1 概述

潛油電泵舉升井液是原油開采的主要設(shè)備。我國自1981年引進潛油電泵技術(shù)以來至今已有近40年的歷史，近40年來，潛油電泵在油田得到了廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計資料表明，目前我國的潛油電泵占機械采油井總數(shù)的10%，產(chǎn)液量占總產(chǎn)液量的30%，成為油田高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要手段之一。潛油電泵一般井深1000~3000米。在油井生產(chǎn)中應(yīng)用變頻器進行調(diào)產(chǎn)，可使電泵的效能提高，與油井產(chǎn)能匹配良好，調(diào)產(chǎn)范圍大，泵的合理工作范圍寬，延長檢泵周期，減少作業(yè)費用，有效提高產(chǎn)量。

潛油電泵系統(tǒng)的作用是實現(xiàn)高揚程、大排量的流體舉升。

（1）量采液是這種采油方法的主要優(yōu)點。目前潛油電泵也經(jīng)常應(yīng)用于產(chǎn)液量比較低的油井。

（2）潛油電泵能夠把油井中位于上部水層的水轉(zhuǎn)注到下部的注水層中。

（3）操作簡單，管理方便，在市區(qū)應(yīng)用有利于美化環(huán)境、減少噪音。

（4）能夠較好地運用于斜井、水平井以及海上采油。

（5）便于處理腐蝕和結(jié)蠟。

（6）便于安裝井下壓力及溫度等測試裝置，并通過電纜將測試信號傳遞到地面，進行相關(guān)數(shù)據(jù)采集。

（7）為適應(yīng)油井產(chǎn)量遞減或發(fā)生變化，可采用變頻裝置調(diào)節(jié)輸出頻率及電壓來實現(xiàn)，但投入費用較高。

（8）免修期較長，油井生產(chǎn)時效相對比較高。

2 三種潛油電泵專用變頻器的結(jié)構(gòu)特點分析

潛油電機的工作電壓一般為380V~3500V，電流為30~120A。潛油電泵的啟動和停機以及運行中的一系列頻率控制，以及長距離線纜損耗補償，需要專用的變頻柜來完成。潛油電泵變頻器按輸出電平數(shù)劃分，有低壓兩電平（高低高型），中壓三電平，多電平單元級聯(lián)式三種結(jié)構(gòu)。新風(fēng)光公司是變頻器專業(yè)生產(chǎn)廠家，潛油電泵專用變頻器主要為中壓三電平變頻器和多電平單元級聯(lián)式變頻器。

高低高方案采用升降壓的辦法，將低壓或通用變頻器應(yīng)用在中、高壓環(huán)境中。原理是通過降壓變壓器，將電網(wǎng)電壓降到低壓變頻器額定或允許的電壓輸入范圍內(nèi)，經(jīng)變頻器的變換形成頻率和幅值都可變的交流電，再經(jīng)過升壓變壓器變換成電機所需要的電壓等級。這種方式，由于采用標準的低壓變頻器（兩電平），配合降壓，升壓變壓器，故可以任意匹配電網(wǎng)及電動機的電壓等級，容量小的時侯改造成本較直接高壓變頻器低。

常規(guī)的高低高中壓變頻系統(tǒng)具有以下缺點：

（1）較于三電平或級聯(lián)式中壓變頻器，需要額外配置升壓、降壓兩個變壓器，系統(tǒng)占地面積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，低壓側(cè)電流大，可靠性低。變壓器使得系統(tǒng)運行效率大大下降（約8-10%），影響節(jié)能效果，系統(tǒng)整體成本高。

（2）變壓器必須能夠承受變頻器頻率輸出范圍的大幅變動，設(shè)計和制造水平要求較高，另外一般的變壓器設(shè)計階段就已確定了最佳的運行頻率，應(yīng)用于變頻器輸出升壓可能會引起系統(tǒng)整體性能的下降.

（3）高低高方案中的低壓變頻器均為電壓源型，本身輸出波形就不是很理想，高次諧波經(jīng)由升壓變壓器放大后對電機發(fā)熱、噪聲等都會帶來不利的影響，縮短電機的使用壽命，將為系統(tǒng)的性能、壽命、可靠性方面埋下隱患。

（4）與高高變頻器等專用的常規(guī)中壓變頻器相比，高低高系統(tǒng)不能很好的解決系統(tǒng)進線端諧波對電網(wǎng)的污染問題，不符合相關(guān)的工業(yè)和國際標準中的諧波要求。

新風(fēng)光公司常規(guī)產(chǎn)品是中壓三電平變頻柜和多電平級聯(lián)式變頻器。

圖1 中壓三電平變頻柜

FG3000中壓系列變頻器（1140V、2300V）為交-直-交型三電平電壓源型變頻調(diào)速器。采用三電平電路拓撲的目的是為了減小IGBT模塊的電壓應(yīng)力，即通過低電壓的IGBT組合實現(xiàn)高電壓條件下的逆變工作。輸出的線電壓有五個電平，因而dv/dt小，輸出諧波成分少（相對兩電平而言）。其主要特點為：

（1）主電路拓撲采用三電平結(jié)構(gòu)，使用低壓功率器件實現(xiàn)中壓逆變輸出，可靠性高。

（2）相對兩電平電路而言，由于輸出電平多，改善了輸出電壓電流波形，電機運行噪音小、振動小。普通電機就能使用，且不必降額。

（3）dv/dt相對較小，使變頻器的電磁兼容特性得到改善。

（4）對電網(wǎng)側(cè)的電壓波動具有自動穩(wěn)壓作用。

（5）啟動電壓可以補償。若輸出端接有長電纜，電纜上的電壓損耗可得到最佳的補償。

（6）柜內(nèi)設(shè)有工頻/變頻切換開關(guān)，便于在變頻故障時可以切換到工頻運行，不耽誤油田的生產(chǎn)。

（7）輸出側(cè)接有RLC低通濾波器（潛油電泵負載專用）。

（8）增加了中壓潛油電泵專用變頻器人機界面操作畫面，用戶觀察、使用、記錄及故障排除更方便，比數(shù)字鍵盤更實用。

3 三電平變頻器原理

新風(fēng)光公司中壓系列變頻器為交-直-交型三電平電壓源型變頻調(diào)速器，主回路原理圖如圖2(以1140V變頻器為例)所示。

圖2 三電平主電路原理圖

三電平電壓源型變頻調(diào)速器，主回路直流母線上的兩組大電容(C1，C2)相串聯(lián)組成濾波器，兩組電容器的連接點即本電路的中心點，該點與每相的兩個快恢復(fù)二極管的連接點連在一起，作為逆變的嵌位點，直流側(cè)兩個電容等容量，且電壓相等，均為U／2（U為母線電壓），逆變器每個功率開關(guān)管承受的最大電壓為母線電壓的1/2，從而實現(xiàn)了用中低壓器件完成中高容量的逆變。以鉗位點為參考點，每相均可以輸出+U／2，0，一U／2三個電平，比傳統(tǒng)的二電平逆變器多了一個電平，其輸出諧波和電壓變化率dv/dt明顯低于二電平逆變器，輸出波形更加優(yōu)化。

圖3 三電平電路輸出波形

由于變頻器到潛油電泵存在有幾千米的電纜線，若把PWM波直接加在電纜輸入端，由于長線效應(yīng)電機側(cè)會受到數(shù)倍于額定值的尖峰電壓沖擊，電機很可能被燒壞。因此輸出側(cè)加裝三相低通LC濾波器是必要的，濾波器截止頻率約為載波頻率的1/3。

4多電平級聯(lián)式變頻器

中壓級聯(lián)式變頻器是新風(fēng)光公司在掌握高壓變頻器技術(shù)基礎(chǔ)上，把高壓變頻器技術(shù)運用到電潛泵專用中壓變頻器上，研制出單元串聯(lián)多電平中壓變頻器。由工頻旁路、輸入移相變壓器、功率單元、主控系統(tǒng)及電氣控制構(gòu)成。適用于輸入電壓AC2400V-AC10000V電壓等級。

圖4 多電平級聯(lián)式變頻器

4.1多電平級聯(lián)式變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點

多電平級聯(lián)式變頻器輸入側(cè)由移相変圧器給每個單元供電，變壓器二次繞組采用延邊三角形接法，可有效降低輸入電流的諧波成分。輸出側(cè)由每個單元的U、V輸出端子相互串接成星形接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，得到完美的正弦波。

多電平級聯(lián)式中壓變頻器由切換柜、移相變壓器柜、功率單元柜、控制柜構(gòu)成。其中，切換柜部分根據(jù)不同現(xiàn)場，要求也不同。

設(shè)備采用高-高電壓源型變頻器電路結(jié)構(gòu)，功率單元串聯(lián)，輸出疊加成高壓，直接輸出到高壓電機。

圖5 多電平級聯(lián)式變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)變頻器的整機輸出電壓要求，3.3kV整機每相3個或5單元，根據(jù)軟件設(shè)定值輸出對應(yīng)的輸出電壓值。

圖6 整機主回路及單元內(nèi)部拓撲圖

整機每相有若干個單元組成，通過載波移相技術(shù)，各單元輸出電壓疊加，形成多電平高壓輸出。電流諧波小，對電纜、電機絕緣無損害。

圖7 輸出電壓階梯波形圖

4.2多電平級聯(lián)式變頻器的技術(shù)優(yōu)勢

4.2.118脈波整流，高質(zhì)量電源輸入

輸入側(cè)移相變壓器將高壓電源變換為副邊相互絕緣的多組低壓，各副邊繞組在繞制時采用延邊三角形的接法，相互之間有一定的相位差。采用移相多脈沖整流方式，消除了單個功率單元所引起的諧波電流，大大抑制了網(wǎng)側(cè)諧波（尤其是低次諧波含量）的產(chǎn)生。

圖8 18脈波整流

4.2.2多電平輸出，完美的輸出性能

單元串聯(lián)脈寬調(diào)制疊波輸出，大大削弱了輸出諧波含量，輸出波形幾近完美的正弦波，具有以下優(yōu)點：

（1）無需輸出濾波裝置；

（2）電機電纜無任何長度限制；

（3）保護電機絕緣不受dv/dt應(yīng)力的損害；

（4）不會因為諧波力矩而降低設(shè)備使用壽命。

4.2.3高可靠性

變頻器采用功率單元串聯(lián)，疊波升壓，充分利用公司現(xiàn)有高壓變頻器的成熟技術(shù)，具有極高的可靠性。

4.2.4高性能

對電泵具有調(diào)速、啟動及智能化控制，既節(jié)能又能延長電泵壽命，降低采油成本，其特性如下：

（1）高效率，額定工況下，系統(tǒng)總效率高達98%以上。

（2）功率單元模塊化設(shè)計，可以互換；

（3）限流功能；

（4）輸出電壓自動調(diào)整；

（5）瞬時停電跟蹤再啟動功能；

（6）全面的故障檢測功能，及時的故障報警保護和準確的故障記錄保存。保護功能包括過載、過溫、缺相、輸出不平衡等。

（7）寬廣的輸入電壓范圍，適合國內(nèi)電網(wǎng)條件

4.2.5塑殼單元模塊化

單元殼體采用塑殼式結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有良好的密封性能，可適用于高潮濕、多粉塵、多腐蝕氣體的場合。同時，所有單元采用相同結(jié)構(gòu)設(shè)計，在功率柜中無安裝位置的限制，可相互調(diào)換。功率單元和功率柜如圖9所示。

圖9 功率柜模塊化設(shè)計

4.2.6簡易操作頁面

參數(shù)設(shè)置：參數(shù)設(shè)置畫面，該畫面中包括變頻器基本參數(shù)的設(shè)置，電機參數(shù)設(shè)置，保護參數(shù)設(shè)置等。參數(shù)設(shè)置界面如圖10所示

圖10 參數(shù)設(shè)置界面

4.2.7人機界面示波器功能：可在線查看輸出電流、電壓等實時值。

圖11 人機界面示波器功能

4.2.8具有“黑匣子”功能

可查看保護前后共計200個點（100ms）的輸出電流、輸出電壓、設(shè)定頻率、運行頻率、輸入電流和輸入電壓值。實現(xiàn)“黑匣子”功能。“黑匣子”故障錄波如圖12所示。

圖12“黑匣子”故障錄波

4.2.9人機界面單元溫度預(yù)警

如圖13所示，主控制系統(tǒng)實時監(jiān)測每個功率單元的溫度，并顯示，當多個單元溫度超過設(shè)定警值時，給出報警聲光提示，讓用戶及時處理如散熱風(fēng)機跳閘、濾網(wǎng)堵塞等問題。

圖13 單元溫度預(yù)警

5 現(xiàn)場應(yīng)用

勝利油田勝海管理區(qū)，位于山東東營市渤海灣黃河三角洲，黃河入?？邳S河口生態(tài)旅游區(qū)內(nèi)的新建人工島上，共有10多口油井，其中兩臺是電泵井，其他的都是皮帶式抽油機。其中井號是KD12-X49的這臺電泵井，處于開采后期，供液量不足，含水量較大，需要將轉(zhuǎn)速降低，實現(xiàn)緩抽。經(jīng)過考察，新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的FG3000系列中壓變頻器，具有調(diào)速方便，節(jié)能效果明顯，輸出濾波效果較好等特點，而且勝利泵業(yè)有限公司以前也在勝利采油廠、濱南采油廠、河口采油廠、孤東采油廠等很多企業(yè)應(yīng)用過該公司生產(chǎn)的JD-BP34或JD-BP35系列潛油電泵專用變頻器，都收到了較好的使用效果，因此本井仍采用該系列變頻器。人工島采油平臺如圖14所示，新風(fēng)光變頻柜現(xiàn)場運行如圖15所示。

圖15 新風(fēng)光變頻柜現(xiàn)場運行圖

通過使用，該類變頻器主要體現(xiàn)在以下幾個方面的優(yōu)點：

（1）操作方便。

現(xiàn)場只需合上隔離開關(guān)，按啟動按鈕，變頻器人機界面顯示正常后，將開/停機按鈕打向開的位置，根據(jù)需要調(diào)節(jié)頻率調(diào)節(jié)旋鈕即可正常運行，非常簡單。

（2）客戶培訓(xùn)方便。

通過人機界面的“操作幫助”按鈕，可調(diào)出預(yù)先編制好的變頻器的操作方法，用戶可以用手機拍下來，隨時隨地學(xué)習(xí)，甚至于不用正規(guī)的培訓(xùn)，用戶就可以很方便的學(xué)會操作，十分方便。

（3）變頻器采用三電平或多電平控制方式，輸出波形比兩電平好，減少了長線效應(yīng)對電機及長電纜的損害，有利于保護電機及電纜，對其他現(xiàn)場設(shè)備也減少了干擾。

（4）節(jié)能效果明顯。由于井供液不足，若采用工頻控制，必須在井口加裝油嘴以控制液量。而使用變頻器后，通過調(diào)整頻率將電機轉(zhuǎn)速降下來，避免了油嘴帶來的阻力損耗，同時轉(zhuǎn)速降低后，電機的功率下降很多，根據(jù)流體力學(xué)，電機功率呈三次方下降，因此可以節(jié)約大量的電能。

（5）人機界面顯示全面，方便用戶抄錄數(shù)據(jù)，人機對話更方便，更具有實用性，用戶評價高，有利于產(chǎn)品的大力推廣。