大港油田共用直流母线技术研究与应用

龙云 刘建福 赵晓青

摘要：随着大港油田的逐步深度开发，土地资源匮乏，人员成本上升，井丛场开发方案的逐步增多。针对目前井丛场开发模式的逐步推广，根据游梁式抽油机的负荷具有周期变化的特点，提出将共用母线技术应用于井丛场配电，有效利用机械馈能，达到节能提效目的。

Abstract： With the gradual deep development of Dagang Oilfield， land resources are scarce， personnel costs are rising， and the development plan for well clusters is gradually increasing. Aiming at the gradual promotion of the current well field development model， according to the characteristics that the beam pumping unit's load has a periodic variation， it is proposed that the common busbar technology be applied to the well cluster field power distribution， and the mechanical energy feed can be effectively used to achieve the purpose of energy saving and efficiency improvement.

关键词：井丛场；共用直流母线；首次；技术应用

Key words： well cluster field；common DC bus；first time；technology application

中图分类号：TG580.23+4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）25-0117-03

0 引言

随着大港油田的逐步开发，提质增效不断深入，新增产能井为减少占用农田，减少人员成本，节约修公路和修井场的土地、资金和时间，选用井丛场开发方案的逐步增多。目前，第六采油厂应用井丛场开发模式的已有6处，正在筹备建设的有3处，涉及油井75口，井丛场配电方式的优化升级以迫在眉睫。

1 目前井丛场配电系统存在的问题

①原有平台井配电系统，多为一台变压器对应多口油井或一台变压器对应一口油井的供电方式，油井采用工频柜或变频柜控制运行，由于缺少统一规划标准，自控系统与配电系统不能有效整合，电控箱林立，布线杂乱，现场设备摆放混乱，为施工埋下安全隐患。

②在应用工频控制过程中，由于交流电机的启动冲击打，启动电流是5-7倍，变压器的容量要留有较大的余量，造成运行时功率因数很低，无功损耗很大，同时增加变压器购置费用和容量损耗费用。

③在应用变频控制过程中，由于游梁式抽油机的负荷具有周期变化的特点，在运行过程中存在反发电现象，通过制动电阻消耗反发电电能，造成能源浪费和设备使用寿命短的问题；而通过能量回馈单元将反发电电能回馈电网，虽然能源得到有效利用，但存在投资高，回馈电能谐波分量高污染电网的问题，我厂以出现多次因谐波分量过高造成大面积停井事件。

2 共用直流母线技术

公共直流母线是随着电力电子技术的发展及不断创新的控制理论而的产生的。在国外国内应用广泛，公共直流母线系统最适合比例连动多台控制（例如：油田抽头机，脱水机，拉丝机，起重机，比例连动控制系统等负载）一般使用变频器驱动都需增加反馈电网的装置或制动电阻，否则无法顺利使用。采用反馈电网的方式，其投入成本高。采用制动电阻因为反馈能量大，消耗功率很大，是较不经济的方法。因此，如何把负载惯量产生的电能再生利用，此为关键技术重点之一。

共用直流母线的原理就是将变频器分解为两个部件，即：整流器部分与逆变器分开。如此：一台较大整流装置可以供应多台逆变装置，每一台逆变器的直流母线均并联在一起.因此，逆变器反馈的能量可以彼此互相利用。所有逆变器能量不足的部分再由整流桥补充，由电网供电；因此这种应用方式节电率最高。而且节能效果好、运行平稳、维护简单。

3 井丛场共用直流母线应用设计思路

基于大港油田第六采油厂羊1#井丛场26口油井集中分布的特点，采取智能抽油井组群控系统，利用直流母线供电电压降低、谐波少、馈能可回收、群控半径大和安全性高等优点，彻底颠覆传统抽油井交流供电模式，有效克服直流供电线路存在的诸多问题，智能抽油井组群控系统根据抽油机上下冲程的特點，错峰启动、削峰填谷，既充分利用倒发电产生的馈能，又大幅减少了变压器的容量。同时智能抽油井组群控系统结合油井供排状况，通过自学习的柔性控制策略，可以控制抽油机的抽汲过程与油层渗流规律精确匹配，保持抽油井在最佳状态下工作，实现有杆泵系统供排协调实时动态调整，达到高效生产、节能降耗的目的，为油田科学生产提供一种新型调整手段，满足智能化采油的要求。

智能抽油井组群控系统主要包括电驱单元、数字化单元和群控软件单元三部分组成。电驱单元包括整流撬装、逆变控制和柔性控制子单元；数字化单元包括整流柜、逆变器运行参数采集和数据远传子单元；群控软件单元包括抽油机专用逆变器控制、井群协调控制、倒发电馈能再利用控制、井群冲程位能控制及抽油机井柔性控制等群控软件子单元。

3.1 整流桥及逆变器选型研究

①整流单元把交流电源转换为电压稳定的直流电源，从稳定性、整流效果、功耗、对电网污染等多个方面进行类比。最终为确保运行稳定确定采用二极管全波整流，并要求两套整流单元可单独运行，也可并列运行。单套整流单元额定功率不低于400kW。整流单元应提供完善的保护，具有输入过/欠压、输入缺相、输入反接保护、电流限幅、过流等保护功能，并分别在交流侧、直流侧安装多功能电能计量装置。

②采用800KW，整流，选型依据：整流柜容量稍大于逆变器实际总容量（33KW*26=858KW）*0.33=283KW，因为26台逆变器采用群错峰控制，实际有功功率系数为1/3。800KW整流柜内含2台400KW整流单元，整流单元型号为：GD800-61-400-4；两台整流单元，可以一用一备，可通过刀闸切换。整流柜前端配备输入电抗器提高功率因数，同时配备前端LC滤波器。

整流柜的输入输出端的电流、电压、功率等电参数据可通过RS485 Modbus输出。

③逆变器控制器的选型根据电机功率来进行选择，电机功率为33KW，逆变器功率选37KW，石油专用逆变器型号为：GD300-037G-4-SIY，另备用一台大功率逆变器45KW，针对长时间停机问题，作为紧急启动和备机使用；同时逆变柜内，加装一块24V开关电源，容量满足300W，用于数据采集控制单元、逆变柜控制单元、视频安防单元、无线网络传输单元等供电。

④逆变器控制方式采用无PG矢量控制，同时为了使逆变器根据负载情况自动调整输出频率，逆变器采用功率平衡控制，控制方式原理如图1所示。

3.2 反馈电能利用技术的研究

在井丛场抽油机应用共用直流母线变频集控系统运行时，由于抽油机是其曲柄带以配重平衡块带动抽油杆，驱动井下抽油泵做固定周期的上下往复运动，把井下的油送到地面。在一个冲次内，随着抽油杆的上升/下降，而使电机工作在电动/发电状态。上升过程电机从电网吸收能量电动运行；下降过程电机的负载性质为位势负载，加之井下负压等使电动机处于发电状态，把机械能量转换成电能回馈到直流母线。为确保所有抽油机避免同时处于发电/电动状态。使用智能油井组群控系统，利用直流母线供电压降低、谐波少、馈能回收、距离远和安全性高等优点，彻底颠覆传统抽油井交流供电模式，有效克服直流供电线路存在的诸多问题，使多油井在启动和运行过程中实现电动与发电状态达到相对平衡，避免同时处于发电状态造成对元器件冲击和馈能有效利用问题，并通过制动单元在直流母线电压超过700V时投入运行，保证直流系统电压在700V以下电压范围内安全运行，提高了井丛场多抽油机采油系统的安全高效运行。通过馈能利用及优化控制，使群控系统内各抽油井倒发电馈能与电动消耗能量保持平衡，提高直流母线能量的互馈共享和循环利用效率。

3.3 油井负荷与变压器匹配容量计算

利用共用直流母线系统内的多口油井冲程冲次各不相同，工作时快慢不一交错运行的特点，加上独特的直流供电方式及专门开发的油井逆变器，单井容量冗余被充分融合压减，大幅度降低了变压器容量和变压器台数，减容达50%以上，同时减少了变压器自身损耗。

根据油井井深负荷等特点及抽油机型号选用，确定匹配电机功率为33KW，现场油井为26台，总额定功率为858KW，经实际测量得出单台变频控制抽油机电机的运行功率为额定功率的50%。得出总运行功率为，429KW。经过系统测试与前期调研，变频控制系统能够有效规避电机启动电流过大问题。可以不用考虑电机启动过程中大电流冲击电网和压缩变压器冗余量到15%。计算得出选用500KVA变压器作为供电变压器满足负荷要求。

3.4 谐波集中治理技术研究

目前市面上的治理谐波的设备而言，主要由无源滤波器和有源滤波器。

无源滤波器：主要由滤波电容器、滤波电抗器、无感电阻和控制保护系统组合而成。当电感与电容串联形成串联谐振，对基波呈容性，电容对基波频率产生无功功率补偿，对谐波形成低阻抗，让谐波流入滤波器。

有源滤波器：是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。可以同时滤除多次及高次谐波，滤除率高达95%以上，且不会引起谐振。

静止无功发生器：基本原理是，将电压源型逆变器，经过电抗器并联在电网上。电压源型逆变器包含直流电容和逆变桥两个部分，其中逆变桥由可关断的半导体器件IGBT组成。能够动态补偿无功功率，实现补偿无功，提高功率因数的效果。

根据羊1#井丛场现场实际测得，电流谐波主导次数以5次、7次为主。本着经济实用的原则选用无源滤波对现场进行谐波治理。

通过优化整流LC滤波设计，实现网侧谐波符合GB/T14549《电能质量 公用电网谐波》。

3.5 无人值守监控技术研究

①为减少人员投入，整个井丛场将采取无人值守运行方式。这就对监控提出了更高的要求，需要全方位不留死角的视角。该系统主要包括以高清智能分析为核心的智能视频分析服务器，以及智能视频监控平台和中心服务器平台。针对传统监控不能满足井丛场当前的安防需求，选用智能入侵检测系统具有的自动学习功能，无须繁琐的手动布防操作，解決了原有系统只能在固定看守位通过手动操作的布防方式。

②主要通过架设监控杆，红外电子围栏，并安装无线网桥、视频云台、音箱、补光灯、RTU监控箱等，实现井场全天候视频监控，对有人或移动物体进入井场时进行跟踪拍摄，启动抽油机前确认安全，对井场的活动进行录像备案等功能；同时对油井生产数据进行采集、通讯、远程智能控制等。

③在井场四个角位置安装4台枪球联动一体机系统、在井场中部安装2台高速智能高清球机，在井场外2口井处安装1台高速智能高清球机；视频通过无线桥传输出中心点无线网桥汇聚，通过光纤网络，将视频传输到服务器，通过流媒体服务器接收实时视频流，进行视频录像、存储，将视频文件传输到客户端，供用户在线观看；也可从视频采集、压缩软件，再以流式协议直播给客户端，视频通过解码器上电视墙，完成实时监视信号显示和录像内容的回放及检索。

4 结束语

通过羊1#井丛场共用直流母线配电系统在大港油田首次应用证明，对大港油田井丛场配电系统目前存在的问题，进行了不断优化，共用直流母线系统适用于井丛场野外工作，具有保护功能齐全，最大化利用变频反馈电，集中消谐消除电网污染，同时优化整合电力及自控单元，优化配套变压器容量，节能效果好，具有良好的推广价值及应用前景。