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抽油机动态无功补偿节能装置和方法

阅读：636发布：2020-10-09

专利汇可以提供抽油机动态无功补偿节能装置和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种抽油机动态无功补偿节能装置，包括数据采集控制单元、电压采集单元、电流采集单元、整流单元、逆变单元，电网电压通过滤波电路与整流单元的输入端连接，整流单元的输出端与逆变单元的输入端连接，逆变单元的输出端与抽油机电机的电源端连接，整流单元、逆变单元的信号控制端分别与数据采集控制单元的驱动信号输出端连接；还设置有电压采集单元和电流采集单元，各电流、电压采集单元的信号输出端与数据采集控制单元的信号输入端连接，所述的数据采集控制单元中还设置有电压过零信号检测系统。本发明可补偿冲击性负载的无功功率，平衡三相有功电流，能够使抽油机持续不断地抽油，又能使抽油机根据油量而间歇性运行或降频运行，自动动态调整抽取速度，提高了功率因数，降低电能损失。，下面是抽油机动态无功补偿节能装置和方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种抽油机动态无功补偿节能装置，其特征在于：包括数据采集控制单元、电压采集单元、电流采集单元、整流单元、逆变单元，电网电压通过滤波电路与整流单元的输入端连接，整流单元的输出端与逆变单元的输入端连接，逆变单元的输出端与抽油机电机的电源端连接，整流单元、逆变单元的信号控制端分别与数据采集控制单元的驱动信号输出端连接；所述的电网电压的输出端设置有电网电压采集单元和电网电流采集单元，所述的逆变单元的输入端设置有逆变电压采集单元和逆变电流采集单元，所述的抽油机的电机的电源端设置有电机电流采集单元，所述的电网电流采集单元、逆变电流采集单元、电机电流采集单元和电网电压采集单元、逆变电压采集单元的信号输出端与数据采集控制单元的信号输入端连接，所述的数据采集控制单元中还设置有电压过零信号检测系统；
逆变单元的输入端之间连接有电容，逆变单元的输入端之间还连接有能耗制动电路，包括制动电阻和IGBT，逆变单元的输入端的第一端连接制动电阻，制动电阻的另一端连接IGBT的集电极，IGBT的发射极连接逆变单元的输入端的第二端，IGBT的发射极和集电极两端并联有续流二极管，IGBT的栅极与数据采集控制单元的驱动信号输出端连接；
所述的整流单元的直流输出端之间连接有串联的两个电容，两个电容的两端均并联有电阻，所述的整流单元的直流输出端连接有直流母线充电电路；所述的直流母线充电电路包括变压器、第一至第四二极管，第一二极管和第二二极管串联组成的支路与第三二极管和第四二极管串联组成的支路并联，变压器的输入端与电网电压连接，变压器的第一输出端连接第一二极管的正极，变压器的第二输出端连接第四二极管的负极，第一二极管的负极和第三二极管的负极连接直流输出端的第一端，第三二极管的负极和第四二极管的正极连接直流输出端的第二端。
2.根据权利要求1所述的抽油机动态无功补偿节能装置，其特征在于：所述的整流单元采用六个电力电子器件IGBT构成三相整流桥，其中每个IGBT的两端并联有续流二极管；
所述的逆变单元采用六个电力电子器件IGBT构成三相逆变桥，其中每个IGBT的两端并联有续流二极管。
3.根据权利要求2所述的抽油机动态无功补偿节能装置，其特征在于：所述的数据采集控制单元的通信端与后台监测装置连接。
4.根据权利要求1所述的抽油机动态无功补偿节能装置的无功补偿方法，其特征在于：电压过零信号检测系统在每一个电网过零信号到来时向数据采集控制单元和脉宽调制信号生成器发送过零中断信号和过零逻辑信号，当数据采集控制单元响应过零中断请求后，数据采集控制单元进入中断服务程序，在该中断服务程序中数据采集控制单元首先判断信号的正误，然后启动每个工频周期的第一点采样，每个工频周期进行12次采样和计算；电压电流数据采集系统对数据进行计算处理后送至数据采集控制单元，数据采集控制单元根据采样到的信号进行分析出需要补偿的谐波和无功电流分量，然后数据采集控制单元对处理过后的数据进行分析处理生成PWM脉宽调制信号至驱动单元控制整流单元和逆变单元的运行，通过向系统注入与需要补偿的谐波和无功电流相等的电流来实现补偿，调节控制参数输出所需波形，实时调节电压波形以跟踪电网，调节电流波形和相位以实现所需功率因数以及稳定直流电压。
5.根据权利要求4所述的无功补偿方法，其特征在于：所述的电压电流数据采集系统对数据进行计算处理是采用12点傅氏算法进行计算电压电流采样计算。

说明书全文

抽油机动态无功补偿节能装置和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种无功补偿节能装置，尤其涉及一种调节抽油机的动态无功补偿节能装置和方法。

背景技术

[0002] 目前，抽油机的电气部分主要是由三相异步电动机和控制电路组成，电动机带动抽油杆作往复运行，将原油源源不断地从地下抽到地面，而抽油机负载是以抽油机冲程为周期连续变化的周期性负载。抽油杆在下降时负载很轻，相当于空载，而在上升时由于要将原油抽出地面，故负载很重，相当于满载。因此抽油机的负载是不断变化的，变化周期也很短，每冲次中负载变化两次，而且重载工作时间很短。由于抽油机在抽油杆向上运动的半个周期内电动机要克服抽油杆及采液的重力而做功；在抽油杆向下运动的半个周期内因为抽油杆动能与平衡块的势能差，会出现电动机被拖动旋转超过同步转速的现象，此时电动机向电网反输电能。所以抽油机在工作的时候有两种不同的工作状态：一种是电机带动机械负荷运行，此时电机的转差率关系为0＜S＜1，电机为电动机作用，电机从电网吸收有功功率和无功功率；另一种是机械负荷拖动电机运行，此时电机的转差率关系为S＜0，电机为发电机工作状态，电机从电网吸收无功功率，给电网送出有功功率。无论电动机的工作在哪种状态，都要从电网吸收无功功率。其中电机处于发电状态时，由电机理论可知，电机从电网吸收的无功功率即空载无功功率，而电机处于电动机状态时，无功功率变化则与电动机负载大小有关，现场实际测量结果表明：抽油机上、下冲程的负荷变化会引起1～4kvar无功变化。随着油量的减少，抽油机满载的次数逐渐减少，大部分时间是轻载或空载，而轻载和空载时的功率因数只有0.2～0.3，因而电动机的负载率低，功率因数更低，电能的浪费很严重。因此，如何提高抽油机电机的功率因数也就成为油田节能的关键。

[0003] 已经运行的设备有普通变频器拖动抽油机运转，可以实现抽油机调速功能。普通的变频器大都采用二极管整流桥将交流电转化成直流，然后采用IGBT逆变技术将直流转化成电压频率皆可调整的交流电动机。这种拓扑结构的变频装置针对游梁式抽油机由十运转不平衡而造成的电动机“倒发电”，通常采用耗能电阻消耗的方法，但这种方法不仅会产生大量的谐波污染，输出谐波较为严重，给电力系统电网带来谐波污染，同时一造成大量的能源浪费。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种抽油机无功补偿节能装置，能够提高抽油机的有功功力、降低功率损耗和电能损失。

[0005] 本发明采用下述技术方案：

[0006] 一种抽油机动态无功补偿节能装置，包括数据采集控制单元、电压采集单元、电流采集单元、整流单元、逆变单元，电网电压通过滤波电路与整流单元的输入端连接，整流单元的输出端与逆变单元的输入端连接，逆变单元的输出端与抽油机电机的电源端连接，整流单元、逆变单元的信号控制端分别与数据采集控制单元的驱动信号输出端连接；所述的电网电压的输出端设置有电压采集单元和电流采集单元，所述的逆变单元的输入端设置有电压采集单元和电流采集单元，所述的抽油机的电机的电源端设置有电流采集单元，所述的电流采集单元和电压采集单元的信号输出端与数据采集控制单元的信号输入端连接，所述的数据采集控制单元中还设置有电压过零信号检测系统。

[0007] 所述的整流单元采用六个电力电子器件IGBT构成三相整流桥，其中每个IGBT的两端并联有续流二极管；所述的逆变单元采用六个电力电子器件IGBT构成三相逆变桥，其中每个IGBT的两端并联有续流二极管。

[0008] 所述的整流单元的直流输出端之间连接有串联的两个电容，两个电容的两端均并联有电阻。

[0009] 所述的整流单元的直流输出端连接有直流母线充电电路。

[0010] 所述的直流母线充电电路包括变压器、第一至第四二极管，第一二极管和第二二极管串联组成的支路与第三二极管和第四二极管串联组成的支路并联，变压器的输入端与电网电压连接，变压器的第一输出端连接第一二极管的正极，变压器的第二输出端连接第四二极管的负极，第一二极管的负极和第三二极管的负极连接直流输出端的第一端，第三二极管的负极和第四二极管的正极连接直流输出端的第二端。

[0011] 所述的数据采集控制单元的通信端与后台监测装置连接。

[0012] 一种抽油机动态无功补偿节能装置的无功补偿方法，电压过零信号检测系统在每一个电网过零信号到来时向数据采集控制单元和脉宽调制信号生成器发送过零中断信号和过零逻辑信号，当数据采集控制单元响应过零中断请求后，数据采集控制单元进入中断服务程序，在该中断服务程序中数据采集控制单元首先判断信号的正误，然后启动每个工频周期的第一点采样，每个工频周期进行12次采样和计算；电压电流数据采集系统对数据进行计算处理后送至数据采集控制单元，数据采集控制单元对处理过后的数据进行分析处理生成PWM脉宽调制信号至驱动单元控制整流单元和逆变单元的运行，调节控制参数输出所需波形，实时调节电压波形以跟踪电网，调节电流波形和相位以实现所需功率因数以及稳定直流电压。

[0013] 所述的电压电流数据采集系统对数据进行计算处理式采用12点傅氏算法进行计算电压电流采样计算。

[0014] 本发明抽油机动态无功补偿节能装置可补偿冲击性负载的无功功率，平衡三相有功电流，能够使抽油机持续不断地抽油，又能使抽油机根据油量而间歇性运行或降频运行，自动动态调整抽取速度，减少了无功损耗，还可以提高设备的有功，提高了功率因数，降低电能损失；本装置自身产生的谐波含量极低，对电网无干扰，并且也提高了电网质量，大大减小了供电电流，从而减轻了电网及变压器的负担，减低了线损，节约了电能，既减少了能耗又提高了出油率，节能高效。附图说明

[0015] 图1为本发明的电路原理图；

[0016] 图2为本发明中直流母线充电电路的原理图。

具体实施方式

[0017] 如图1所示，本发明抽油机动态无功补偿节能装置，包括数据采集控制单元10、电压采集单元、电流采集单元、整流单元8、逆变单元9，电网电压通过滤波电路（电容C1、C2、C3和电抗器L1、L2、L3构成）与整流单元8的输入端连接，整流单元8的输出端与逆变单元9的输入端连接，逆变单元9的输出端与抽油机电机M的电源端连接；其中所述的整流单元
8采用六个电力电子器件IGBT构成三相整流桥，其中每个IGBT的两端并联有续流二极管；
所述的逆变单元9采用六个电力电子器件IGBT构成三相逆变桥，其中每个IGBT的两端并联有续流二极管，每个IGBT的栅极分别与数据采集控制单元10的驱动信号输出端连接，数据采集控制单元10采用DSP处理器，DSP处理器10的通信端与后台监测装置连接。其中电网电压的输出端设置有交流电压采集单元1和交流电流采集单元2，整流单元8的输出端设置有直流电流采集单元3，逆变单元9的输入端设置有直流电压采集单元5和直流电流采集单元4、直流电压采集单元6，所述的抽油机的电机M的电源端设置有交流电流采集单元
7，所述的交流电压采集单元1、交流电流采集单元2、直流电流采集单元3、直流电压采集单元5、直流电流采集单元4、直流电压采集单元6、交流电流采集单元7的信号输出端分别与数据采集控制单元10的信号输入端连接，数据采集控制单元10的通信端与后台监测装置连接。所述的整流单元8的直流输出端P、N之间连接有串联的两个电容C4、C5，电容C4、C5的两端分别并联有电阻R2和电阻R1；整流单元8的直流输出端P、N还连接有直流母线充电电路，直流母线充电电路包括变压器T、第一至第四二极管D1、D2、D3、D4，第一二极管D1和第二二极管D2串联组成的支路与第三二极管D3和第四二极管D4串联组成的支路并联，变压器T的输入端与电网电压连接，变压器T的第一输出端连接第一二极管D1的正极，变压器T的第二输出端连接第四二极管D4的负极，第一二极管D1的负极和第三二极管D3的负极连接直流输出端的第一端（P端），第三二极管D3的负极和第四二极管D4的正极连接直流输出端的第二端（N端）。逆变单元9的输入端之间连接有电容C6，逆变单元9的输入端之间还连接有能耗制动电路，包括制动电阻R3和电力电子器件IGBT，逆变单元9的输入端的第一端连接制动电阻R3，制动电阻R3的另一端连接IGBT的集电极，IGBT的发射极连接逆变单元9的输入端的第二端，IGBT的发射极和集电极两端并联有续流二极管，IGBT的栅极与数据采集控制单元10的驱动信号输出端连接。

[0018] 如图1所示，本发明采用的是注入电流的补偿方式，即通过向系统注入与需要补偿的谐波和无功电流相等的电流来实现补偿，数据采集控制单元10实时向各电压采集单元和电流采集单元进行采样，根据采样到的信号进行分析出需要补偿的谐波和无功电流分量，然后计算出控制IGBT的空间电压矢量PWM 控制信号，输出IGBT的栅极开关驱动信号，稳定交流侧和直流侧的电压，整个装置的响应时间达到毫秒级，可以非常快速的补偿瞬时负荷，非常适合负载变化快、冲击性负载。一方面可以调整输入的功率因数，并且可以实现能量双向流动功能，基本不产生谐波，消除对电网的谐波污染，实现功率因素可调节，通常保持在1附近。当抽油机的电动机M处于发电状态时，逆变模块和整流模块功能互换，实现能量的双向流动，并且实现功率因素为1的电能回馈，不污染电网。此装置在油田运行后基本解决了油田的无功功率补偿问题，实现了油田的无功就地补偿功能，基本消除线路上的损耗，以及无功引起线路上的电压降落，稳定了油田电网的末端电压，增大了抽油机电动机的有功出力。

[0019] 所述的数据采集控制单元中还设置有电压过零信号检测系统。无功补偿方法，其特征在于：电压过零信号检测系统在每一个电网过零信号到来时向数据采集控制单元和脉宽调制信号生成器发送过零中断信号和过零逻辑信号，当数据采集控制单元响应过零中断请求后，数据采集控制单元进入中断服务程序，在该中断服务程序中数据采集控制单元首先判断信号的正误，然后启动每个工频周期的第一点采样，每个工频周期进行12次采样和计算；电压电流数据采集系统对数据进行计算处理后送至数据采集控制单元，数据采集控制单元对处理过后的数据进行分析处理生成PWM脉宽调制信号至驱动单元控制整流单元和逆变单元的运行，调节控制参数输出所需波形，实时调节电压波形以跟踪电网，调节电流波形和相位以实现所需功率因数以及稳定直流电压。

[0020] 所述的电压电流数据采集系统对数据进行计算处理式采用12点傅氏算法进行计算电压电流采样计算：

[0021] 运用12点傅氏算法进行电压电流采样计算：

[0022] ，

[0023] 将公式展开后，电压实部：

[0024]

[0025] 电压虚部：

[0026]

[0027] 式中Uj（j=0，1，…,11）为一个信号周期T内的相距30°的12个等距采样值（电压瞬时值），于是有：

[0028] （幅值）

[0029] 12点傅氏算法具有滤去直流分量和高次谐波的能力，精度较高，在微机励磁调节器中用得最多。

[0030] 在上述过零点中断程序里面启动每个周期的第一点采样，之后每隔1/12周期进行下一点的采样计算。

[0031] 12点傅氏功率算法：

[0032] 利用傅氏算法可以计算出电压矢量的实部和虚部：

[0033] 电压实部：

[0034]

[0035] 电压虚部：

[0036]

[0037] 同理，也可以用傅氏算法计算出电流矢量的实部和虚部：

[0038] 电流实部

[0039]

[0040] 电流虚部

[0041]

[0042] 于是，视在功率

[0043]

[0044] 式中I٭为I的共轭。

[0045] 有功功率

[0046]

[0047] 无功功率

[0048]

[0049] 利用无功功率作为参考变量进行无功功率的调节，调节功率因数。

[0050] 本装置实现了调速装置所没有的高功率因素的特点，可以在对电机进行调速过程中实现电网的无功补偿，实时检测电网电压和电流状态判断是否需要对电网无功加以补偿；如果检测出电力网中无功功率出现过补情况导致电力网电压不稳定，也可以及时吸收无功功率以减小或者消除无功功率过补对电网造成的不利影响。若大力推广使用可以实现电力网的无功就地补偿功能，降低电力网上无功功率引起的电力损耗以及稳定电力网的电压，提高电力网的电压稳定性。

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