新疆敦华石油技术股份有限公司 新疆克拉玛依 834000
摘要：抽油机是石油开采中关键的采油设备，做好抽油机节能降耗技术的应用，对降低抽油机机采系统采油能耗和提高石油开采水平具有重要意义。文章重点对目前变频技术在抽油机的应用中存在问题进行了分析，通过新型四象限变频器的实践应用，从根本上解决了常规变频器在抽油机应用中的问题，取得了良好的应用效果。
关键词：油田节能；抽油机；节能降耗；四象限变频器
引言
随着油田开采规模逐渐加大，抽油机耗电量大的问题逐渐受到人们的关注。新疆油田以稠油井居多，油井深度浅、原油黏度大，开发方式主要为蒸汽热采方式，地面采油设备主要采用游梁式抽油机。油井正常生产过程中，油井供液能力和原油黏度变化大，抽油机启动力矩往往是抽油机实际作业时所需的3～4倍，在抽油机设备选型时均按照偏大负荷情况来选配，因此导致抽油机在生产过程中时常出现人们常说的大马拉小车情况，抽油机机采系统的效率偏底。变频器具有无极调速功能，能轻易的改变抽油机的工作制来满足抽油机生产要求，因此在各油田的抽油机技术改造用应用广泛，但变频器的广泛应用所导致的电网污染问题也越来突显。
1.变频器在抽油机中的应用分析
变频器是通过改变电机工作电源频率的方式来控制交流电动机的转速，2000年以后，国内变频器技术日益成熟，变频器价格越来越低，对抽油机机采系统改造具有较好的经济性，国内许多油田都开展了对抽油机的变频技术改造，通过变频器的优良调速性能，抽油机的运行工况可以轻易改变，除改变抽油机运行冲次外，还可以通过位置传感器的信号来控制抽油机的上、下冲次以不同的速度来运行，优化了抽油机举升工作制，提高油井产量，提高了抽油机的整体机采效率。但随着变频器在油田抽油机的广泛应用，随之出现的问题也越显突出。
（1）谐波污染
变频器在抽油机上的普遍使用，使大量的谐波电流注入电网，变压器侧谐波电压升高，电压波形畸变升高，网内电器设备和仪器仪表受到严重影响，解决变频器的谐波污染成为当前变频器在油田应用中遇到的一大难题。
目前普遍使用的变频器是通用变频器，不管是采用VF控制还是矢量控制，其基本原理都是先通过二极管整流桥进行整流，将交流电变成直流电，再通过IGBT将直流电源转换成频率和电压都可以任意调节的交流电源。而通用变频器采用二级管整流电路，直流部分有大电容用来储能和滤波，只有当交流输入电压的瞬时值大于直流母线电压时，电网才会给电容充电形成电流，决定了变频器的输入电流为非正弦波形如图1。
.png)
图1 变频器输入电流波形图
从图2谐波检测中可以看到，电流谐波总畸变率THD大于20%，电流波形中包含了大量的谐波成分，主要为5次和7次谐波。
.png)
图2 输入谐波检测图（仪器为3169电能测试仪）
谐波总畸变率（THD）计算公式如下：
.png)
Q为总有效值，Q1为基波有效值，因此THD值越小，代表谐波总含量越少。
目前针对变频器的谐波治理常规手段有：增加输入电抗、直流电抗等方式，这些方式在一定程度可以减少谐波电流，但变频器的输入电流波形与正弦波相比，仍相差甚远，输入电流总畸变在20%以上，说明输入电流中还是存在很大的谐波电流，无法从根本上解决变频器的谐波污染。
（2）回馈能量处理
抽油机工作原理为四连杆机构，通过电机将电能转换为动能，动能经过皮带轮传递给减速箱带动曲柄圆周运动，曲柄与连杆相连，连杆与游梁连接，经过运转最终带动驴头上下往复运动。
抽油机通过电机来驱动抽油机整个四连杆机构运行，电机输出功率P最终转化为曲柄扭矩M，电机功率与曲柄轴扭矩关系为：
.png)
抽油机悬点载荷和平衡机构造成的扭矩与电动机输入给曲柄轴的扭矩M相平衡。抽油机在上、下行程过程中悬点载荷周期变化，因此电机的输出功率也随抽油机的上、下运行而周期变化。
.png)
图3 新疆油田生产区块一油井井抽油机电功图曲线
从图3电功图曲线可以看出，稠油井在一个冲次周期里，电机功率随冲程行程变化而不断变化，其中有部分行程功率为负，说明抽油机在一个冲程里的部分行程运行时，电机出现了发电状态。其主要原因是油井在生产过程中，原油黏度、供液能力的发生变化，抽油机的平衡度也随之变化，当抽油机系统以负扭矩拖动异步电机时，电机旋转角速度增加，甚至会大于其同步角速度，此时电机处于第二象限的回馈制动状态，将抽油机系统中的机械能转换为电能，电机处于发电运行状态。
变频器在抽油机应用中，面对抽油机运行过程中的回馈电能，处理方式主要有能耗制动和回馈单元制动两种方式。
（1）能耗制动：在直流桥侧并联电阻能耗电路，当直流回路的电压超过某规定值时，接通能耗电路，使直流回路通过制动电阻释放能量。该方式存在的问题一是电阻发热量随油井井况变化而变化，温度经常会升高至几百度，安全隐患大，其次是回馈能量通过电阻消耗，系统综合能耗增加。
（2）回馈单元制动：是在变频器直流侧并联回馈单元，回馈单元通过自动检测变频器的直流母线电压，将变频器的直流环节的直流电逆变为与电网同频率、同相位的交流电回馈电网，其原理和变频器逆变部分一样。回馈制动的优点是能将回馈电能返回给电网，一般回馈效率可达97%，热损耗为电阻制动的1%，节能效果明显。
2.四象限变频器特点
正弦波整流技术近来年发展日益成熟，是利用IGBT做为整流桥，用高运算能力的DSP产生PWM控制脉冲，配合专用输入电抗，即可实现正弦波输入电流波形。采用正弦波整流技术的变频器也称之为四象限变频器，其运行机械特性曲线在数学轴上的四个象限都可运行，如图4所示，第一象限正转电动状态，第二象限正转回馈制动状态，第三象限反转电动状态，第四象限反转制动状态。
四象限变频器的输入电流谐波总畸变<5%，彻底消除变频器对电网的污染。IGBT功率模块可以实现能量双向流动，同时解决抽油机了在运行中的能量反馈问题。
.png)
图4 电机磁场与旋转方向分布
3.低功率四象限变频器测试
四象限变频器适用于惯性负载特性场合，适用于油田抽油机的应用，但国内的四象限变频器产品数量不多，而且基本都是大功率产品，功率在100kw以上。新疆油田抽油机电机功率主要集中在7.5～35KW范围。针对小功率电机，在基本原理不变的情况，对正弦波整流技术的控制精度要求上升了一个台阶。
我们通过不断的研究与优化，最终实现了最低功率7.5KW的四象限变频器的开发和应用。针对7.5KW和15KW两种功率规格的四象限变频器，我们分别在不同的负荷情况下进行了测试；
当电网电压畸变为U1U2U3（1.8，1.8，1.9）时，测试结果分析，在电网畸变小于2%，输入不小于50%额定电流时，控制柜完全可以实现电流畸变小于5%的指标。
4．四象限变频器现场应用总结
从近年来在新疆油田应用的四象限变频技术产品测试结果来看，设备正常运行时输入电流谐波畸变小于5%，功率因素99%，设备安装集中的井区，电网电压畸变在2%以下，与安装设备前基本没有变化，从根本上解决了变频器谐波污染问题；同时四象限变频器的IGBT整流单元实现能量双向流动，将抽油机回馈电能反馈回电网，实现抽油机机采系统节能最大化，彻底解决了回馈能量处理问题。四象限变频器是真正的绿色变频器，从根本上解决了目前常规变频器存在的主要问题，在油田针对抽油机使用变频器的开展机采系统改造形势下，具有非常好的应用前景。
参考文献：
[1]吴永波.变频器在油田抽油机节能应用问题探讨[J].中国新技术新产品，2011，（16）：155.
[2]贺清，赵继敏，李小海.游梁式抽油机变频驱动系统中发电状态的解决[J].电机与控制应用，2006，33（10）：35-37.
[3]徐洪兵，孟晓磊，王鑫.抽油机节能方法与变频技术应用[J].中国设备工程，2020（09）：169-170.