用于常规抽油机的超级电容器储能系统设计与分析

发布时间：2020-07-12 22:45

【摘要】：目前我国油田大多数已处于开发的中后期,主要开采手段为机械采油,各大油田机械采油应用最多的就是常规游梁式抽油机。常规游梁式抽油机结构简单实用、可靠性强且技术成熟寿命长,但自身结构所限会存在有杆抽油泵系统总效率较低、电机会有发电现象、平衡效果差等问题,且每年造成的能耗也相当可观。针对电机发电现象,传统的做法是使用制动电阻的热效应来消耗这部分能量,未能充分利用这部分能量。如果将能量回馈电网,又会产生谐波污染或者效率过低等问题。基于此,利用超级电容器来对这部分能量进行回收,并在抽油机电机电动运行时放出以缓解电网压力,以此来达到稳定变频器直流母线电压、节能降耗的目的。首先对抽油机的运行原理进行分析,计算出下行程放杆时电机发电的能量。制定超级电容跟抽油机间的接入方案,同时对双向DC/DC变换器进行工作原理的分析与拓扑结构的选择。依据接入方案设计储能系统整体控制策略,分析超级电容的充放电模式,选择与工况合适的充放电方式。最后,对超级电容进行参数匹配、选型与结构设计。储能系统自身具有非线性且输入输出扰动性大的特点,一般的PID控制方法已无法满足需求。因此,采用自适应控制的方法对双向DC/DC变换器进行控制,它对模型的偏差和外部干扰具有鲁棒性。基于Matlab/Simulink平台对控制策略和控制算法进行仿真验证。最后进行现场实验对整体方案进行验证,完成实验设计、器件选型和储能系统搭建后前往现场进行实验。对实验数据进行处理后,进行常规抽油机超级电容器储能系统实验结果评价,分析系统效率及经济性。
【学位授予单位】：西安石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE933.1;TM53
【图文】：

第二章 能量回馈与双向 DC/DC 变换器特性研究抽油机主要的平衡方式为机械平衡方式，能量回馈发生在往复运动的度不佳的油井，能量回馈现象尤为严重。研究能量回馈之前首先得掌理和平衡过程，再根据平衡过程考虑最大回馈能量，以此来做为储能础。油机运行特性分析油机运行原理抽油机机械结构如图 2-1 所示，抽油机主要由四连杆机构、平衡装置和辅助装置等几大部分组成。

电压比较低只有几伏的电压，通常超级电容器如果想应用于要将成百上千乃至上万的超级电容单体串并联起来构成能满是由于电容单体的参数具有离散性，若想让整个储能阵列完合适的均压策略与控制电路。但是串并联的数量越多，会造，导致需要平衡电压的均压电路也越复杂，成本太高以至失面考虑，首先应达到高压梯度要求，同时尽可能选择额定电一个需要考虑的问题，在超级电容充放电过程中，高压端相4、5 倍以上，若直接互相相接将影响正常工作或导致变频器损在高压直流端和电压直流端之间需要接入双向 DC/DC 变换递[28]。DC 变换器拓扑结构选择C 变换器是一种直流电压之间的变换器件，特点是能够在保的情下完成能量的互相传递。

图 2-3 非隔离型直流变换器四种拓扑结构图综上所述，非隔离型双向 DC/DC 变换器都是基于单向直流变换器的基本结构，二管与开关管组合形成相应的电路结构，每种非隔离型双向 DC/DC 变换器都有其应用特定场合，基于此，在选择时应充分考虑实际工况、环境、空间要求，合理选择。4.2 隔离型双向 DC/DC 变换器隔离型双向 DC/DC 变换器的基本结构并不复杂，它是由非隔离型双向 DC/DC 变换拓扑布局嵌入隔离结构得到，通常隔离方式通常有两种：隔离变压器和耦合电感。Buck路中插入变压器可构成正激变换器[32]，Buck/Boost 插入耦合电感可构成反激变换器。如图 2-4 所示为双向反激 DC/DC 变换器[33]，储能结构用的就是耦合电感且可以作为量传输的中间环节，一般选取单向磁化铁粉芯或者磁芯开气隙，主要是为了防止受到流电流分量过大的影响而使电感进入饱和区。变压器漏感会导致开关管有较大的电压力，通常从安全角度来看，会在在原边线圈加钳位电路，保证电路稳定性。

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本文编号：2752585