CN209016721U - 一种基于常规抽油机的超级电容器储能装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于常规抽油机的超级电容器储能装置，属于油田抽油机节能储能领域，其特征在于：包括电动机、变频器、双向DC/DC变换器、超级电容器模块和远程终端RTU；所述电动机与变频器相电连接；所述超级电容模块经双向DC/DC变换器与变频器的母线相电连接；所述双向DC/DC变换器经远程终端RTU与监控模块相连接。抽油机在下行程放杆过程中使电机进入再生发电状态，这部分再生能量通过变频器的逆变模块反馈到直流母线上，通过超级电容模块吸收再生能量并储存防止其对电网产生谐波污染，在抽油机电机电动状态时超级电容模块将吸收的能量放出，提供电动状态尖峰功率，平衡电网输出。
Description
技术领域
本实用新型属于油田抽油机节能储能领域，尤其涉及一种基于常规抽油机的超级电容器储能装置。
背景技术
抽油机发展至今，已有几百种形式，我国现阶段应用的抽油机主要为游梁式抽油机，其结构简单实用、运行可靠性强，但自身结构比较笨重、能耗过高、平衡效果较差等原因，导致***效率过低、电机存在发电现象、普遍存在＂大马拉小车＂和＂上下冲程做功时不平衡＂等问题。为提高抽油机采油***效率，保证抽油机井的高效运行，油田大量采用变频调速装置来提高电动机功率因数，优化抽汲参数，减少电能损耗。当电动机所传动的位能负载下放时，电动机将可能处于再生发电状态；或当电动机从高速到低速(含停车)减速时，频率可能突减，但因电机的机械惯性，电机也有可能处于再生发电状态，传动***中所储存的机械能经电动机转换成电能，通过逆变器的六个续流二极管回送到变频器的直流回路中。此时的逆变器处于整流状态。这时，如果变频器中没采取消耗能量的措施，这部分能量将导致中间回路的储能电容器的电压上升，这部分能量就可能对变频器带来损坏。对再生能量最常用的处理方式有两种：一种是耗散到直流回路中人为设置的“制动电阻”中；另一种是使之回馈到电网，会对电网造成谐波污染。因此如何处理这部分能量是节能提效的关键。
近年来有关抽油机再生能量的处理已经取得了一些成果，实用新型专利200920098739.5公开了超级电容储能式抽油机节电装置，提出将超级电容模块经充放电控制单元接入变频器的直流母线上来完成充放电过程。该专利未考虑到实际应用时，直流母线侧电压较高，直接与超级电容相连会造成瞬时电流过高，长时间使用过程中容易对超级电容造成损坏，缩短使用寿命。
发明内容
本实用新型旨在解决上述问题，提供一种基于常规抽油机的超级电容器储能装置。
本实用新型所述基于常规抽油机的超级电容器储能装置，包括电动机、变频器、双向DC/DC变换器、超级电容器模块和远程终端RTU；所述电动机与变频器相电连接；所述超级电容模块经双向DC/DC变换器与变频器的母线相电连接；所述双向DC/DC变换器经远程终端RTU与监控模块相连接。通过远程终端RTU实时读取高压侧和低压侧参数，过温过热可报警。并且在发生突发状况时由监控模块远程控制切断双向DC/DC变换器工作状态。
本实用新型所述基于常规抽油机的超级电容器储能装置，其特征在于：所述双向DC/DC变换器包括双向DC/DC变换模块、采集模块、信号调理模块、控制器和隔离驱动模块；所述采集模块设置有第一采集模块和第二采集模块；所述信号调理模块经第一采集模块与前述变频器的母线相电连接；所述信号调理模块经第二采集模块与前述超级电容模块相电连接；所述信号调理模块、控制器、隔离驱动模块和双向DC/DC变换模块依次电连接；所述采集模块包括电压采集模块和电流采集模块。将超级电容器组经双向DC/DC变换模块接入至变频器的直流母线端，分别由第一采集模块和第二采集模块对直流母线侧、超级电容器侧的电压电流信号釆样后送入信号调理模块，经调理后转换成转换AD单元可接受的电压信号，由其进行接收并传送给控制器进行处理，控制器运行具体的***控制之后，输出PWM信号给隔离驱动模块，由隔离驱动模块对信号进行隔离放大后对变换模块中的IGBT进行通断控制。
本实用新型所述基于常规抽油机的超级电容器储能装置，所述双向DC/DC变化模块为双向半桥型拓扑结构。双向半桥型DC/DC变换器电压均衡技术成熟，将单体电容串并联成超级电容器组，额定电压可达几十至几百伏，可靠性高，传输效率较好且成本较低。
本实用新型所述基于常规抽油机的超级电容器储能装置，所述控制器采用STM32控制器。
本实用新型所述基于常规抽油机的超级电容器储能装置，所述电压采集模块采用TBV5/25A霍尔电压传感器；所述电流采集模块采用HCN50LX型霍尔电流传感器。
本实用新型所述基于常规抽油机的超级电容器储能装置，包括电动机、变频器、双向DC/DC变换器、超级电容模块和远程终端RTU。三相电网通过变频器驱动电动机工作，超级电容模块经双向DC/DC变换器与变频器的直流母线相接，远程终端RTU与双向DC/DC变换器相接，读取双向DC/DC变换器的采集数据并与远程监控模块通信，随时掌握储能***的工作状况。抽油机在下行程放杆过程中使电机进入再生发电状态，这部分再生能量通过变频器的逆变模块反馈到直流母线上，通过超级电容模块吸收再生能量并储存防止其对电网产生谐波污染，在抽油机电机电动状态时超级电容模块将吸收的能量放出，提供电动状态尖峰功率，平衡电网输出。
附图说明
图1为本实用新型所述储能装置的结构原理图；
图2为本实用新型所述双向DC/DC变换模块拓扑结构图；
图3为本实用新型所述储能装置的控制结构图；
图4为本实用新型所述储能装置的控制策略框图；
图5为本实用新型所述储能装置的电流信号调理模块电路图；
图6为本实用新型所述储能装置的电压信号调理模块电路图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本实用新型所述基于常规抽油机的超级电容器储能装置进行详细说明。
本实用新型所述基于常规抽油机的超级电容器储能装置，如图1所示，包括电动机、变频器、双向DC/DC变换器、超级电容器模块和远程终端RTU；所述电动机M输出端与抽油机相连接；所述电动机输入端与变频器相电连接；所述超级电容模块经双向DC/DC变换器与变频器的母线相电连接；所述双向DC/DC变换器经远程终端RTU与监控模块相连接。在本实施例中监控模块为设置于监控中心的控制计算机终端；滤波电容并联在整流电源电路输出端，用以降低交流脉动波纹系数、平滑直流输出；制动电阻用以消耗多余的能量。
如图3所示，所述双向DC/DC变换器包括双向DC/DC变换模块、采集模块、信号调理模块、控制器和隔离驱动模块；如图2所示双向DC/DC变化模块为双向半桥型拓扑结构。当直流母线电压小于设定最小值时，此时变换器为boost变换器，将超级电容侧放电以提供给逆变器一个稳定的直流电压，并且降低电流纹波。当直流母线电压大于设定最大值时，此时为buck变换器，给超级电容充电，降低逆变器侧的直流电压。在双向半桥变换器正常工作过程中，双向半桥变换器的两个功率器件中，每一时刻只有一个开关工作。当工作在升压模式时，功率开关Q2工作则Q1截止；当工作在降压模式时，功率开关Q1工作则Q2截止。为了保证变换器在两个工作状态间顺利交替，两个功率开关的驱动信号必须保证在一个完全关断后，另一个才能导通。所述采集模块设置有第一采集模块和第二采集模块；所述信号调理模块经第一采集模块与前述变频器的母线相电连接；所述信号调理模块经第二采集模块与前述超级电容模块相电连接；所述信号调理模块、控制器、隔离驱动模块和双向DC/DC变换模块依次电连接；所述采集模块包括电压采集模块和电流采集模块。
将超级电容器组经双向DC/DC变换模块接入至变频器的直流母线端，分别由第一采集模块和第二采集模块对直流母线侧、超级电容器侧的电压电流信号釆样后送入信号调理模块，信号调理模块包括如图5所示的电流信号调理模块和如图6所示的电压信号调理模块，经调理后转换成转换AD单元可接受的电压信号，由其进行接收并传送给控制器进行处理，控制器运行具体的***控制之后，输出PWM信号给隔离驱动模块，由隔离驱动模块对信号进行隔离放大后对变换模块中的IGBT进行通断控制。
在实际使用中不同的抽油机机型需要设置不同的参数，本实施以十型抽油机为例，变频器直流母线电压约为550v，设计超级电容额定电压450v，抽油机电机额定功率为15kw。首先对IGBT选型，考虑两个参数集电极-发射极电压（额定电压）和集电极电流（额定电流），在选择时要考虑瞬态电压以防止被击穿，所以额定电压一般取正常工作电压时的2~3倍；在IGBT工作时峰值电流必须处于安全电流范围，所以IGBT的额定电流一般取峰值电流的2倍。综合考虑上述因素及开关频率的影响，选取SEMIKRON 公司的IGBT模块SKM300GB128D，其额定电压1200V，额定电流370A。
所述控制器需满足***对于开关频率、ADC分辨率和采样率、PWM分辨率的要求：输出波纹相同时，开关频率越高，滤波电容和电感越小，会减小体积及重量但增加开关损耗。根据采样定理，只有采样率是信号最高频率两倍以上时，才能保证采样后数字信号能完整保留原模拟信号的信息，同时为了保证***的输出稳定，ADC的最小分辨率应小于变换器的允许输出电压纹波。对于PWM分辨率，其要高于输出电压纹波要求。根据以上要求选取意法半导体公司生产的STM32微控制器，型号为STM32F103RBT6，它基于ARM Cortex-M3内核，最高72MHz工作频率。
电压采样模块和电流采样模块应符合对应的电压电流范围，具体选型为电流传感器选择HCN50LX型霍尔电流传感器，其电流输入范围为+50A，对应电压输出为+4V。电压传感器选择TBV5/25A霍尔电压传感器，匝比5000：1000。
所述隔离驱动模块由驱动芯片KA962F和AC-DC模块电源PA202组成。由于控制器输出信号幅值最大为3.3V，且本身驱动功率有限，所以需要驱动电路对控制信号进行隔离放大并输送给IGBT。PA202主要提供两路24V直流输出，最大输出功率为6KW，满足本***中IGBT驱动电压、功率需求。KA962F芯片是M57962厚膜驱动电路的改进型，芯片内部具有保护机制，并实现输入与输出的光电隔离，而且其内部设有负压分配器，有效减少了***电器元件的使用，使电路更为简洁。
为使抽油机应用中适用实际工况要求，根据如图4所示基于常规抽油机的超级电容器储能装置的控制策略，在ADC采样之后程序根据采样的电压电流值判断***状态，***启动时，当检测到直流母线侧电压Udc低于下限值Udcmin时，检测超级电容端电压Usc，当电容电压Usc未低于下限值Uscmin时，则由电网和超级电容共同供电；当电容电压Usc低于下限值Uscmin时，则由电网单独供电。当检测到直流母线侧电压Udc高于上限值Udcmax时，检测超级电容端电压Usc，当电容电压Usc未高于上限值Uscmax时，则回馈电能全部给超级电容充电；当电容电压Usc高于上限值Uscmax时，超级电容停止接收回馈电能。通过此策略不仅提高了超级电容能量利用率，还增加了超级电容的使用寿命。
Claims (5)
1.一种基于常规抽油机的超级电容器储能装置，其特征在于：包括电动机、变频器、双向DC/DC变换器、超级电容器模块和远程终端RTU；所述电动机与变频器相电连接；所述超级电容模块经双向DC/DC变换器与变频器的母线相电连接；所述双向DC/DC变换器经远程终端RTU与监控模块相连接。
2.根据权利要求1所述基于常规抽油机的超级电容器储能装置，其特征在于：所述双向DC/DC变换器包括双向DC/DC变换模块、采集模块、信号调理模块、控制器和隔离驱动模块；所述采集模块设置有第一采集模块和第二采集模块；所述信号调理模块经第一采集模块与前述变频器的母线相电连接；所述信号调理模块经第二采集模块与前述超级电容模块相电连接；所述信号调理模块、控制器、隔离驱动模块和双向DC/DC变换器依次电连接；所述采集模块包括电压采集模块和电流采集模块。
3.根据权利要求2所述基于常规抽油机的超级电容器储能装置，其特征在于：所述双向DC/DC变化模块为双向半桥型拓扑结构。
4.根据权利要求3所述基于常规抽油机的超级电容器储能装置，其特征在于：所述控制器采用STM32控制器。
5.根据权利要求4所述基于常规抽油机的超级电容器储能装置，其特征在于：所述电压采集模块采用TBV5/25A霍尔电压传感器；所述电流采集模块采用HCN50LX型霍尔电流传感器。
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