油井群控四象限整流裝置負(fù)載魯棒性分析

劉沛津，張福堯，王鄭凱

（西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055）

石油石化產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱性產(chǎn)業(yè)，在創(chuàng)造巨大利潤的同時(shí)，也帶來了巨大的能耗。油田注采系統(tǒng)能耗高、生產(chǎn)效率低的問題尤為突出，降低原油開采能耗已經(jīng)成為石油開采技術(shù)、裝備研發(fā)與制造領(lǐng)域的挑戰(zhàn)性課題。課題組前期研發(fā)了可實(shí)現(xiàn)能量互饋節(jié)能的IGBT 四象限PWM 整流裝置，使直流母線上的倒發(fā)電被其他電機(jī)重復(fù)利用，但在現(xiàn)場運(yùn)行中存在以下三點(diǎn)問題：（1）啟動(dòng)瞬間偶爾存在直流側(cè)電壓過高現(xiàn)象；（2）油梁平衡度降低時(shí)，上下沖程電機(jī)周期性負(fù)荷峰谷差增大，整流裝置載荷波動(dòng)加劇，導(dǎo)致其直流側(cè)電壓波動(dòng)偶爾會(huì)超出允許范圍；（3）上沖程與下沖程轉(zhuǎn)換瞬間電壓波動(dòng)較大。為解決以上問題，首先，需要明確直流側(cè)電壓隨著載荷波動(dòng)的變化規(guī)律，即需要詳細(xì)并深入地分析油井載荷波動(dòng)時(shí)，現(xiàn)場經(jīng)典控制方式下，整流裝置的負(fù)載魯棒性。而通過建立實(shí)際系統(tǒng)模型并利用所建立的模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的手段，可以有效降低現(xiàn)場設(shè)備試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)與成本，是保證現(xiàn)場安全生產(chǎn)，為現(xiàn)場生產(chǎn)調(diào)度調(diào)控提供借鑒的重要途經(jīng)。

基于此，本文建立四象限整流裝置控制模型，模擬不同油井工況的變化特性，分析載荷變化時(shí)整流裝置直流側(cè)電壓的變化規(guī)律，及載荷的變化范圍，為現(xiàn)場生產(chǎn)運(yùn)行及后續(xù)整流裝置的改進(jìn)與優(yōu)化提供依據(jù)。

1 群控整流裝置數(shù)學(xué)模型

整流裝置的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖中ia、ib、ic為交流側(cè)各相輸入電流，ea、eb、ec為電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)，L 是濾波電感；R 為開關(guān)損耗電阻與電感電阻之和；idc為直流側(cè)電流；udc為直流電壓；iL為負(fù)載電流；RL為負(fù)載等效電阻；C 是直流母線濾波電容。由三相PWM 整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以得到其三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如式（1）。

圖1 三相電壓型整流器拓?fù)?/p>

式中，Sk(k=a,b,c)為單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)，1 代表上橋臂導(dǎo)通，下橋臂關(guān)斷，0 代表上橋臂關(guān)斷，下橋臂導(dǎo)通。將三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型如式（2）所示。

根據(jù)瞬時(shí)有功、無功功率定義可得電網(wǎng)電壓定向d-q 坐標(biāo)系下PWM 整流器輸入的有功功率和無功功率表達(dá)式如式（3）所示。

當(dāng)P ＞0 時(shí)，抽油機(jī)從電網(wǎng)吸收能量，整流器工作在整流狀態(tài)；P ＜0 時(shí)，抽油機(jī)產(chǎn)生倒發(fā)電，整流器工作在逆變狀態(tài)，能量從負(fù)載端回饋電網(wǎng)。當(dāng)電網(wǎng)電壓恒定時(shí)，調(diào)節(jié)d軸電流即可控制整流器輸入的有功功率，調(diào)節(jié)q 軸電流即可控制整流器輸人的無功功率，從而實(shí)現(xiàn)油井群控系統(tǒng)在不同載荷情況下穩(wěn)定節(jié)能的工作。

2 群控整流裝置雙閉環(huán)控制策略

群控整流裝置控制策略如圖2 所示，電壓外環(huán)采用PI控制對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，電流內(nèi)環(huán)采用前饋解耦對(duì)輸入電流調(diào)節(jié)控制，外環(huán)電壓反饋的輸出信號(hào)作為內(nèi)環(huán)電流輸入給定信號(hào)，通過外環(huán)電壓的變化調(diào)節(jié)改變內(nèi)環(huán)電流輸入，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤目標(biāo)指令，達(dá)到整流的目的。

圖2 經(jīng)典控制策略結(jié)構(gòu)圖

電壓外環(huán)將采來的直流電壓和給定的直流電壓進(jìn)行作差比較，將差值作為PI 控制的輸入信號(hào)，其簡化控制結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。電流內(nèi)環(huán)將采來的電流值經(jīng)過一系列坐標(biāo)變換后，得到dq 坐標(biāo)系下的電流值，q 軸為無功電流，d 軸為有功電流，對(duì)dq 坐標(biāo)系下的實(shí)際電壓電流值和PI 控制器的輸出值進(jìn)行非線性解耦，得到解耦后的dq 電壓值，其簡化控制結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。將得到的信號(hào)經(jīng)坐標(biāo)逆變換得到αβ坐標(biāo)系下的電壓值，最后，進(jìn)行SVPWM 調(diào)制輸出PWM 控制信號(hào)，控制主電路開關(guān)橋的通斷狀態(tài)，從而達(dá)到整流效果。

圖3 電壓外環(huán)簡化框圖

3 負(fù)載魯棒性分析

在油井群控系統(tǒng)中，增加或減少并聯(lián)運(yùn)行抽油機(jī)數(shù)量導(dǎo)致油井共直流母線負(fù)載大范圍波動(dòng)是系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中的典型工況。本文利用Matlab/Simulink 設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)，在整流器和系統(tǒng)參數(shù)確定的情況下，通過調(diào)節(jié)載荷阻值來模擬油井復(fù)雜工況，仿真參數(shù)如表1 所示。

圖4 電流內(nèi)環(huán)簡化框圖

表1 仿真參數(shù)

3.1 啟動(dòng)瞬間工況分析

整流器啟動(dòng)瞬間，直流側(cè)所帶負(fù)載不同會(huì)導(dǎo)致直流側(cè)瞬時(shí)電壓的不同，運(yùn)行中要避免出現(xiàn)啟動(dòng)電壓超出共直流母線耐受電壓的情況。仿真分析整流器啟動(dòng)瞬間所帶不同負(fù)載，與直流側(cè)電壓的關(guān)系如圖5 所示。仿真關(guān)鍵參數(shù)如表2 所示。

圖5 不同阻值直流側(cè)啟動(dòng)電壓

表2 啟動(dòng)瞬間仿真關(guān)鍵參數(shù)

由圖5 分析可知，直流側(cè)的瞬時(shí)啟動(dòng)電壓的大小在系統(tǒng)模型參數(shù)確定的情況下，與啟動(dòng)時(shí)所帶負(fù)載阻值大小成正比，阻值越大，啟動(dòng)電壓的超調(diào)量越大。共直流母線電壓不能超出其額定電壓的10%，在本文中不能超過660V，所以在現(xiàn)場實(shí)際操作時(shí)不能帶大負(fù)載啟動(dòng)，但負(fù)載也不宜太小，避免產(chǎn)生過大的啟動(dòng)電流。為保證現(xiàn)場的安全運(yùn)行，選擇合適的啟動(dòng)負(fù)載尤為重要。

3.2 負(fù)載單位時(shí)間內(nèi)大范圍變化工況分析

實(shí)際工況下，油井負(fù)載不斷變化，本節(jié)模擬負(fù)載在單位時(shí)間內(nèi)以不同速率進(jìn)行變，并分析載荷達(dá)到極限時(shí)直流電壓的變化特征。仿真關(guān)鍵參數(shù)如表3 所示，在該仿真實(shí)驗(yàn)中，在0.25s 之前在負(fù)載為10Ω 下工作，之后在0.5s 內(nèi)由初始值達(dá)到最終值來模擬極差工況，研究負(fù)載變化快速變化條件下的直流電壓變化特性。仿真分析結(jié)果如圖6 ～9 所示。

圖6 負(fù)載連續(xù)變大直流側(cè)電壓

圖7 負(fù)載連續(xù)變小直流側(cè)電壓

圖8 負(fù)載連續(xù)變大交流側(cè)電壓電流

圖9 負(fù)載連續(xù)變小交流側(cè)電壓電流

表3 負(fù)載連續(xù)變化關(guān)鍵參數(shù)

由圖6 可得，當(dāng)負(fù)載不斷增大時(shí)，直流端的電壓依舊可以穩(wěn)定輸出，超調(diào)量會(huì)略微增大，在油井共直流母線的承受范圍內(nèi)，當(dāng)電阻為1000Ω 時(shí)，電流為0.6A 左右，電流值很小，相當(dāng)于空載。由圖7 可知，隨著負(fù)載不斷減小，直流端的電壓在一定范圍內(nèi)可以穩(wěn)定輸出，當(dāng)電阻為4Ω 時(shí)，此時(shí)電流、功率都較大，但存在電壓跌落現(xiàn)象，導(dǎo)致整流器不能在單位功率因數(shù)下運(yùn)行，由上述分析可得，整流器穩(wěn)定運(yùn)行的負(fù)載極限為5Ω 左右。

結(jié)合實(shí)際油井工況和仿真結(jié)果分析可知，油井在減載時(shí)，負(fù)載不能過低，否則直流側(cè)電壓不穩(wěn)定，將出現(xiàn)整流器運(yùn)行功率因數(shù)低，線路中電流較大的情況。

3.3 負(fù)載突變及倒發(fā)電工況分析

實(shí)際工況下，要不斷改變電機(jī)的使用數(shù)量，本文以負(fù)載阻值的突變來模擬電機(jī)的投切。同時(shí)，抽油機(jī)在上沖程與下沖程過程中處于兩種不同的工作狀態(tài)，本文以電機(jī)倒發(fā)電來模擬下沖程的狀態(tài)。仿真分析負(fù)載突變工況下直流側(cè)電壓的變化，結(jié)果如圖10 所示。

圖10 負(fù)載突變直流側(cè)電壓變化

由圖10 可知，在0.2s 時(shí)，負(fù)載由30Ω 變?yōu)?5Ω，電壓發(fā)生突變，變化為569V，經(jīng)過0.12s 左右，系統(tǒng)能通過自身的PI 調(diào)節(jié)很快的達(dá)到參考電壓并保持穩(wěn)定。

抽油機(jī)在上沖程與下沖程過程中處于兩種不同的工作狀態(tài)，本文以電機(jī)倒發(fā)電來模擬下沖程的狀態(tài)，倒發(fā)電所產(chǎn)生的電壓為700V，仿真結(jié)果如圖11、12 所示。

圖11 倒發(fā)電直流側(cè)電壓

圖12 倒發(fā)電交流側(cè)電壓電流

由圖可知，在0.2s 時(shí)電機(jī)倒發(fā)電，電壓為700V，此時(shí)，電壓突變?yōu)?45V，經(jīng)過0.15s 直流側(cè)電壓恢復(fù)穩(wěn)定，該整流器直流側(cè)電壓能夠迅速恢復(fù)穩(wěn)定，倒發(fā)電時(shí)，響應(yīng)速度快，可以迅速應(yīng)對(duì)油井實(shí)際工況中的負(fù)載變化，交流側(cè)電壓電流相位相反，能量由直流側(cè)回饋到電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

4 結(jié)語

為解決IGFBT 四象限PWM 整流裝置在現(xiàn)場油井群控系統(tǒng)運(yùn)行中存在的負(fù)載波動(dòng)導(dǎo)致的直流側(cè)電壓穩(wěn)定性問題，本文結(jié)合油井生產(chǎn)運(yùn)行中的工況特點(diǎn)，建立了整流裝置的控制模型，分析了啟動(dòng)工況、載荷大范圍變化工況及載荷突變及倒發(fā)電工況下，整流裝置直流側(cè)電壓的變化規(guī)律，以低成本高效的方法獲得相應(yīng)理論結(jié)果。該研究為現(xiàn)場生產(chǎn)運(yùn)行及后續(xù)整流裝置的改進(jìn)與優(yōu)化提供理論支撐，為油井群控系統(tǒng)整流裝置的安全、可靠控制及應(yīng)用提供借鑒。