抽油机节能自动控制系统优化一、抽油机节能自动控制系统优化背景1.1国际环境当前全球经济发展过程中，有两条显著的相互交织的主线：能源和环境。
能源的紧张不仅制约了相当多发展中国家的经济增长，也为许多发达国家带来了相当大的问题。
因此，不论在国内还是国外，尤其是在工业生产中，节能问题已经受到越来越多的重视。
而油田作为耗能大户其节能受到全世界的关注。
1.2国内环境我国油田在原油生产过程中，油气集输、含油污水处理、油田注水、水源井供水等主要生产工艺大部分是通过各种泵、空气压缩机来完成，其用电量占油田总用电量的70%～80%。
在油田开采过程中，通常电动机的装机功率较大：一是泵装置的设计能力按最大化的抽取要求选择，设计及选型阶段即存在能力过剩；二是随着油井由浅入深的抽取，抽油机装置的能力过剩随流体总量的减少而加大，产量越趋降低，泵装置水泵和空气压缩机大都处于电动机驱动恒速运转状态，由于设计时考虑到油田发展的需要，选型时一般选择容量较大的电动机，使得大多数油井泵都存在大马拉小车的现象；另一方面，随着油田开发程度的加深，注采、集输等要求的不断调整，很大一部分油、水泵处于变工况状态下运行，因此在运行中普遍存在着离心泵节流、往复泵打回流的现象，造成电能损失巨大。
三是为保证抽油机的启动要求；四是保证在运行时有足够的过载能力。
而电动机正常工作时常以轻载运行，因此造成抽油机与电动机的荷载匹配不合理，在运行中处于大功率带小负载的情况。
电机在抽油机上行时处于有功工作状态，下行时处于发电状态，大部分时间出现“大马拉小车”现象，这种现象普遍存在于油田开采中。
特别是在油田的开发后期，机采井的产量急剧下降，抽油机在工作中存在着不同程度的“泵空”和“干抽”情况，工作效率低，能耗大，无效行程增加。
1.3孤岛采油厂现状孤岛油田进入开发中后期，部分区块由于含水上升，开发难度加大，设备老化，机械采油耗电量增加。
电动机的平均负荷率仅为20%一30%，部分电动机负荷率更低，造成能源的极大浪费。
在采油成本中，抽油机电费占30%左右，年耗电量占油田总耗电量的20%-30%，为油田电耗的第二位，仅次于注水。
如果一台抽油机节省一点能源消耗，则整个经济效益是相当惊人的。
面对现状，孤岛采油厂加强内部用电管理，优化抽油机倒发电与节能自动控制系统，电量消耗得到有效控制。
1.4游梁式抽油机运行技术分析游梁式抽油机，性能稳定，运行可靠，维修方便，是我厂普遍采用的抽油机。
虽然其抽汲速度慢，却一直是世界上使用的主要抽油设备，在我国的老油田，使用率在80%以上。
孤岛采油厂有稠油井900多口，生产井750口左右。
游梁式抽油机使用率达99%。
游梁式抽油机电机轴扭矩与时间的变化曲线如图1所示。
从图1中可以看出，游梁式抽油机的负荷是周期性波动变化的，同时在每个周期中存在负扭矩。
由于所用电机的输出功率是稳定的，两者的工作特性不匹配，造成了每个抽油周期中存在“倒发电”和“大马拉小车”现象。
“倒发电”的危害是十分大的，除了造成一部分电能损失外，还会极大的影响电网侧的功率因数。
根据计算和测试，可造成20%左右的电能损耗，使功率因数降低0.4左右；再加上“大马拉小车”造成的电能损耗及功率因数的降低、正常的机械摩擦损耗及电机发热损耗，游梁式抽油机的效率不超过30%，电网侧的功率因数只有0.3左右。
根据电业部门出台的新法规，电机电网侧的功率因数达不到0.85就按一定比例罚款，这对使用地方电网供电的油田和油区来说，提高抽油机电网侧的功率因数的问题迫在眉睫。
二、自动控制系统的总体设计方案图2所示为本系统的组成原理框图，本系统采用功能单元模块化结构，其总体方案主要包括交流电源控制变流器单元；不平衡馈能自动处理单元；检测与保护控制单元；单片机系统控制单元。
单片机系统控制模块作为整个系统的智能化控制核心，连续不断地通过检测与保护控制单元模块，对抽油机电机的电流、功率因数和功率等参数进行实时监测，进而对电机的工作状态进行综合判断，并通过电源控制功率模块，对电机绕组的工作电压实施平滑控制。
本方案采用16位高档单片机完成电机工作电压的寻优控制算法，使抽油机电机总是运行于功率因数和效率最佳的工作状态。
采用先进的高频PWM控制技术，使系统具有供电波形好（电机电流很接近正弦波），谐波含量少等优点。
本系统将倒发电能量吸收与处理单元模块和电机并行连接，通过单片机系统控制模块、检测与保护控制单元模块的配合，完成倒发电吸收单元与抽油机电机之间的检测反馈、切换和协调控制，并通过闭环系统的自动调节达到功率的跟踪平衡效果。
三、电路与软件设计该控制系统采用逆变式PWM变流器实现，其主电路如图3所示。
电路中的自关断器件采用了IGBT，具有较快的响应速度，适合跟踪负荷调节输出电压，解决“大马拉小车”的问题。
给主电路的直流侧电容并联一个由IGBT与能耗电阻0R组成的泵升电压限制电路。
当抽油机处于倒发电状态时，控制电路使0V开关导通，把电动机反馈的电能消耗在0R上。
0R用套管式散热器制作，并套在井口附近的油管上，给管内原油加热，减少管壁结腊。
该变流器主电路的整流电路采用二极管整流，使输入电压与输入电流相比没有相位滞后，即使输入电流中含有谐波成分，输入回路总的功率因数能接近于1。
逆变电路采用PWM控制方式，可以大大减少输出电压中所含谐波，使输出电流接近正弦波，而对输出回路的基波功率因数没有影响。
因此，采用该逆变式PWM变流器，可以使电网侧的功率因数得到大大提高。
逆变式PWM变流器的控制电路选用了Intel公司的16位高档单片机80C196MC作为控制核心，该单片机配有专门的PWM波形发生器，特别适合于逆变器控制。
检测与保护电路对系统的电压、电流、温度等参数进行检测并通知单片机，经单片机运算处理后，向相应的控制元件发出指令，从而对系统进行过压、过流、欠压、再生反馈电压、过温及轻载与过载保护。
该变流器控制软件框图如图4，电机运行以后，各检测电路所检测的信号经A/D转换成为数字信号，通过查表与计算处理得出波形发生器所需的控制参数，从而控制波形发生器产生相应的PWM波。
四、FACTS中控制器的使用4.1静止无功补偿器SVC静止无功补偿器的典型代表是晶闸管投切的电容器(TSC)，和晶闸管控制的电抗器(TCR)。
实际应用中，将TCR与并联电容器配合使用，根据投切电容器的元件不同，可分为TCR与固定电容器配合使用的静止无功补偿器，和TCR与断路器投切电容器配合使用的补偿器，以及TCR 与TSC配合使用的无功补偿器。
这些组合而成的SVC的重要特性是它能连续调节补偿装置的无功功率，进行动态补偿，使补偿点的电压接近维持不变，但SVC只能补偿系统的电压，其无功输出与补偿点节点电压的平方成正比，当电压降低时其补偿作用会减弱。
SVC的主要作用是电压控制，采用适当的控制方式后，SVC也可以有阻尼系统功率振荡和增加稳定性等作用。
目前，SVC技术已经比较成熟，国外从60年代就已经开始应用SVC，七十年代末开始用于输电系统的电压控制，经过几十年的发展，不仅将静止无功补偿器，用于输电系统的电压控制，也用于配电系统的补偿和控制，还可用于电力终端用户的无功补偿一电压控制。
4.2静止同步补偿器STATCOM静止同步补偿器也可以称为ASVG——有源静止无功发生器。
它的基本原理是将自换相桥式电路直接或者通过电抗器并联到电网上，适当调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，就可以使该电路吸收或发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿。
ASVG根据直流侧采用的电容和电感两种不同的储能元件，可以分为电压型和电流型。
它可以通过控制其容性或感性电流，与系统交换无功，在任何系统电压的情况下，都能输出额定的无功功率，与SVC相比，在系统故障的情况下静止同步补偿器维持系统电压，提高系统暂态稳定性和抑制系统振荡的作用较明显；近二十几年，静止同步补偿器受到了国内外专家学者的普遍重视，日本从1980年研制出第一台20Mvar的强迫自换相的桥式ASVG，1991年又投入了一台±80Mvar的ASVG成功地运行在154kV的输电线路上，而美国于1995年投入了一台±100Mvar的ASVG。
我国清华大学和河南电力局共同研制成功了一台±20Mvar的静止无功补偿器，并于1999年在河南洛阳朝阳变电所投入运行。
4.3并联蓄能系统并联蓄能装置包括蓄电池蓄能系统(BESS)和超导磁能存储器(SMES)等，是采用并联式电压源换流器的能量存储系统，其换流器可通过快速调节向交流系统供给或吸收电能。
将SMES用于两机系统的频率控制，可以有效地抑制两系统之间的频率偏移。
也可将SMES与静止移相器相结合用于互联系统负荷频率控制。
但这种超导储能装置不但技术要求高，而且在目前的条件下投资费用比较昂贵，大量投入系统运行还存在一定的困难。
4.4晶闸管控制的串联电容器TCSC晶闸管控制的串联电容器的模块主要由串联电容和含有电抗、晶闸管开关的并联回路组成，通过可控硅控制可以灵活、连续地改变补偿容量，达到快速响应的效果。
TCSC在改善电力系统性能方面有很多优点，将TCSC用于高压输电系统，可发挥现有系统的潜力，提高功率传输极限，灵活地调节系统潮流，增加系统阻尼作用，是保证超高压电网安全稳定运行的重要措施。
TCSC与其它FACTS装置相比，潮流控制功能比较简单，受到了GE、ABB和Siemens等大公司的关注和重视。
在美国有三处已经安装了TCSC，并且运行良好，瑞典、巴西等国家也相继将TCSC投入实际运行。
我国在伊敏电厂至齐齐哈尔地区的冯屯变电站的双回输电线上采用串联补偿技术。
4.5静止同步串联补偿器SSSC静止同步串联补偿器是以DC/AC逆变器为基本结构，它的基本原理是向线路注入一个与电压相差90的可控电压，以快速控制线路的有效阻抗、从而进行有效地系统控制。
它在系统中的作用有些类似于TCSC，但是，它控制潮流的能力远大于单方向减少线路阻抗功能的TCSC控制器，并且谐波含量小。
4.6晶闸管控制的移相变压器TCPST晶闸管控制的移相变压器是利用可控硅开关控制移相角度从而改变线路两侧的移相角来控制潮流的大小或方向。
移相器的发展比较早，早在三十年代第一台移相器已经在美国投入运行，随着电力电子技术的发展，70年代开始各国电力专家将晶闸管与移相器相结合开始进行晶闸管控制的移相器TCPST的研究。
经研究表明TCPST具有提高联络线传输潮流，抑制小干扰，提高系统稳定性，阻尼功率振荡，母线电压控制，规约联络线潮流等功能，晶闸管控制的移相器的控制速度快，相角阶梯可以很小，甚至达到无级调节，但晶闸管控制的移相器有一个缺点，它本身需要消耗无功功率，运行中一般需要与无功补偿装置联合使用，并且谐波的含量较高，因此对电能质量有一定的影响4.7可转换式静止补偿器CSC可转换式静止补偿器是近两年推出的FACTS控制器的一种新产品，它实际上是将基于同步变流器的串并联补偿器技术，通过在结构上实现柔性化，使其可以更加灵活地应对不断变化的电力系统要求。