Критический экспертный анализ методов идентификации и наблюдателей переменных состояния синхронных электродвигателей с постоянными магнитами

Abstract

Актуальность. В последние годы в нефтедобывающей отрасли наблюдается тенденция перевода малодебитных нефтяных скважин в режим циклической эксплуатации. Нерегулируемый и разомкнутый регулируемый электроприводы установок электроцентробежных насосов на базе синхронных электродвигателей с постоянными магнитами, как правило, оказываются мало пригодны для задач циклической эксплуатации скважин, поскольку не могут обеспечить плавный пуск и требуемые показатели качества переходных процессов, что ведет к еще большему снижению добычи нефти. Синтез замкнутой системы управления электроприводом погружных установок возможен только с применением алгоритмов косвенной оценки неизмеряемых координат электропривода - методов идентификации переменных состояния, наблюдателей угловой скорости ротора и момента сопротивления на валу, поскольку установка соответствующих датчиков погружного электродвигателя сопряжена с техническими трудностями, отсутствует необходимость существенной модернизации аппаратных решений существующей системы электрооборудования. На сегодняшний день теория идентификации нелинейных динамических систем широко применяется для получения косвенной оценки неизмеряемых переменных состояния синхронных электродвигателей с постоянными магнитами. Большое количество методов, представленных в научных источниках, требует сравнительного анализа относительно их достоинств и недостатков с целью выбора наилучшего метода идентификации, удовлетворяющего требованиям технологического процесса добычи нефти и учитывающего его специфику и особенности. При этом приоритетны системы идентификации, ориентированные на минимизацию вычислительных мощностей или на работу в реальном времени. Цель: определение наилучшего в смысле вычислительной сложности и удобства практического использования метода идентификации переменных состояния синхронных электродвигателей с постоянными магнитами, эксплуатируемых в погружных насосных установках скважинной добычи нефти, на основе сравнительного анализа существующих методов, представленных в российских и зарубежных источниках. Методы: методы системного анализа и идентификации динамических систем, метод критического экспертного анализа. Результаты и выводы. Подробно рассмотрены наиболее распространенные методы идентификации и наблюдатели переменных состояния синхронных электродвигателей с постоянными магнитами, дана общая характеристика каждой группе методов, выявлены их достоинства и недостатки. Путем сравнительного критического экспертного анализа установлено, что для задач электропривода погружных установок электроцентробежных насосов в большей степени может быть рекомендован наблюдатель Люенбергера, отличающийся относительно малой вычислительной сложностью и простотой настройки в инженерной практике

Relevance. In recent years, the oil industry has seen a tendency to transfer low-yield oil wells to intermittent mode. Unregulated electric drive and the open-loop controlled electric drive of electric centrifugal pumping with permanent magnet synchronous motors are typically not suitable for tasks of intermittent operation of wells. Due to objective reasons, there may not be smooth starts and required quality indicators of transient processes, which leads to even more reduction in oil production. The synthesis of a closed-loop electric drive control system of submersible installations is possible only using algorithms for indirect estimation of non-measured mechanical coordinates of the electric drive - state variables identification methods, observers of the rotor angular velocity and the load torque. The installation of sensors of angular velocity and torque on the shaft of the submersible electric motor is associated with technical difficulties, therefore, there is no need for significant modernization of the hardware solutions of the existing electrical equipment system. To date, the theory of identifying nonlinear dynamic systems is widely used to derive an indirect estimate of the non-measured state variables of the permanent magnet synchronous motors. The large number of methods presented in scientific sources requires comparative analysis regarding their benefits and disadvantages in order to select the best identification method that meets the requirements of the oil production and takes into account its specificity and features. In this case, identification systems that are focused on minimizing computing power or operating in real time are given priority. Aim. To determine the best in terms of computational complexity and the convenience of practical use method of identifying state variables of permanent magnet synchronous motors operating in submersible oil well pumping units based on comparative analysis of existing methods presented in Russian and foreign sources. Methods. Methods for system analysis and identification of dynamic systems, a method of critical expert analysis. Result and conclusions. The most common methods for identifying and observing the state variables of synchronous motors with permanent magnets have been described in detail, given the general performance of each group of methods, their benefits and disadvantages were reviewed. By comparative critical expert analysis, it was found that for tasks of submersible electric centrifugal pump units electric drive a Luenberger observer, characterized by relatively low computational complexity and ease of setup in engineering practice, can be recommended