劉沛津，張福堯，王鄭凱

（西安建筑科技大學，陜西 西安 710055）

石油石化產業(yè)是國民經濟發(fā)展的支柱性產業(yè)，在創(chuàng)造巨大利潤的同時，也帶來了巨大的能耗。油田注采系統(tǒng)能耗高、生產效率低的問題尤為突出，降低原油開采能耗已經成為石油開采技術、裝備研發(fā)與制造領域的挑戰(zhàn)性課題。課題組前期研發(fā)了可實現能量互饋節(jié)能的IGBT 四象限PWM 整流裝置，使直流母線上的倒發(fā)電被其他電機重復利用，但在現場運行中存在以下三點問題：（1）啟動瞬間偶爾存在直流側電壓過高現象；（2）油梁平衡度降低時，上下沖程電機周期性負荷峰谷差增大，整流裝置載荷波動加劇，導致其直流側電壓波動偶爾會超出允許范圍；（3）上沖程與下沖程轉換瞬間電壓波動較大。為解決以上問題，首先，需要明確直流側電壓隨著載荷波動的變化規(guī)律，即需要詳細并深入地分析油井載荷波動時，現場經典控制方式下，整流裝置的負載魯棒性。而通過建立實際系統(tǒng)模型并利用所建立的模型對系統(tǒng)進行實驗研究的手段，可以有效降低現場設備試驗風險與成本，是保證現場安全生產，為現場生產調度調控提供借鑒的重要途經。

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，分析載荷變化時整流裝置直流側電壓的變化規(guī)律，及載荷的變化范圍，為現場生產運行及后續(xù)整流裝置的改進與優(yōu)化提供依據。

1 群控整流裝置數學模型

整流裝置的主電路拓撲結構如圖1 所示。圖中ia、ib、ic為交流側各相輸入電流，ea、eb、ec為電網電動勢，L 是濾波電感；R 為開關損耗電阻與電感電阻之和；idc為直流側電流；udc為直流電壓；iL為負載電流；RL為負載等效電阻；C 是直流母線濾波電容。由三相PWM 整流器的拓撲結構可以得到其三相靜止坐標系下的數學模型如式（1）。

圖1 三相電壓型整流器拓撲

式中，Sk(k=a,b,c)為單極性二值邏輯開關函數，1 代表上橋臂導通，下橋臂關斷，0 代表上橋臂關斷，下橋臂導通。將三相靜止坐標系下的數學模型轉換為旋轉坐標系下數學模型如式（2）所示。

根據瞬時有功、無功功率定義可得電網電壓定向d-q 坐標系下PWM 整流器輸入的有功功率和無功功率表達式如式（3）所示。

當P ＞0 時，抽油機從電網吸收能量，整流器工作在整流狀態(tài)；P ＜0 時，抽油機產生倒發(fā)電，整流器工作在逆變狀態(tài)，能量從負載端回饋電網。當電網電壓恒定時，調節(jié)d軸電流即可控制整流器輸入的有功功率，調節(jié)q 軸電流即可控制整流器輸人的無功功率，從而實現油井群控系統(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控制對輸出電壓進行調節(jié)，電流內環(huán)采用前饋解耦對輸入電流調節(jié)控制，外環(huán)電壓反饋的輸出信號作為內環(huán)電流輸入給定信號，通過外環(huán)電壓的變化調節(jié)改變內環(huán)電流輸入，從而實現實時跟蹤目標指令，達到整流的目的。

圖2 經典控制策略結構圖

電壓外環(huán)將采來的直流電壓和給定的直流電壓進行作差比較，將差值作為PI 控制的輸入信號，其簡化控制結構圖如圖3 所示。電流內環(huán)將采來的電流值經過一系列坐標變換后，得到dq 坐標系下的電流值，q 軸為無功電流，d 軸為有功電流，對dq 坐標系下的實際電壓電流值和PI 控制器的輸出值進行非線性解耦，得到解耦后的dq 電壓值，其簡化控制結構圖如圖4 所示。將得到的信號經坐標逆變換得到αβ坐標系下的電壓值，最后，進行SVPWM 調制輸出PWM 控制信號，控制主電路開關橋的通斷狀態(tài)，從而達到整流效果。

圖3 電壓外環(huán)簡化框圖

3 負載魯棒性分析

在油井群控系統(tǒng)中，增加或減少并聯(lián)運行抽油機數量導致油井共直流母線負載大范圍波動是系統(tǒng)實際運行中的典型工況。本文利用Matlab/Simulink 設計仿真實驗，在整流器和系統(tǒng)參數確定的情況下，通過調節(jié)載荷阻值來模擬油井復雜工況，仿真參數如表1 所示。

圖4 電流內環(huán)簡化框圖

表1 仿真參數

3.1 啟動瞬間工況分析

整流器啟動瞬間，直流側所帶負載不同會導致直流側瞬時電壓的不同，運行中要避免出現啟動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瞬間所帶不同負載，與直流側電壓的關系如圖5 所示。仿真關鍵參數如表2 所示。

圖5 不同阻值直流側啟動電壓

表2 啟動瞬間仿真關鍵參數

由圖5 分析可知，直流側的瞬時啟動電壓的大小在系統(tǒng)模型參數確定的情況下，與啟動時所帶負載阻值大小成正比，阻值越大，啟動電壓的超調量越大。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，所以在現場實際操作時不能帶大負載啟動，但負載也不宜太小，避免產生過大的啟動電流。為保證現場的安全運行，選擇合適的啟動負載尤為重要。

3.2 負載單位時間內大范圍變化工況分析

實際工況下，油井負載不斷變化，本節(jié)模擬負載在單位時間內以不同速率進行變，并分析載荷達到極限時直流電壓的變化特征。仿真關鍵參數如表3 所示，在該仿真實驗中，在0.25s 之前在負載為10Ω 下工作，之后在0.5s 內由初始值達到最終值來模擬極差工況，研究負載變化快速變化條件下的直流電壓變化特性。仿真分析結果如圖6 ～9 所示。

圖6 負載連續(xù)變大直流側電壓

圖7 負載連續(xù)變小直流側電壓

圖8 負載連續(xù)變大交流側電壓電流

圖9 負載連續(xù)變小交流側電壓電流

表3 負載連續(xù)變化關鍵參數

由圖6 可得，當負載不斷增大時，直流端的電壓依舊可以穩(wěn)定輸出，超調量會略微增大，在油井共直流母線的承受范圍內，當電阻為1000Ω 時，電流為0.6A 左右，電流值很小，相當于空載。由圖7 可知，隨著負載不斷減小，直流端的電壓在一定范圍內可以穩(wěn)定輸出，當電阻為4Ω 時，此時電流、功率都較大，但存在電壓跌落現象，導致整流器不能在單位功率因數下運行，由上述分析可得，整流器穩(wěn)定運行的負載極限為5Ω 左右。

結合實際油井工況和仿真結果分析可知，油井在減載時，負載不能過低，否則直流側電壓不穩(wěn)定，將出現整流器運行功率因數低，線路中電流較大的情況。

3.3 負載突變及倒發(fā)電工況分析

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

圖10 負載突變直流側電壓變化

由圖10 可知，在0.2s 時，負載由30Ω 變?yōu)?5Ω，電壓發(fā)生突變，變化為569V，經過0.12s 左右，系統(tǒng)能通過自身的PI 調節(jié)很快的達到參考電壓并保持穩(wěn)定。

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

圖11 倒發(fā)電直流側電壓

圖12 倒發(fā)電交流側電壓電流

由圖可知，在0.2s 時電機倒發(fā)電，電壓為700V，此時，電壓突變?yōu)?45V，經過0.15s 直流側電壓恢復穩(wěn)定，該整流器直流側電壓能夠迅速恢復穩(wěn)定，倒發(fā)電時，響應速度快，可以迅速應對油井實際工況中的負載變化，交流側電壓電流相位相反，能量由直流側回饋到電網，從而實現節(jié)能。

4 結語

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