基于功率補(bǔ)償?shù)碾妱有蘧畽C(jī)控制系統(tǒng)*

徐 剛，王樹龍，韓 菊，顧 芳，劉 崢

（1.渤海石油裝備制造有限公司，天津 300457）；2.渤海石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北任丘 062552）

0 引言

修井機(jī)是油田修井作業(yè)的主要設(shè)備，用于對發(fā)生故障或損壞的油管、抽油桿、抽油泵等井下采油設(shè)備和工具起下作業(yè)，大部分以柴油機(jī)作為原動力。與電機(jī)相比，柴油機(jī)驅(qū)修井機(jī)整機(jī)效率低、功率利用率低。柴油機(jī)的工作原理是將柴油在汽缸中燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變成活塞的機(jī)械運(yùn)動，在能量轉(zhuǎn)化過程中能量轉(zhuǎn)化效率較低。另外在修井作業(yè)中，需要有被吊物的裝卸時間。修井機(jī)提升和下放作業(yè)時間與人工裝卸時間之比大約是1∶2，意味著柴油機(jī)將有66%左右時間處于空載運(yùn)行狀態(tài)[1]，柴油機(jī)功率利用率低。

隨著環(huán)保和節(jié)能減排要求的不斷提高，出現(xiàn)了以交流變頻技術(shù)為基礎(chǔ)的電動修井機(jī)，實現(xiàn)修井機(jī)原動力“油改電”。電動修井機(jī)的電源解決方案大體為兩種：（1）在井場電源高壓端接大容量變壓器。此種方法每次作業(yè)都需專業(yè)高壓電工重新連接，且需高壓端斷電連接，限制了產(chǎn)品的使用范圍；（2）由井場供電變壓器供電。多數(shù)情況下，總供電容量往往小于修井機(jī)總負(fù)荷容量，屬于小電網(wǎng)供電。受井場變壓器容量限制，配備電機(jī)功率較小，影響了作業(yè)時效，增加了修井機(jī)的作業(yè)時間，無法大規(guī)模推廣使用。

修井機(jī)原動力的“油改電”是實現(xiàn)修井機(jī)節(jié)能減排的一條重要途徑，若推廣應(yīng)用電動修井機(jī)，需要解決修井機(jī)的作業(yè)時效問題，為此提出了一種基于電容功率補(bǔ)償?shù)碾妱有蘧畽C(jī)控制系統(tǒng)的解決方案。

1 工作原理

修井機(jī)作業(yè)提升過程包括以下步驟：提升——懸?！犊邸欧庞凸堋艨ā獟斓蹩āＣ總€步驟的耗費(fèi)功率不同，見圖1。最大功率需求主要出現(xiàn)在油管提升工況，而一個完整的提升過程，提升時間只占整個作業(yè)周期的1/4～1/3，其余時間負(fù)荷小。修井機(jī)絞車配置功率以提升油管的功率為設(shè)計點，一般為150 kW，但整個周期的平均功率為50 kW。

圖1 修井作業(yè)提升過程

根據(jù)修井機(jī)的工作特點，在井場變壓器容量較小的情況下，提升階段利用功率補(bǔ)償技術(shù)實現(xiàn)油管提升功率輸入倍增，滿足作業(yè)時效的要求，同時在其他階段由井場電網(wǎng)為功率補(bǔ)償裝置快速儲能，充分利用井場電網(wǎng)能量，實現(xiàn)電能持續(xù)均衡輸入。

電動修井機(jī)控制系統(tǒng)重點解決以下兩個問題：一是為了提高作業(yè)時效，配置高功率密度補(bǔ)償裝置，并具有在線快速充放電、智能診斷的功能；二是井場電網(wǎng)和功率補(bǔ)償裝置共同為修井機(jī)供電時，針對井場配置的不同容量變壓器，控制系統(tǒng)能自動負(fù)載分配控制，最大限度應(yīng)用井場電網(wǎng)電能。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 整體方案

修井機(jī)控制系統(tǒng)包括井場電網(wǎng)供電系統(tǒng)（井場變壓器、PWM 整流器）、電容功率補(bǔ)償系統(tǒng)（超級電容器、雙向直流變換器（DC/DC））、調(diào)速系統(tǒng)（逆變器、變頻調(diào)速電機(jī)）、總線控制系統(tǒng)（主控制器及DP總線網(wǎng)絡(luò)）、其他用電設(shè)備（液壓站電機(jī)、空壓機(jī)、照明等），控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2（不包括其他用電設(shè)備）。

修井機(jī)修井作業(yè)時，由井場電網(wǎng)供電系統(tǒng)、電容功率補(bǔ)償系統(tǒng)構(gòu)成的電-電混合系統(tǒng)為整個系統(tǒng)供電。根據(jù)井場電網(wǎng)變壓器容量的大小及修井作業(yè)負(fù)荷，合理分配井場電網(wǎng)、電容功率補(bǔ)償系統(tǒng)的功率輸出，保證修井作業(yè)時效。同時在修井作業(yè)排放油管的輕負(fù)荷的時間段內(nèi)，由井場電網(wǎng)快速為電容功率補(bǔ)償系統(tǒng)充電，為下一個提升作業(yè)周期儲備能量。

控制系統(tǒng)采用DP總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主控制器為主站，PWM整流器、逆變器、雙向直流變換器通過DP 總線接口連接到DP 網(wǎng)絡(luò)上，構(gòu)成了一個完整的數(shù)字平臺，在操作臺完成修井機(jī)的參數(shù)設(shè)置和監(jiān)控，可實現(xiàn)操作提示、安全報警和故障診斷等功能。

圖2 修井機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 控制系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備

電動修井機(jī)控制系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備包括PWM整流器、逆變器和雙向直流變換器。

2.2.1 PWM整流器、逆變器

PWM 整流器和逆變器采用同一的硬件結(jié)構(gòu)，只是控制軟件不同，便于現(xiàn)場維護(hù)，減小備件、備板的投入，如圖3所示。

圖3 PWM整流器、逆變器硬件結(jié)構(gòu)

PWM整流器將井場變壓器提供的交流電轉(zhuǎn)化為直流電，為逆變器提供直流電源。采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其外環(huán)為直流母線電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，通過對電源電壓的相位檢測和坐標(biāo)變換以及PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用實現(xiàn)對電網(wǎng)輸入電流的有功分量和無功分量的獨(dú)立控制，可實現(xiàn)單位功率因數(shù)和正弦波電流控制[2]。

逆變器驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實現(xiàn)電動機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩、恒功率控制?？刂粕喜捎秒p閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其外環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，通過檢測電動機(jī)的定子電流，并經(jīng)過坐標(biāo)變換得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電動機(jī)定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量，然后再經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用、兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)到兩相靜止坐標(biāo)的變換以及PWM脈沖調(diào)制控制，實現(xiàn)了對電動機(jī)的快速、精確調(diào)速控制[2]。

2.2.2 雙向直流變換器

雙向直流變換器為雙向工作制，能夠?qū)崿F(xiàn)電容功率補(bǔ)償系統(tǒng)到直流母線、直流母線到電容功率補(bǔ)償系統(tǒng)的能量雙向流動，完成修井提升作業(yè)的功率補(bǔ)償，并快速為電容功率補(bǔ)償系統(tǒng)補(bǔ)充能量。

變換器采用交錯并聯(lián)雙向Buck-Boost 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，見圖4。采用兩重回路并聯(lián)方式可以減小流過單個開關(guān)管的電流等級，滿足功率需求；錯相控制可以有效的減小等效電感值和輸出電流波紋[3]。

V1 側(cè)為電容補(bǔ)償裝置側(cè)，V2 側(cè)為PWM 整流器的直流母線側(cè)。正常工作時，V2 電壓高于V1電壓，有利于提高超級電容器的利用率，在滿足正常運(yùn)行所需的條件下盡量減小超級電容器的數(shù)量，提高儲能的經(jīng)濟(jì)性。補(bǔ)償裝置儲能時，由井場電網(wǎng)為電容功率補(bǔ)償裝置快速充電，能量從V2側(cè)流向V1 側(cè)，變換器工作在Buck 變換器模式。修井作業(yè)提升階段功率補(bǔ)償時，電容功率補(bǔ)償裝置放電，能量從V1 側(cè)流向V2 側(cè)，變換器工作在Boost變換器模式。

正常工作時，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠滿足使用要求，但在實際使用中發(fā)現(xiàn)，如母線側(cè)電壓V2低于V1電壓，即使不進(jìn)行充放電的控制，也會導(dǎo)致上橋臂直通。為此在上橋臂串聯(lián)一反向的功率管，通過與下橋臂功率管的互補(bǔ)控制，保證即使母線側(cè)電壓V2 低于V1 電壓，上橋臂也不會直通，保證設(shè)備安全。

圖4 雙向直流變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.3 不同工作作模式的功率分配控制策略

井場變壓器有不同的容量等級，一般是從50 kVA～160 kVA，同時修井機(jī)等級多樣及修井做業(yè)的不同階段所需的功率也不同，因此要對由井場電網(wǎng)供電系統(tǒng)、電容功率補(bǔ)償系統(tǒng)構(gòu)成的電-電混合系統(tǒng)進(jìn)行功率分配控制，充分均衡的應(yīng)用井場電能，減少電壓波動，提高功率因數(shù)。

根據(jù)修井機(jī)的工作特點，由井場電網(wǎng)供電系統(tǒng)、電容功率補(bǔ)償系統(tǒng)構(gòu)成的電-電混合系統(tǒng)工作在以下四個工作模式，如圖5所示。

（1）電網(wǎng)單獨(dú)供電：當(dāng)修井機(jī)負(fù)載功率變化平穩(wěn)，低于井場變壓器容量時，電-電混合系統(tǒng)中只有井場電網(wǎng)供電系統(tǒng)供電，PWM整流器按照恒壓控制模式運(yùn)行，將380 V 三相交流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓，作為一個可控的直流電壓源為系統(tǒng)提供能量。并根據(jù)電容功率補(bǔ)償系統(tǒng)的儲能狀態(tài)，為補(bǔ)償裝置補(bǔ)充能量。

（2）混合供電，功率補(bǔ)償：當(dāng)修井機(jī)負(fù)載功率負(fù)載功率高于井場變壓器容量或功率波動較大時，PWM整流器按照恒流控制模式運(yùn)行，即為直流母線提供恒定的直流電流，恒定電流為井場變壓器提供的最大電流，其余由電容功率補(bǔ)償系統(tǒng)提供，進(jìn)行瞬時功率平衡控制，準(zhǔn)確快速地補(bǔ)償系統(tǒng)所需的有功和無功，保證修井作業(yè)的時效。

圖5 修井機(jī)不同工作作模式的功率分配

（3）電容功率補(bǔ)償系統(tǒng)快速儲能：當(dāng)修井機(jī)輕負(fù)荷作業(yè)時，利用井場電網(wǎng)供電系統(tǒng)的PWM整流器的恒壓、恒流控制模式，可以實現(xiàn)電容功率補(bǔ)償系統(tǒng)的快速充電，快速儲能，為下一個提升作業(yè)周期儲備能量。

（4）回饋電網(wǎng)：修井作業(yè)下放油管時，電動機(jī)處于再生發(fā)電制動的狀態(tài)下，PWM整流器可與逆變器一起組成四象限變頻器，滿足位勢負(fù)載的調(diào)速要求，并將負(fù)載的勢能轉(zhuǎn)化成電能回饋到電容功率補(bǔ)償系統(tǒng)和電網(wǎng)，達(dá)到節(jié)能目的。

2.4 基于Profibus-DP總線的修井機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)字化平臺

Profibus 是一種國際化、開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)在各類自動化元件之間互相交換，廣泛適用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇和交通電力等其他領(lǐng)域自動化。

修井機(jī)的電控系統(tǒng)為模塊化設(shè)計，由各個獨(dú)立的電氣模塊單元組成，各模塊單元通過DP現(xiàn)場總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實現(xiàn)一體化修井機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)字化平臺。

圖6 為基于Profibus-DP 總線的修井機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)字化平臺結(jié)構(gòu)圖，為分布式I/O 系統(tǒng)，其中，主控制器是修井機(jī)控制系統(tǒng)的控制中心，用于實現(xiàn)整個電控系統(tǒng)的安全、協(xié)調(diào)、最優(yōu)運(yùn)行。主控制器采用西門子S7-300 PLC，Profibus-DP通訊協(xié)議，PWM 整流器、逆變器、雙向直流變換器為DP總線的從站。

圖6 基于Profibus-DP 總線的修井機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)字化平臺結(jié)構(gòu)圖

主站PLC根據(jù)操作面板的輸入命令，通過DP網(wǎng)絡(luò)與各從站進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，通過讀寫狀態(tài)字、控制字獲得各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并控制各設(shè)備的運(yùn)行（以控制雙向直流變換器為例）。

圖7 雙向直流變換器通訊報文設(shè)置

圖8 雙向直流變換器控制程序

（1）組態(tài)雙向直流變換器發(fā)送和接收報文。配置好輸入輸出長度，8 字節(jié)輸入、8 字節(jié)輸出（圖7）。第一個槽Slot1 里面16DX 輸入輸出地址2和3 就是狀態(tài)字以及控制字，是留給雙向直流變換器控制和監(jiān)視狀態(tài)使用，報文通訊內(nèi)容見表1。

（2）編寫程序，控制雙向直流變換器運(yùn)行（圖8）。

3 結(jié)束語

修井機(jī)是包括機(jī)械、電氣、液壓系統(tǒng)的車載石油專用鉆采裝備，其各個組成系統(tǒng)的設(shè)計、制造技術(shù)都已經(jīng)很成熟。新型電動修井機(jī)的關(guān)鍵是要對電控系統(tǒng)重新開發(fā)，配置了電容功率補(bǔ)償系統(tǒng)、并采用先進(jìn)的控制技術(shù)，較好的實現(xiàn)修井機(jī)原動力的“油改電”，滿足修井機(jī)的使用要求。

表1 報文通訊內(nèi)容

［1］馮學(xué)軍.電動修井機(jī)技術(shù)簡析［J］.油氣田地面工程，2010（12）：97-98.

［2］張崇巍.PWM整流器及其控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［3］嚴(yán)仰光.雙向直流變換器［M］.南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2004.