一、引言

隨著我國節能減排政策不斷實施，節約能源、保護環境的理念已深入人心，機電系統節能仍是我國的主要節能工程之一。石油行業擁有眾多抽油設備，機電耗電量占總用電量的40%以上。潛油電泵是機械采油設備家族中重要的一員，在油田得到了廣泛應用。傳統的潛油電泵采用工頻直接運行方式，從節能和工藝上看有著諸多問題，對潛油電泵實施變頻改造，可以明顯的節約能源，并帶來諸多好處。本文僅以WIN-9GV變頻器在勝利油田的應用為例行說明，為潛油電泵的變頻改造提供最佳推廣方案。

二、潛油電泵介紹

潛油電泵是井下工作的多級離心泵，同油管一起下入井內，地面電源通過變壓器、控制柜和潛油電纜將電能輸送給井下潛油電機，使電機帶動多級離心泵旋轉，將電能轉換為機械能，把油井中的井液舉升到地面。潛油電泵結構如圖1 所示。井下部分由潛油電機、保護器、多級離心泵、分離器、電纜構成，地面控制柜提供給井下潛油電機電源，潛油電機為異步電機。潛油電泵具有如下顯著特點：

① 排量大、揚程高。

② 地面設備占用面積和空間小，特別適用于海上采油平臺。

③ 適用于斜井和水平井。

④ 操作簡單，管理方便。

⑤ 運行時無噪音，在居住區不影響環境。

潛油電泵動力電纜需要從地面連接至井下的潛油電機，電纜長度有的達3千米，基于電纜直徑和絕緣的綜合考慮，潛油電泵一般采用660V/1140V/2300V的電壓等級。

圖1 潛油電泵

三、傳統潛油電泵存在問題分析

傳統潛油電泵采用工頻直接供電的方式，潛油泵全速運行。這種方式是最粗糙的供電方式，具有如下弊端。

（1）啟動沖擊大

工頻直接啟動時，沖擊電流數倍于電機額定電流，會對電機和供電電網造成嚴重的沖擊，導致對電網容量要求過高，而且啟動時產生的大電流，不僅無謂浪費掉大量的電能，而且使電動機繞組絕緣老化，威脅電動機的絕緣，嚴重時甚至燒毀電動機。

（2）線路損耗大

由于長電纜的分布阻抗的影響，導致線路中電壓損耗加大。

（3）功率因數低

由于異步電動機為感性負載，加之大馬拉小車，負載率較低，工頻運行的功率因數低。

（4） 調速困難

在產液量低的油井中，容易發生空抽現象，有時伴隨將泥砂抽出的現象，造成電泵砂卡損壞故障。

（5）系統效率低

潛油泵在開始起動時，由于井下情況復雜，要求啟動轉矩很高，所以設計時選型一般偏大。在油田現場， “大馬拉小車”現象是比較常見的，加之潛油泵一直處于工頻恒速運行，泵效低。在我國，潛油泵的系統效率普遍在30%以下。

（6）電能浪費嚴重

由于工頻運行的潛油泵不能根據產液情況調整離心泵轉速，實際上，在產液量低的油井工頻運行并不能加大采液量，而電機的能耗依然很大，泵效很低。在保證產液量不變的情況下降低泵速，節約的電能將會是可觀的。

四、WIN-9GV在勝利油田的變頻改造

勝利油田是我國第二大油田，是一個地質條件復雜、含油層系多、儲層種類多、物性變化大、油藏類型多的復式含油盆地。潛油電泵的掛泵深度一般在地平面以下1000～3000米處，井下的高溫和強腐蝕使潛油泵的工作環境極度惡劣。本文僅以某采油廠一井場為例進行說明。

現場油井泵掛深度約1800m，潛油電機電壓等級1080V，功率42KW。根據現場情況，配置WIN-9GV-055T11變頻器，變頻器主接線原理示意如圖2。 

圖2 變頻器主回路接線原理示意圖

由于電壓型變頻器的輸出電壓為PWM波，若電機電纜過長，電纜間及電纜與地之間的分布電容參數將影響明顯。高頻電壓諧波和長電纜的分布電容會導致電纜中的容型無功電流的大幅增加，容型無功電流在傳輸電纜的分布阻抗上會產生電壓升，當電機輕載滿速運行時，電機的端電壓將超過額定電壓，威脅電機的絕緣。故當電機電纜過長時，必須增加線路電抗以抵消分布電容產生的容型電流，若電纜非常長，除了增加線路電抗外，還必須對PWM電壓進行濾波。由于現場油井泵掛深度約為1800m，變頻器與電機距離非常遠，配置了正弦波濾波器。

變頻器主要參數設置如表2所示。

表2 變頻器主要參數設置

在潛油電泵實際使用過程中，對本井進行跟蹤觀察，節能效果明顯，根據井況調節潛油泵轉速，節電率高達30% 以上。另外，無論重載或輕載，系統的功率因數均較高，尤其在小負載狀態，無功功率大大減小，提高了功率因數，提高電網供電能力，具有明顯的節電效果。

五、WIN-9GV的技術特點

WIN-9GV系列變頻器是微能公司自主研發生產的高性能變頻器，具有如下特點：

① 電路結構簡單，器件數量少，整機可靠性高。無需功率器件串聯就可獲得較高的電壓輸出。

② 逆變部分采用中性點箝位三電平PWM型式。

③ 輸出電壓更接近正弦波，電壓中高次諧波含量低。

④ dv/dt小，對電機絕緣性能無特殊要求。

⑤ 負載適應能力強，開環低速高轉矩輸出，速度控制范圍可達100:1。

⑥ 滑差補償功能可使電機穩定運行。

⑦ 內置自動轉矩補償功能，可或超強啟動轉矩。   

WIN-9GV變頻器最突出的優點是采用了中性點箝位三電平PWM模式，其逆變電路結構如圖3所示。

圖3 三電平逆變電路結構

采用中性點箝位三電平PWM模式具有如下優點：

① 任何時刻處于關斷狀態的開關器件承受的壓降減小，更適合大容量高電壓的場合。

② 可產生多層階梯形輸出電壓，對階梯波再作調制可以得到很好近似的正弦波，理論上提高電平數可接近標準正弦波形、諧波含量很小。

③ 電磁干擾(EMI)問題大大減輕，因為開關元件一次動作的dv／dt通常只有傳統雙電平的一半。

④ 效率高。消除同樣諧波，兩電平PWM控制法開關頻率高、損耗大，而三電平逆變器可用較低頻率進行開關動作，損耗小、效率提高。

⑤ 主要高次諧波遠高于開關頻率。

六、結束語

WIN-9GV變頻器在勝利油田的成功應用，單井節電率達30%以上，不僅如此，還降低了潛油泵的啟動沖擊、改善了電網的功率因數、延長了油井設備的使用壽命等等。隨著油田節能改造的推進，WIN-9GV系列變頻器在潛油泵上的應用必將越來越廣泛。