在以下四个工作模式，如图5所示。

（1）电网单独供电：当修井机负载功率变化平稳，低于井场变压器容量时，电-电混合系统中只有井场电网供电系统供电，PWM整流器按照恒压控制模式运行，将380 V 三相交流电转换为稳定的直流电压，作为一个可控的直流电压源为系统提供能量。并根据电容功率补偿系统的储能状态，为补偿装置补充能量。

（2）混合供电，功率补偿：当修井机负载功率负载功率高于井场变压器容量或功率波动较大时，PWM整流器按照恒流控制模式运行，即为直流母线提供恒定的直流电流，恒定电流为井场变压器提供的最大电流，其余由电容功率补偿系统提供，进行瞬时功率平衡控制，准确快速地补偿系统所需的有功和无功，保证修井作业的时效。

图5 修井机不同工作作模式的功率分配

（3）电容功率补偿系统快速储能：当修井机轻负荷作业时，利用井场电网供电系统的PWM整流器的恒压、恒流控制模式，可以实现电容功率补偿系统的快速充电，快速储能，为下一个提升作业周期储备能量。

（4）回馈电网：修井作业下放油管时，电动机处于再生发电制动的状态下，PWM整流器可与逆变器一起组成四象限变频器，满足位势负载的调速要求，并将负载的势能转化成电能回馈到电容功率补偿系统和电网，达到节能目的。

2.4 基于Profibus-DP总线的修井机控制系统数字化平台

Profibus 是一种国际化、开放式现场总线标准。该标准可以实现数据在各类自动化元件之间互相交换，广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇和交通电力等其他领域自动化。

修井机的电控系统为模块化设计，由各个独立的电气模块单元组成，各模块单元通过DP现场总线进行数据通讯，实现一体化修井机控制系统数字化平台。

图6 为基于Profibus-DP 总线的修井机控制系统数字化平台结构图，为分布式I/O 系统，其中，主控制器是修井机控制系统的控制中心，用于实现整个电控系统的安全、协调、最优运行。主控制器采用西门子S7-300 PLC，Profibus-DP通讯协议，PWM 整流器、逆变器、双向直流变换器为DP总线的从站。