gscienceMining Science and Technology (Russia)Горные науки и технологии2500-0632The National University of Science and Technology MISiIS (NUST MISIS)10.17073/2500-0632-2024-01-213gscience-836Research ArticlePOWER ENGINEERING, AUTOMATION, AND ENERGY PERFORMANCEЭНЕРГЕТИКА, АВТОМАТИЗАЦИЯ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬStability of a controlled sucker-rod pump unit drive under operating conditions and during voltage dips in the electrical networkУстойчивость регулируемого привода штанговой насосной установки в рабочих режимах и при провалах напряжения в сетиhttps://orcid.org/0000-0002-7772-0095ЕршовМ. С.ErshovM. S.

Михаил Сергеевич Ершов – доктор технических наук, профессор кафедры теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности

Scopus ID 56261333000

г. Москва

Mikhail S. Ershov – Dr. Sci. (Eng.), Professor, Department of Theoretical Electrical Engineering and Electrification of Oil and Gas Industry

Scopus ID 56261333000

Moscow

msershov@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0007-9189-8029ЕфимовЕ. С.EfimovE. S.

Евгений Сергеевич Ефимов – аспирант кафедры теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности

г. Москва

Evgeniy S. Efimov – PhD-Student, Department of Theoretical Electrical Engineering and Electrification of Oil and Gas Industry

Moscow

efimow.evgeniy@yandex.ruРоссийский государственный университет нефти и газа (НИУ) им. И. М. ГубкинаРоссияGubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University)Russian Federation20241710202493292303Copyright © Ershov M.S., Efimov E.S., 20242024Ершов М.С., Ефимов Е.С.Ershov M.S., Efimov E.S.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mst.misis.ru/jour/article/view/836

The use of a variable frequency drive (VFD) for sucker-rod pump units (SRPUs), widely employed in oil extraction, enhances the energy and technological efficiency of oil production and reduces equipment wear. However, its application is hindered by unstable operation under insufficient balancing of the SRPU and sensitivity to short-term voltage dips, which frequently occur in the extensive electrical networks of oil fields. Insufficient balancing of the SRPU leads to the occurrence of a period within the pumping cycle where the  motor operates in generator mode, caused by the unevenness and reversal of the resistance torque of the working mechanism. The motor’s transition to generator mode, as well as voltage dips in the power supply, causes the voltage in the DC link of the VFD to exceed the set limits, resulting in the drive being shut down. To investigate the processes during the operation of sucker-rod pump units and to test methods for mitigating the negative impact of generator mode and voltage dips in the power supply network on the VFD, a model of the “power grid – variable frequency SRPU drive” system with a load characteristic of this application was developed in Matlab Simulink. A series of experiments were conducted, and the results were analyzed. The suppression function of the generator mode was examined, and the feasibility of its application to real SRPUs was evaluated. The use of an uninterruptible power supply system based on battery energy storage to prevent operational interruptions during different levels of power supply voltage dips was analyzed. The resulting model can be used for general analysis of operability and stability, as well as for verifying the correct selection of key elements in the design of sucker-rod pump unit systems with variable frequency drives.

Применение частотно-регулируемого привода штанговых насосных установок (ШНУ), широко используемых для добычи нефти, повышает энергетическую и технологическую эффективность добычи нефти, способствует снижению износа оборудования, но его применение сдерживается неустойчивой работой при недостаточной уравновешенности ШНУ и чувствительностью к кратковременным провалам напряжения, часто возникающим в протяженных электрических сетях нефтепромыслов. Недостаточная уравновешенность ШНУ приводит к появлению в цикле качания периода работы двигателя в генераторном режиме, обусловленном неравномерностью и изменением направления момента сопротивления рабочего механизма. Переход двигателя в генераторный режим так же, как и провалы питающего напряжения, приводит к выходу напряжения в звене постоянного тока преобразователя частоты за установленные пределы и к отключению преобразователя. Для исследования процессов при работе штанговых насосных установок и проверки способов устранения негативного влияния на преобразователь частоты генераторного режима, а также провалов напряжения питающей электросети с целью повышения устойчивости системы в среде Matlab, Simulink создана модель «электрическая сеть – частотно-регулируемый привод ШНУ» с характерной для данного применения нагрузкой, проведен ряд опытов и выполнен анализ результатов. Рассмотрена программная функция подавления генераторного режима и дана оценка возможности ее применения для реальных установок. Проанализировано применение системы бесперебойного питания на основе аккумуляторных накопителей энергии для предотвращения прерывания работы при разных уровнях провалов питающего напряжения. Модель, полученная в результате работы, может быть применена для общего анализа работоспособности и устойчивости, а также проверки правильности подбора ключевых элементов проектируемых систем штанговых насосных установок с частотно-регулируемым приводом.

штанговая насосная установкачастотно-регулируемый приводпреобразователь частотыпреобразователь постоянного токааккумуляторная батареягенераторный режимпровал напряжениякомпьютерное моделированиеsucker-rod pump unitvariable frequency drivefrequency converterDC converterbattery storagegenerator modevoltage dipcomputer modelingReferencesЯрыш Р. Ф., Гарифуллина А. Р., Гарифуллин Р. И., Якунин А. Н. Исследование режимов работы частотно-регулируемого электропривода станка-качалки. Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2018;20(11–12):56–64. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2018-20-11-12-56-64Yarish R. F., Garifullina A. R., Garifullin R. I., Yakunin A. N. Investigation of operating modes of frequency-regulated electric drive of pumpjack. Power Engineering: Research, Equipment, Technology. 2018;20(11–12):56–64. (In Russ.) https://doi.org/10.30724/1998-9903-2018-20-11-12-56-64Егоров А. В., Ершов М. С. Экспериментальное исследование устойчивости асинхронных частотно-регулируемых приводов при кратковременных провалах напряжения. Промышленная энергетика. 2018;(4):9–12.Egorov A. V., Ershov M. S. Experimental study of the stability of asynchronous variable-speed drives (VSD) during short-term voltage failures. Industrial Power Engineering. 2018;(4):9–12. (In Russ.)Xu Y., Lu W., Wang K. et al. Sensitivity of low-voltage variable-frequency devices to voltage sags. IEEE Access. 2019;7:2068–2079. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2885402Xu Y., Lu W., Wang K. et al. Sensitivity of low-voltage variable-frequency devices to voltage sags. IEEE Access. 2019;7:2068–2079. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2885402Пантель О. В. Методика расчета параметров асинхронного двигателя для моделирования режимов его работы в среде Matlab/Simulink. Academy. 2015;2(2):7–11.Pantel O. V. Method of calculating the parameters of an asynchronous motor to model its operating modes in the Matlab / Simulink environment. Academy. 2015;2(2):7–11. (In Russ.)Haisen Z., Yilong W., Yang Z. et al. Practical model for energy consumption analysis of beam pumping motor systems and its energy saving applications. In: 2017 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting. 1–5 October 2017, Cincinnati, OH, USA. Pp. 1–9. http://dx.doi.org/10.1109/IAS.2017.8101721Haisen Z., Yilong W., Yang Z. et al. Practical model for energy consumption analysis of beam pumping motor systems and its energy saving applications. In: 2017 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting. 1–5 October 2017, Cincinnati, OH, USA. Pp. 1–9. http://dx.doi.org/10.1109/IAS.2017.8101721Zheng B., Gao X., Li X. Fault detection for sucker rod pump based on motor power. Control Engineering Practice. 2019;86:37–47. https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2019.02.001Zheng B., Gao X., Li X. Fault detection for sucker rod pump based on motor power. Control Engineering Practice. 2019;86:37–47. https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2019.02.001Fakher S., Khlaifat A., Hossain M. E., Nameer H. A comprehensive review of sucker rod pumps’ components, diagnostics, mathematical models, and common failures and mitigations. Journal of Petroleum Exploration and Production Technology. 2021;11:3815–3839. https://doi.org/10.1007/s13202-021-01270-7Fakher S., Khlaifat A., Hossain M. E., Nameer H. A comprehensive review of sucker rod pumps’ components, diagnostics, mathematical models, and common failures and mitigations. Journal of Petroleum Exploration and Production Technology. 2021;11:3815–3839. https://doi.org/10.1007/s13202-021-01270-7Ершов М. С., Ефимов Е. С. Моделирование энергоэффективности электропривода штанговой насосной установки. В: Мартынов В. Г. (отв. ред.) Губкинский университет в решении вопросов нефтегазовой отрасли России: VI региональная научно-техническая конференция, посвященная 100-летию М. М. Ивановой. 19–21 сентября 2022, Москва. Тезисы докладов. М.: РГУ нефти и газа (НИУ) им. И. М. Губкина; 2022. С. 766–767.Ershov M. S., Efimov E. S. Modeling of the energy efficiency of an electric drive for a rod pumping unit. In: Martynov V. G. (ed.) Gubkin University in Addressing Issues of the Russian Oil and Gas Industry: VI Regional Scientific and Technical Conference dedicated to the 100 th Anniversary of M. M. Ivanov. September 19–21, 2022, Moscow. Abstracts of Reports, Moscow: Gubkin Russian State University of Oil and Gas (NRU); 2022. Pp. 766–767. (In Russ.)Langbauer C., Langbauer T., Fruhwirth R., Mastobaev B. Sucker rod pump frequency-elastic drive mode development – from the numerical model to the field test. Liquid and Gaseous Energy Resources. 2021;1(1):64–85. https://doi.org/10.21595/lger.2021.22074Langbauer C., Langbauer T., Fruhwirth R., Mastobaev B. Sucker rod pump frequency-elastic drive mode development – from the numerical model to the field test. Liquid and Gaseous Energy Resources. 2021;1(1):64–85. https://doi.org/10.21595/lger.2021.22074Уразаков К. Р., Молчанова В. А., Тугунов П. М. Метод расчета динамических нагрузок и энергопотребления штанговой установки с системой автоматического уравновешивания. Записки Горного института. 2020;246:640–649. https://doi.org/10.31897/PMI.2020.6.6Urazakov K. R., Molchanova V. A., Tugunov P. M. Method for calculating dynamic loads and energy consumption of a sucker rod installation with an automatic balancing system. Journal of Mining Institute. 2020;246:640–649. (In Russ.) https://doi.org/10.31897/PMI.2020.6.6Solodkiy E. M., Kazantsev V. P., Dadenkov D. A. Improving the energy efficiency of the sucker-rod pump via its optimal counterbalancing. International Russian Automation Conference (RusAutoCon). 8–14 September 2019, Sochi, Russia. Pp. 1–5. https://doi.org/10.1109/RUSAUTOCON.2019.8867737Solodkiy E. M., Kazantsev V. P., Dadenkov D. A. Improving the energy efficiency of the sucker-rod pump via its optimal counterbalancing. International Russian Automation Conference (RusAutoCon). 8–14 September 2019, Sochi, Russia. Pp. 1–5. https://doi.org/10.1109/RUSAUTOCON.2019.8867737Higure H., Hoshi N., Haruna J. Inductor current control of three-phase interleaved DC-DC converter using single DC-link current sensor. In: 2012 IEEE International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems (PEDES). 16–19 December 2012, Bengaluru, India. Pp. 1–5. https://doi.org/10.1109/PEDES.2012.6484495Higure H., Hoshi N., Haruna J. Inductor current control of three-phase interleaved DC-DC converter using single DC-link current sensor. In: 2012 IEEE International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems (PEDES). 16–19 December 2012, Bengaluru, India. Pp. 1–5. https://doi.org/10.1109/PEDES.2012.6484495Nandankar P., Rothe J. P. Design and implementation of efficient three-phase interleaved DC-DC converter. In: 2016 International Conference on Electrical, Electronics, and Optimization Techniques (ICEEOT). 3–5 March 2016, Chennai, India. Pp. 1632–1637. https://doi.org/10.1109/ICEEOT.2016.7754962Nandankar P., Rothe J. P. Design and implementation of efficient three-phase interleaved DC-DC converter. In: 2016 International Conference on Electrical, Electronics, and Optimization Techniques (ICEEOT). 3–5 March 2016, Chennai, India. Pp. 1632–1637. https://doi.org/10.1109/ICEEOT.2016.7754962Tremblay O., Dessaint L.-A. Experimental validation of a battery dynamic model. World Electric Vehicle Journal. 2009;3(2):289–298. https://doi.org/10.3390/wevj3020289Tremblay O., Dessaint L.-A. Experimental validation of a battery dynamic model. World Electric Vehicle Journal. 2009;3(2):289–298. https://doi.org/10.3390/wevj3020289Cugnet M., Dubarry M., Liaw B. Y. Peukert’s law of a lead-acid battery simulated by a mathematical model. ECS Transactions. 2010;25(35):223–233. https://doi.org/10.1149/1.3414021Cugnet M., Dubarry M., Liaw B. Y. Peukert’s law of a lead-acid battery simulated by a mathematical model. ECS Transactions. 2010;25(35):223–233. https://doi.org/10.1149/1.3414021Зюзев А. М., Бубнов М. В. Диагностика уравновешенности штанговой глубинной насосной установки по ваттметрограмме. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2019;330(4):178–187. https://doi.org/10.18799/24131830/2019/4/226Zyuzev A. M., Bubnov M. V. Diagnostics of the balance of the rod deep-well pumping unit by wattmetrogram. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering. 2019;330(4):178–187. (In Russ.) https://doi.org/10.18799/24131830/2019/4/226Галеев А. С., Нургалиев Р. З., Бикбулатова Г. И. и др. Критерий уравновешенности тихоходного привода скважинной штанговой насосной установки для повышения надежности редуктора. Нефтегазовое дело. 2019;17(6):96–101. https://doi.org/10.17122/ngdelo-2019-6-96-101Galeev A. S., Nurgaliev R. Z., Bikbulatova G. I., Sabanov S. L., Boltneva Yu. A. Criterion of equilibrium of the slow-speed drive of the downhole rod pumping unit to improve the reliability of the gearbox. Petroleum Engineering. 2019;17(6):96–101. (In Russ.) https://doi.org/10.17122/ngdelo-2019-6-96-101Белоусенко И. В., Ершов М. С., Чернев М. Ю. Повышение устойчивости электротехнических систем непрерывных производств нефтегазового комплекса. Промышленная энергетика. 2019;(2):8–15.Belousenko I. V., Ershov M. S., Chernov M. Yu. Improving the stability of electrical systems in continuous oil and gas production complexes. Industrial Power Engineering. 2019;(2):8–15. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.