一种海上油田电潜泵供电系统

摘要

本发明涉及一种海上油田电潜泵供电系统，该海上油田电潜泵供电系统包括电源、变频器、滤波器、电动机、同步发电机组、升压变压器、长电缆、电潜泵、检测单元、控制器，这是一种“变频器—电动机—同步发电机—电缆—电潜泵”的供电电源方案，这种海上油田电潜泵供电系统与现有技术的“变频器—电缆—电潜泵”供电模式相比，系统设计结构简单，成本低，控制有效性强于现有技术。

说明书

技术领域

本发明涉及一种供电系统，具体涉及一种海上油田电潜泵供电系统。

背景技术

在海上油田，为了提高潜油泵的效益，需要根据潜油泵负载变化情况进行变频调速，因此，必须加装变频器。这样，电潜泵的供电情况有三种类型。采油电潜泵（即：电动机+潜油泵）第一种类型供电方式，常规距离供电（供电距离小于50Km），最高供电电压36Kv、单缆容量50Kva，电缆长度大于20Km时加装变压器，但变频器加装在电缆始端；第二种类型供电方式，长距离供电（供电距离小于200Km），最高供电电压140Kv、单缆容量200Kva，变频器加装在电缆末端；第三种类型供电方式，超长距离供电（供电距离大于200Km），交流最大传输容量50Kva，电压波动大，所以应采用直流输电方式有效，变频器仍加装在电缆末端。

由于变频器含有PWM逆变环节，所以在运行中就会产生谐波和脉冲，由于海底电缆很长加之负荷阻抗和电缆阻抗的不匹配，谐波和脉冲就会反射而造成电缆末端过电压，危机电缆和电机绕组的安全。对于第二和第三种类型供电方式，由于变频器和潜油电机距离较近，不存在安全隐患。对于第一种类型供电系统，一般都采用“变频器—电缆—电潜泵”的供电电源结构，简称IEESP供电系统，如图1所示。该供电系统主要由变频器、滤波器、电缆、电潜泵等组成，该系统存在的突出问题是：

第一，谐波反射。谐波极其严重，主要谐波的次数、谐波电流含量复杂，且长电缆可形成LCR回路使电路系统易谐振，加上变频器电力电子器件产生的高次谐波对电机和电缆绝缘产生很大危害，同时谐波产生发射波与长距离电机侧发射电压叠加时，潜油电机端电压值供电电压值具有增大效应，其结果导致潜油电机端电压过大，极易损坏电缆和潜油电机绕组绝缘。潜油泵变频需要调速，变频器供电输出频率工作点不固定，而对应变频器每个工作点频率都有多种谐波，所以谐波分布在很宽的频域内，这样，即使性能再好的滤波器也不能有效滤除所有次频率下的所有谐波。另外，由于谐波存在，当变频器长电缆供电时，造成供电电压电流不稳定，不能有效控制负载的工况。同样，使用这种方法供电，对变频器来说必须是高压变频器，使变频器和滤波器成本过高。

第二，变频器PWM脉冲反射。长输电缆的特征阻抗和电潜泵负载的特征阻抗不匹配导致潜油电机端脉冲电压过大，电压过大的时刻发生在脉冲上升沿和下降沿处，极易损坏电缆和潜油电机绕组绝缘。

第三，谐波治理问题--“谐波打鼹鼠”现象。更为复杂的是谐波治理存在“谐波打鼹鼠”现象，即：某种频率谐波被抑制掉，另一种频率谐波又被加强，无法根治。这样的困惑一直是变频器和长输电缆领域供电的难题。

第四，脉冲波治理问题--“脉冲波打鼹鼠”现象。研究表明，脉冲波治理最有效的方法是在负载末端加装滤波器，而海上油田电潜泵滤波器加装成本过高。另外，为治理谐波，加装有源滤波器是很好的选择，有源滤波器的原理是利用PWM脉冲波治理谐波，且总与谐波滞后，理论上又产生了更多的脉冲波。因此，谐波治理又产生“脉冲波打鼹鼠”现象。

综上所述，对于第一种供电方式，滤波器只能滤除部分谐波，还会出现各种“打鼹鼠”现象，这样，对于谐波和脉冲波电缆和潜油电机绕组只能被动默默承受高压危险，技术上“爱莫能助”，其绝缘水平受到严重挑战。因此，电压频率可控且无谐波的供电系统模式是海上油田非常有意义的期待。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种海上油田电潜泵供电系统，该供电系统由变频器、滤波器、电动机、发电机、电缆、电潜泵连接构成，形成了集电力电子技术、发电机供电的优点于一身的发电机长电缆供电电源模式，系统设计结构简单，成本低，控制有效性强于现有技术。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种海上油田电潜泵供电系统，包括电源，还包括变频器、滤波器、电动机、同步发电机组、升压变压器、长电缆、电潜泵、检测单元、控制器，其中：

所述变频器将直流变成频率和电压均可调的变压变频交流电源；

所述滤波器与变频器相连接，所述滤波器用来滤除来自变频器的变压变频交流电源中的谐波和脉冲波；

所述电动机通过滤波器与变频器相连接，所述电动机是在变频器的驱动下产生与变压变频交流电源频率相对应转速的足够机械功率或转矩，驱动同步发电机组；

所述同步发电机组与电动机相连接，所述同步发电机组是在电动机的驱动下产生与变频器同频的、通过调节励磁系统产生按照变频器电压频率比同压的变压变频交流电源；

所述升压变压器连接检测单元并通过长电缆连接电潜泵，所述升压变压器用于满足电潜泵所需电压；

所述长电缆连接电潜泵与变压器，所述长电缆输送满足电潜泵要求的变压变频交流电源；

所述电潜泵为满足油井产量需求而提供机械动力；

所述检测单元连接电动机，所述检测单元检测电力参数，为监控采油系统服务；

所述控制器与变频器、电源、检测单元相连接，所述控制器用于监控采油系统；

所述控制器包括DSP控制系统一、DSP控制系统二、DSP控制系统三和负载侧控制系统，所述DSP控制系统一用于控制变频器，所述DSP控制系统二用于控制同步发电机组励磁，所述DSP控制系统三用于监测输电参数，所述负载侧控制系统用于检测电潜泵参数；

所述电潜泵为负载启动状态，变频器根据长电缆端电潜泵负载启动的要求，变频起动电动机，带动联轴的同步发电机组工作，发出指定频率的三相交流电，通过调节励磁系统产生按照变频器电压频率比同压的变压交流电，合成控制后得到变压变频交流电源，经升压变压器升压，通过长电缆供给电潜泵负载。

优选的是，所述滤波器为正弦波滤波器。

在上述任一技术方案中优选的是，所述变频器根据检测的同步发电机组三相交流电频率，电压，电流及谐波含量，通过其控制算法以及精准的转矩控制，使同步发电机组输出频率稳定,电能质量较高的三相交流电。

在上述任一技术方案中优选的是，所述电源为智能电源；所述智能电源根据检测的同步发电机组三相交流电电压值，以及同步机闭环励磁控制调整其输出的三相电压幅值，使同步发电机组输出稳定合适的三相电压值。

在上述任一技术方案中优选的是，该供电系统依据长电缆远端负载变化要求，以及负载电流变化情况，根据其变频调速指令，控制调整同步发电机组输出负载所需要的相匹配的三相交流电。

在上述任一技术方案中优选的是，该供电系统还与长电缆负载端控制系统进行数据交换，根据电潜泵负载的实际工况，调整同步发电机组输出的三相变频变压交流电，实现最优控制。

本发明是针对目前海上油田电潜泵供电所存在的问题而提出的一种新的解决方案。本发明涉及海上油田一种基于“变频器—电缆—电潜泵”的供电电源，特别是涉及海上油田一种“变频器—电动机—同步发电机—电缆—电潜泵”的供电电源。本发明的海上油田电潜泵供电系统主要由变频器、滤波器、电动机、发电机、电缆、电潜泵等组成。即：变频器—电动机—同步发电机—电缆—电潜泵的供电电源方案，简称IMGEESP供电系统。本发明提供的这种集电力电子技术、发电机供电的优点于一身的发电机长电缆供电电源模式，该供电模式的电源具有成本低廉、设计巧妙、特别是谐波含量低、无变频器脉冲干扰、控制有效等优点。

与现有技术变频器—电缆—电潜泵供电模式相比，本发明的海上油田电潜泵供电系统，即IMGEESP供电系统的优点在于：

1、由于在已有传统“变频器—电缆—电潜泵供电模式”中，加入“电动机—发电机”双电机环节，很显然，该环节隔离了变频器产生的谐波，使电缆线路谐波含量低或者基本无谐波输出；

2、由于采用“电动机—发电机—电缆”向另一端输电，该环节隔离了变频器产生的PWM电脉冲，即：无变频器PWM脉冲干扰，这样，就不存在由于变频器PWM脉冲干扰带来的各种复杂工况问尖顶脉冲，提高了长电缆和潜油电机使用寿命。

附图说明

图1为现有技术中的一种“变频器—电缆—电潜泵”供电系统结构示意图；

图2为按照本发明的海上油田电潜泵供电系统的一优选实施例的“变频器—电动机—同步发电机—电缆—电潜泵”供电系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明，以下描述仅作为示范和解释，并不对本发明作任何形式上的限制。

如图2所示，海上油田电潜泵供电系统由电源、变频器、滤波器、电动机、同步发电机组、升压变压器、长电缆、电潜泵、检测单元、控制器连接构成，这是针对目前海上油田电潜泵供电所存在的问题而提出的一种新的解决方案。这种海上油田电潜泵供电系统涉及海上油田一种基于“变频器—电缆—电潜泵”的供电电源，特别是涉及海上油田一种“变频器—电动机—同步发电机—电缆—电潜泵”的供电电源，即：变频器—电动机—同步发电机—电缆—电潜泵的供电电源方案，简称IMGEESP供电系统，这种发电机长电缆供电电源模式，成本低廉、设计巧妙、特别是谐波含量低、无变频器脉冲干扰、控制有效等优点。

这种海上油田电潜泵供电系统的具体构成和各部件连接关系如图2所示：

变频器连接滤波器和控制器，变频器的功能是将直流变成频率和电压均可调的变压变频交流电源。变频器包括整流器和多电平逆变器，整流器与多电平逆变器相连接，多电平逆变器与控制器相连接。变频器根据检测的同步发电机组三相交流电频率，电压，电流及谐波含量，通过其控制算法以及精准的转矩控制，使同步发电机组输出频率稳定,电能质量较高的三相交流电。

滤波器的一端与变频器的多电平逆变器相连接，滤波器的另一端连接电动机。滤波器用来滤除来自变频器的变压变频交流电源中的谐波和脉冲波。该供电系统的滤波器采用正弦波滤波器。

电动机通过滤波器与变频器相连接，电动机是用来在变频器的驱动下产生与变压变频交流电源频率相对应转速的足够机械功率或转矩，驱动同步发电机组。

同步发电机组与电动机相连接，同步发电机组是在电动机的驱动下产生与变频器同频的、通过调节励磁系统产生按照变频器电压频率比同压的变压变频交流电源。

升压变压器连接检测单元并通过长电缆连接电潜泵，升压变压器（当需要升高电压时）用于满足电潜泵所需电压。

长电缆连接电潜泵与变压器，长电缆的功能是用来输送满足电潜泵要求的变压变频交流电源。

电潜泵为满足油井产量需求而提供机械动力。

检测单元连接电动机，检测单元检测电力参数，为监控采油系统服务。

控制器与变频器、电源、检测单元相连接，控制器用于监控采油系统。控制器包括DSP控制系统一、DSP控制系统二、DSP控制系统三和负载侧控制系统。DSP控制系统一的一端连接变频器的多电平逆变器，其另一端通过现场总线连接DSP控制系统二、DSP控制系统三、负载侧控制系统，其用于控制变频器。DSP控制系统二的一端连接智能电源，其另一端通过现场总线与DSP控制系统一、DSP控制系统三、负载侧控制系统连接，其用于控制同步发电机组励磁。DSP控制系统三的一端连接检测单元，其另一端通过现场总线连接DSP控制系统一、DSP控制系统二、负载侧控制系统，其用于监测输电参数。负载侧控制系统则是用于检测电潜泵参数。

这种海上油田电潜泵供电系统，当电潜泵处于负载启动状态时：

变频器根据长电缆端电潜泵负载启动的要求，变频起动电动机，带动联轴的同步发电机组工作，发出指定频率的三相交流电，通过调节励磁系统产生按照变频器电压频率比同压的变压交流电，合成控制后得到变压变频交流电源，经升压变压器升压，通过长电缆供给电潜泵负载。

该海上油田电潜泵供电系统的电源采用智能电源，智能电源连接变频器、控制器、同步发电机组，智能电源根据检测的同步发电机组三相交流电电压值，以及同步机闭环励磁控制调整其输出的三相电压幅值，使同步发电机组输出稳定合适的三相电压值。

该海上油田电潜泵供电系统，即IMGEESP供电系统，依据长电缆远端负载变化要求，以及负载电流变化情况，根据其变频调速指令，控制调整同步发电机组输出负载所需要的相匹配的三相交流电。

该海上油田电潜泵供电系统，即IMGEESP供电系统，还可以与长电缆负载端控制系统进行数据交换，根据电潜泵负载的实际工况，调整同步发电机组输出的三相变频变压交流电，实现最优控制。

IMGEESP供电系统由于在已有传统“变频器—电缆—电潜泵供电模式”中加入“电动机—发电机”双电机环节，该环节隔离了变频器产生的谐波，使电缆线路谐波含量低或者基本无谐波输出。由于采用电动机—发电机—电缆向另一端输电，该环节隔离了变频器产生的PWM电脉冲，即：无变频器PWM脉冲干扰，这样，就不存在由于变频器PWM脉冲干扰带来的各种复杂工况问尖顶脉冲，提高了长电缆和潜油电机使用寿命。

以上所述仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非是对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。