摘 要：詳細分析抽油機的工作狀態(tài)，提出分段補償?shù)目刂品椒?，建立瞬時動態(tài)補償模型。在無功補償時，不僅考慮基波和諧波，還要根據(jù)負載的情況，在最優(yōu)的范圍內(nèi)進行斬波調(diào)壓，以節(jié)省線路的有功損耗。在此基礎(chǔ)上，研制的抽油機節(jié)能裝置，通過使用電參數(shù)測試儀對安裝節(jié)能器前后進行時比，證明其節(jié)能效果明顯。

關(guān)鍵詞：抽油機；控制模型；無功補償；功率因素

中圖分類號：TP301 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)10-019-02

Study and Application of VAR Compensation Strategy in Oil-pumping Machine

JIN Ying，ZHAO Jianyang

(Huaiyin Institute of Technology，Huaiyin，223001，China)

Abstract：This paper analyzes the work state of oil-pumping and presents control methods of multi-level compensation.Dynamic transient compensation model is built up.In the model，we take both base and harmonic into account and modulate the voltage of oil-pumping motor to save energy.energy saving unit of oil-pumping machine based on the above is developed.Comparing with energy-saving device by using electric parameter measurement equipment，It is proved that the unit can save energy evidently via tests.

Keywords：oil-pumping machine;control model;VAR compensation;power factor

1 引 言

在我國油井抽油機面廣量大，但抽油機的平均負荷率只有30%左右，電能浪費嚴重。據(jù)測算，在油田生產(chǎn)開發(fā)中，機械采油消耗電能已達到總成本的40%，因此研究抽油機節(jié)能降耗問題受到廣泛的重視。

目前，針對抽油機節(jié)能問題有多種解決方案，主要分為兩大類：一類為節(jié)能抽油機電動機，這類電機節(jié)電性能優(yōu)于一般的異步電動機，但都存在一定局限性；另一類是用節(jié)能配電柜，其中就節(jié)省無功技術(shù)有：采用機械開關(guān)投切電容器進行無功補償，但投切電容時的過電流、過電壓，使觸頭易拉弧以致?lián)p壞；采用可控硅無觸點法解決了機械觸點壽命短問題，但不能做到頻繁投切。節(jié)省有功技術(shù)主要采用：變頻控制器，但成本高，且由于抽油機電機時常出現(xiàn)無功倒送問題，這會使得變頻器難以工作；斬波調(diào)壓，借助雙向晶閘管進行斬波降低電機供電電壓，但這種方法在負載率為60%以上時效果明顯，在負載率較低時，會產(chǎn)生大量諧波。本課題針對抽油機的工作狀態(tài)經(jīng)過大量反復(fù)的試驗、研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)意義上使用cos(φ)計算功率因數(shù)的方法，不能全面描述有功和無功的概念，必須建立合理的模型才能達到節(jié)能的目的。

2 抽油機的工作特性分析

在理想情況下抽油機的載荷特性如圖1（a）曲線所示，曲線1為空載情況下的活塞和抽油桿的自重在電機上產(chǎn)生的阻力，曲線3表示平衡塊產(chǎn)生的阻力，因為平衡塊在一個周期中的作用為可以用負正弦曲線來近似，曲線2為曲線1和曲線3合力。從合力曲線2可以看出：

(1) 電機的受力是不均勻的且沖擊較大。表現(xiàn)為，在橫軸上的0~a1段中對應(yīng)著活塞上行程的開始，這時電機受到的阻力矩較大，因為電機要使活塞和桿及活塞中的液體從最低點的速度0增加到一定速度；在a1~a2段中對應(yīng)著活塞上行程的平穩(wěn)移動點，此時曲線下凹的原因在于平衡鐵的作用；在a2~a3段對應(yīng)著活塞上行程到達頂端到下行程開始；a4~2π為下行程即將結(jié)束。

(2) 電機有電動狀態(tài)也有處于發(fā)電狀態(tài)。在a3~a4段合力曲線2是處于發(fā)電狀態(tài)，這是因為電于平衡鐵的作用力就足以使抽油機活塞移動，而不需要電機作用，甚至電機而要被反向拖動。

對應(yīng)圖1(a)的電流特性如圖1(b)所示，要對圖示功率進行有效補償，就要知道對于曲線中不同點的電流對應(yīng)于電機的有功、無功及功率因數(shù)，這就要從電機等效電路的角度進行分析。

3 電機的等效電路

電機每相的等效電路如圖2所示，r1，x1為定子繞組的電阻和漏抗；r′1，x′1代表轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)歸算以后的電阻和漏抗；rm 為與定子鐵耗相對應(yīng)的等值電阻；xm代表與主磁通相對應(yīng)的鐵芯電路電抗。由電路分析可列出定、轉(zhuǎn)子電勢方程為：

 1=－1+1(r1+jx1)=－1+1Z1

2′[WB]=2′r2′(1－ss)+1(r2′+jx2′)

[DW]=2′r2′(1－ss)+2′Z2′

1=2′

1=－mZm [JY](1)

化簡后為：

1=1[JB((]Z1+Zm(Z2′+1－ssr2′)Zm+(Z2′+1－ssr2′)[JB))][JY](2)

從式（2）可知，電機的等效阻抗為：

Z=Z1+Zm(Z2′+1－ssr2′)Zm+(Z2′+1－ssr2′)[JY](3)

其中包含一個與電機運行狀態(tài)相關(guān)的轉(zhuǎn)差率s ，他的正負及大小直接反映電機的狀態(tài)及效率。對抽油機無功補償和節(jié)能控制，實際上需要針對抽油機電機的各種工作狀態(tài)分段控制，綜合進行。

圖1 抽油機力矩和電流曲線

4 瞬時動態(tài)補償模型

抽油機電機的阻抗是瞬變的，與轉(zhuǎn)差率密切相關(guān)，在進行動態(tài)補償時很難準確地測出轉(zhuǎn)差率，因此要用T型等效電路的解析式作為補償公式不現(xiàn)實的。

事實上，在任一時刻電機的輸入電壓和電流是確定的，可以將電機的等值阻抗作為測量等效值電路，其模型如圖3所示，下面根據(jù)電機的運行狀態(tài)分類討論。

圖2 電機的T形等效電路

（1） 異步電機是處于電動機運行狀態(tài)電壓Um和電流Im均為正弦，且電流滯后電壓。

（2） 異步電機是處于發(fā)電動機運行，則由于發(fā)出電壓的相位不能保證與電網(wǎng)電壓相位一致，因此電機的電流會產(chǎn)生畸變，又由于線路電阻的存在，加在電機上的電壓也表現(xiàn)出非正弦性，在進行補償時除考慮基波外，還應(yīng)考慮諧波問題。

以上2種情況均可以等效為1個電感和1個電阻的串聯(lián)，在圖3中Xm和rm分別為感抗和電阻，只是Xm和rm均不是常量而是隨電機運行狀態(tài)變化而變化的量。同時考慮到線路中存在電阻（設(shè)電阻為r1），這樣要想提高功率因數(shù)，就可以采用并聯(lián)電容器的方法進行，圖3中Xe就是并聯(lián)電容的容抗。

圖3 測量等效值電路模型

通過計算電壓電流的基波及諧波的幅值和相位得到的xm和rm；r1是一個定值，由電線的規(guī)格及長度計算出來。通過電容補償?shù)哪康木褪菧p少或消除無功損耗，補償時設(shè)電動機的等效感抗為Xm=jωl，則對于n次諧波，補償電容C有：

C = lr2m + n2ω20 l2

可見補償電容值不僅與電機的等效電阻、電感有關(guān)，還與諧波之間有關(guān)系，諧波次數(shù)越高需要的補償電容越小。但需注意，在諧波較大時，不能一味追求功率因數(shù)，而應(yīng)從綜合效率上考慮。

5 實驗及比較

根據(jù)上述補償方案，研制了新一代抽油機節(jié)能裝置。使用電參數(shù)測試儀對抽油機安裝抽油機節(jié)能器前后進行檢測與分析。以江蘇油田陳2-14井為例，安裝節(jié)能器前后測試儀所測信號波形波形分別如圖4（a），（b）所示。

根據(jù)所測量的數(shù)據(jù)計算有功功率、平均功率因素為：補償前每個采油周期的平均有功功率7.46×3，平均功率因數(shù)0.64；補償后每個采油周期的平均有功功率6.53×3，平均功率因數(shù)0.904。

圖4 補償前后實測信號

6 結(jié) 語

抽油機的工作狀態(tài)復(fù)雜，在一個行程周期中，其負載的變化頻繁，其電機不僅工作于電動狀態(tài)，還會工作于發(fā)電狀態(tài)，因此必須綜合考慮，建立合理的模型，才能有效節(jié)能。本文建立的動態(tài)無功補償?shù)臄?shù)學(xué)模型，為計算機控制補償?shù)於死碚摶A(chǔ)。在系統(tǒng)設(shè)計時，不僅進行無功補償來節(jié)省無功，提高功率因素，還結(jié)合斬波調(diào)壓技術(shù)減少傳輸線路損耗，即節(jié)省了有功。通過試驗，該節(jié)能裝置節(jié)能效果良好。

參 考 文 獻

［1］尚德彬，李增印.抽油機無功補償技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］.電機技術(shù)，2006(2):34-36.

［2］趙建洋.一種少數(shù)點FFT遞歸算法［J］.振動與沖擊，2006，25(2):48-50.

［3］趙鵬飛.油田抽油機節(jié)能方式綜述及解決方案［J］.科技資訊，2007(6):96-97.

［4］Abril I P，Quintero J A G.VAR compensation by Sequential Quadratic Programming.Power Systems.IEEE Transactions on，2003:36 - 41.

作者簡介 金 鷹 1968年出生，淮陰工學(xué)院副教授。主要研究方向為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。

趙建洋 1963年出生，淮陰工學(xué)院副教授。主要研究方向為信號處理。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。