抽油机井直流电源切换技术建模仿真

中国石化抚顺石油化工研究院 杜红勇

胜利油田管理局高级人才培训中心 牟 蕾

中国石化抚顺石油化工研究院 时振堂

中国石化胜利油田河口采油厂 秦延才 刘 鹏

抽油机井直流电源切换技术建模仿真

中国石化抚顺石油化工研究院 杜红勇

胜利油田管理局高级人才培训中心 牟 蕾

中国石化抚顺石油化工研究院 时振堂

中国石化胜利油田河口采油厂 秦延才 刘 鹏

介绍了抽油机井群共直流母线供电技术的特点和抽油机井双直流电源切换技术的原理，在Simulink环境下搭建了抽油机井动态仿真模型和直流电源切换模型，仿真分析了故障后直流母线电压的跌落过程以及变频器滤波电容对直流母线电压的影响，对抽油机井动态模拟及直流电源切换过程的分析具有很大的帮助，可为抽油机井供电系统的暂态分析和直流电源快速切换装置的研究提供参考。

抽油机 直流电源 快速切换 建模仿真

0 引言

抽油机井群共直流母线供电通常是由一套整流滤波装置为多口抽油机井提供公用直流电源的系统。直流电经逆变后驱动电机旋转，实现抽油机井群共直流母线的群控，在此系统中整流器可认为是直流电源，共直流母线的群控方式具有较好的节能效果和减少设备容量、节约设备费用的作用[1，2]。

在共直流母线供电系统中整流器的可靠性直接影响了系统供电的可靠性，为了减少因整流器故障或线路检修造成的抽油机停机，可考虑采用双直流电源供电模式，利用快速直流切换装置实现不同直流母线供电系统之间的快速切换，减少停机率，提高系统的供电可靠性。为此，在MATLAB/Simulink环境下搭建了抽油机井动态仿真模型及抽油机井群共直流母线供电系统模型，分析了故障时直流母线电压的变化情况，为抽油机井群直流电源快速切换装置的设计、开发提供参考。

1 抽油机井群直流电源快速切换原理

抽油机井群共直流电源切换原理示意图如图1所示。该系统中包含两套抽油机井共直流母线系统，每套系统均由一台变压器、一台整流滤波装置、若干逆变器、若干抽油机井和电压检测单元等组成。每口抽油机井的拖动电机均由单独逆变器控制，根据工艺需要可实现单井转速的调节。图中两套直流母线之间由直流接触器KM或其他电子开关连接，具有快速自动开/合的功能，也可进行手动操作。系统中逆止二极管具有隔离故障电压的作用。

如图1所示，电压检测单元实时监测整流器直流侧母线电压，直流接触器KM或电子开关保持常开，当某一侧整流器或线路发生故障时，其直流母线电压下降，当下降到正常工作电压的90%时，PLC控制模块控制KM闭合，故障侧油井负荷全部转移到另外一侧的直流母线上，实现两套共直流母线系统的合环运行，避免故障引起抽油机井群停机，当故障排除，电压恢复正常时KM可自动断开。另外，在设备或线路检修时也可由人工操作，将一侧直流母线上的油井负荷转移到另一侧，减少停机率[3]。

图1 抽油机井群直流电源切换系统示意图

图2 抽油机井不控整流PWM变频器示意图

2 抽油机井群共直流母线系统仿真模型

2.1 抽油机井PWM控制模型

PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）控制技术是利用电力电子开关器件的导通和关断作用把输入直流电变成输出脉冲列，并通过控制脉冲宽度或周期来达到变压、变流或变频的目的。PWM控制技术在逆变电路中应用广泛，目前抽油机井应用的逆变电路大部分是PWM型。

图3 抽油机井群共直流母线电源切换系统仿真模型

抽油机井群共直流母线系统主要是由二极管不控整流器和多台PWM逆变单元组成，实现多口抽油机井的共直流母线供电，其结构示意图如图2所示[4]。

2.2 抽油机双直流电源系统仿真模型

在Simulink中搭建的抽油机井群共直流母线电源切换系统仿真模型如图3所示。

图3中有AC1和AC2两套380V三相交流电源，经整流后分别为多口抽油机井提供直流电。仿真模型中以四口抽油机井为例，其中抽油机1和2共用整流器1直流侧母线，抽油机3和4共用整流器2直流侧母线。整流器1和2的直流母线之间由开关KM连接，其开关状态设置为常开，开关动作指令由失压判断模块控制，当失压判断模块监测到直流母线电压下降到正常工作电压的90%时，即发出合闸指令。图示的连接方式为假定整流器1发生故障，故失压判断模块监测对象为整流器1的直流侧电压。

图中抽油机子模块仿真模型如图4所示，包含PWM逆变器、滤波电容和三相异步电机等模块，电机转速和频率由PWM模块控制。模型中以37kW Y250M-8型三相异步电动机为例，电机负载转矩根据抽油机井结构尺寸、示功图等参数由MATLAB m函数计算得到，并通过Simulink调用，实现抽油机井的动态模拟。仿真模型中通过对抽油机负载转矩的延时输入，可避免多口抽油机井同时带载启动。仿真模型中设置的抽油机井冲次为5次/分钟，电机输入转矩在-20N·m～110N·m之间波动[5，6，7]，由m函数计算得到的抽油机电机负载转矩曲线如图5所示。

图4 抽油机子模块仿真模型

图5 电机负载转矩曲线

2.3 PWM控制抽油机井启动过程仿真

在如图3所示的抽油井群共直流母线仿真模型中，抽油机井拖动电机空载启动时转矩特性曲线如图6(a)所示，带抽油机负载启动时转矩特性曲线如图6(b)所示。其中图6(b)为连续两个抽油机冲程下的电机转矩曲线。通过仿真对比可知，在二极管不控整流PWM变频控制系统中抽油机井拖动电机空载启动的时间约为0.4s，带抽油机负载启动的时间约为0.6s。电机仿真转矩曲线与输入转矩基本一致，但受PWM调制影响，电机定子和转子磁链的脉动会引起电动机转矩的脉动，相比输入转矩会略有波动。

图6 抽油机电机启动仿真曲线

2.4 直流电源切换过程仿真

仿真参数设定：在图3所示的仿真模型中，假定在1s时，整流器1或线路出现故障，断路器1跳闸，整流器1直流侧母线电压下降，当下降到正常运行值的90%时（约486V），电源切换系统工作，开关KM闭合，整流器1所带的抽油机负荷将全部转移到整流器2中的直流母线上。另外，考虑到滤波电容对直流母线电压有一定的支撑作用，仿真模型中设置了3组不同的电容值以考察其对直流母线电压的影响。三组不同的电容值分别设定为100μF、1000μF和10000μF。

直流电源切换过程中直流母线电压的跌落情况、直流电源的切换时间以及电容对直流母线电压的影响如图7所示。由图7可以看出，滤波电容对直流母线电压具有一定的支撑作用，电容设置为100μF和1000μF时，直流母线电压跌落到486V的时间差异并不明显，约为10ms，恢复正常值的时间约为31ms；而电容为10000μF时，电压跌落到486V的时间为34ms，恢复正常值的时间为55ms，可见电容配置越大对直流母线电压支撑的作用越大。在进行抽油机井群直流母线电源切换装置开发时需对判断系统、执行机构等环节进行合理的选型或设计，以满足快速切换的要求。另外，也可以通过适当的增加电容的配置来延长电压跌落时间。

3 结束语

利用MATLAB/Simulink对抽油机井进行了动态模拟，并搭建了抽油机井群共直流母线仿真模型，对直流电源的切换过程进行了仿真，分析了直流母线电压跌落过程及电容对电压的影响规律。仿真参数可在线修改，实现不同工况条件下的结果分析，方便直观。该方法对抽油机井动态建模仿真及直流电源切换过程分析具有很大的指导作用，可很好的用于抽油机动态模拟及直流电源快速切换开关的设计开发。

[1]张超.基于直流母线供电的抽油机群控系统研究[D].北京:北京交通大学,2010.

[2]焦裕玺,卢正通,肖志勇,等.基于共直流母线的多油井变频群控系统节能分析[J].石油石化节能,2015,5(3):6-8.

[3]赵应春,廖立平,蒋小红.直流双电源智能无缝切换装置[J].电工技术,2012(2):64-66.

[4]顾春雷,陈中.电力拖动自动控制系统与MATLAB仿真[M].北京:清华大学出版社,2014:166-167.

[5]任涛.抽油机系统优化设计分析与MATLAB应用[M].北京:石油工业出版社,2015:102-103.

[6]肖宁,双凯,王德国,等.MATLAB/Simulink在抽油机动力学分析中的应用[J].科学技术与工程,2009,9(2):405-408.

[7]黄安贻,李海亮.游梁式抽油机工作系统计算机仿真分析[J].西南石油大学学报(自然科学版),2010,32(3):167-171.

Modeling and Simulation of DC Power Supply Switching Technology in Beam Pumping Unit

Du Hong-yong1Mou Lei2Shi Zhen-tang1Qin Yan-cai3Liu Peng3
（1.SINOPEC Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals，Liaoning，Fushun，113001；2.Advanced Training Centre of Shengli Oilfield，Shandong，Dongying，257001；3.Hekou Oil Production Plant of Shengli Oilfield，Shandong，Dongying，257001）

Introduced the features of pumping wells group DC power supply technology and the switching technology principle of double DC power supply.Builded the dynamic simulation model and the DC power supply switching model of pumping wells group used Simulink.Simulated the process of DC bus voltage drop and the effect of converter filter capacitor on DC bus voltage after fault.The operating conditions can be arbitrarily change，the whole process convenient and intuitive，it’s helpful for dynamic simulation of pumping wells and the analysis of DC power supply switching process. The method could provide a reference for the transient analysis of pumping wells power system and the study of DC power fast switching device.

beam pumping unit；DC power supply；fast switching；simulation mode

杜红勇（1979-），男，硕士，高级工程师，研究领域为电力系统节能及自动化。