Research on an Energy Inter-Feeding System Based on Common DC Bus and Supercapacitor for Pumping Units

Zhan Xianbo; Wang Bo; Zhang Wenying; YAO WEILONG; DU SHUANG; WANG YIBIN; WANG JIN

doi:10.12473/CPM.202605078

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Research on an Energy Inter-Feeding System Based on Common DC Bus and Supercapacitor for Pumping Units

更新时间：2026-10-12

- Research on an Energy Inter-Feeding System Based on Common DC Bus and Supercapacitor for Pumping Units
- China Petroleum Machinery Pages: 1-7(2026)
- 作者机构：
  
  1.中石油煤层气有限责任公司韩城分公司
  2.宝石电气设备有限责任公司
  3.西南石油大学机电工程学院
- 作者简介：
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- DOI：10.12473/CPM.202605078
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詹先波，王波，张文英，等.基于共直流母线与超级电容的抽油机能量互馈系统研究［J］.石油机械，XXXX，XX（XX）：1-7.

Zhan Xianbo，Wang Bo，Zhang Wenying，et al.Research on an energy inter-feeding system based on common dc bus and supercapacitor for pumping units［J］.China Petroleum Machinery，XXXX，XX（XX）：1-7.
詹先波，王波，张文英，等.基于共直流母线与超级电容的抽油机能量互馈系统研究［J］.石油机械，XXXX，XX（XX）：1-7. DOI： 10.12473/CPM.202605078.

Zhan Xianbo，Wang Bo，Zhang Wenying，et al.Research on an energy inter-feeding system based on common dc bus and supercapacitor for pumping units［J］.China Petroleum Machinery，XXXX，XX（XX）：1-7. DOI： 10.12473/CPM.202605078.

摘要

游梁式抽油机在煤层气排水采气中应用广泛，受四连杆机构运动特性及井下载荷非恒定性影响，驱动电机每冲次内呈现电动—发电—电动循环，下行程产生的再生制动能量造成能量浪费，并降低电网供电质量与电机功率因数，恶化电网供电质量。针对该问题，本文提出一种基于共直流母线与超级电容的能量互馈系统，实现高效的能量回收与再利用。首先构建了以共直流母线为核心的电能分配拓扑，将多口油井的驱动系统并联，实现井间能量的直接互馈与平衡；并设计了以超级电容为储能单元、双向DC-DC变换器为接口的能量管理子系统，以直流母线电压为控制目标，在电压越限时快速切换充放电模式，平抑母线电压波动。其次，基于扭矩-功率关系及现场工况建立电机功率特性模型，通过仿真实验确定了8型抽油机单次倒发电功率约6 kW，据此完成了超级电容组容量1.5 F、耐压720 V的选型设计。以韩城煤层气区块某井场开展工业性试验，结果表明：接入双向DC-DC模块后，直流母线电压波动由600~680 V缩至600~630 V，稳压效果显著；超级电容单次下行程最大储能量达73 631 J，存储能量在后续上行程释放辅助驱动。节能方面，8型、6型和5型抽油机日耗电量分别降低13%、8.7%和5%，机型越大节能效果越显著。因此，基于共直流母线与超级电容的能量互馈系统有效抑制了再生制动能量对电网的冲击，为煤层气井场抽油机节能降耗提供了可行方案。

Abstract

Beam pumping units are widely used in coalbed methane drainage and gas recovery. Due to the kinematic characteristics of the four-bar linkage mechanism and the non-constant downhole load， the driving motor undergoes a motoring-generating-motoring cycle within each stroke. The regenerative braking energy generated during the downstroke causes energy waste， reduces the power factor of the motor， and degrades the power supply quality of the grid. To address this issue， this paper proposes an energy inter-feeding system based on a common DC bus and supercapacitors to achieve efficient energy recovery and reuse. First， a power distribution topology centered on a common DC bus was constructed， connecting the drive systems of multiple wells in parallel to realize direct inter-well energy inter-feeding and balance. An energy management subsystem was also designed， utilizing supercapacitors as the energy storage unit and a bidirectional DC-DC converter as the interface. Taking the DC bus voltage as the control target， the system rapidly switches between charging and discharging modes when the voltage exceeds the limits， thereby suppressing bus voltage fluctuations. Second， a motor power characteristic model was established based on the torque-power relationship and field conditions. Simulation experiments determined that the peak regenerative power of a Type 8 pumping unit during a single downstroke is approximately 6 kW， based on which a supercapacitor bank with a capacity of 1.5 F and a rated voltage of 720 V was selected. Industrial field tests were conducted at a well site in the Hancheng Coalbed Methane Block. The results show that after integrating the bidirectional DC-DC module， the DC bus voltage fluctuation was reduced from 600–680 V to 600–630 V， demonstrating a significant voltage stabilization effect. The supercapacitors achieved a maximum energy storage of 73，631 J during a single downstroke， and the stored energy was released during the subsequent upstroke to assist in driving. In terms of energy savings， the daily power consumption of Type 8， Type 6， and Type 5 pumping units decreased by 13%， 8.7%， and 5%， respectively， indicating that larger unit types yield more significant energy-saving effects. Therefore， the proposed energy inter-feeding system based on a common DC bus and supercapacitors effectively mitigates the impact of regenerative braking energy on the power grid， providing a feasible solution for energy conservation and consumption reduction in coalbed methane well sites.

关键词

Keywords

references

商宇璠，黄立华，万书亭，等 . 基于电流-位移曲线下面积的游梁式抽油机平衡度计算方法［J］. 科学技术与工程， 2026 ， 26 （ 09 ）： 3763 - 3770 .

SHANG Y F ， HUANG L H ， WAN S T ， et al . Calculation Method of Pumping Unit Balance Values Based on Area under Current-Displacement Curve ［J］. Science Technology and Engineering ， 2026 ， 26 （ 09 ）： 3763 - 3770 .

闫莹 . 深井梁式抽油机节能采油控制系统研究［D］. 西安石油大学， 2025 .

YAN Y . Research on energy-saving oil recovery control system of deep-well beam pumping unit ［D］. Xi'an Shiyou University ， 2025 .

徐国泰，李建威，孙烽尧，等 . 游梁式抽油机胶带自动张紧控制系统设计［J］. 石油机械， 2019 ， 47 （ 8 ）： 100 - 106 . DOI： 10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2019.08.016 http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2019.08.016 .

Xu Guotai ， Li Jianwei ， Sun Fengyao ， et al . Design of Automatic Tension Control System for Beam Pumping Unit Belt ［J］. China Machinery Petroleum ， 2019 ， 47 （ 8 ）： 100 - 106 . DOI： 10.16082/j.cnki.issn.1001-4578. 2019.08. 016 http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2019.08.016 .

张传新，姚金杭，孔有为，等 . 变频驱动游梁有杆泵系统仿真与频率优化研究［J］. 石油机械， 2025 ， 53 （ 01 ）： 98 - 105 .

ZHANG C X ， YAO J H ， KONG Y W ， et al . Simulation and Frequency Optimization Research of Variable Frequency Driven Beam Pump System ［J］. China Petroleum Machinery ， 2025 ， 53 （ 01 ）： 98 - 105 .

杨胡坤，戴永钦，韩佰超，等 . 滚珠丝杠直驱抽油机结构改进及性能分析［J］. 机械设计与研究， 2024 ， 40 （ 05 ）： 182 - 186+192 .

YANG H K ， DAI Y Q ， HAN B C ， et al . Structure Improvement and Performance Analysis of Ball Screw Direct Drive Pumping Unit ［J］. Machine Design & Research ， 2024 ， 40 （ 05 ）： 182 - 186+192 .

Chen Z ， Zhang J ， Zhang Y ， et al . Research on Key Technology of Intelligent Beam Pumping Unit Based on Clean Oil Production Concept ［J］. Journal of Physics： Conference Series ， 2025 ， 3048 （ 000 ）： 012007 .

WANG J ， GUO Q Y ， FU C L ， et al . A novel optimization scheme for structure and balance of compound balanced beam pumping units using the PSO， GA， and GWO algorithms ［J］. Petroleum Science ， 2025 ， 22 （ 3 ）： 1340 - 1359 .

叶哲伟，刘章，刘兵，等 . 基于卷积变分自编码器的游梁式抽油机示功图样本扩展方法［J］. 石油机械， 2026 ， 54 （ 01 ）： 10 - 19 .

YE Z W ， LIU Z ， LIU B ， et al . A Sample Expansion Method for Beam Pumping Unit Dynamometer Cards Based on Convolutional Variational Autoencoder ［J］. China Petroleum Machinery ， 2026 ， 54 （ 01 ）： 10 - 19 .

王青华，邹洪岚，晏军，等 . 抽油机井恒功率变频控制系统研究［J］. 石油机械， 2024 ， 52 （ 02 ）： 99 - 106 .

WANG Q H ， ZOU H L ， YAN J ， et al . Research on Constant-Power Frequency Conversion System for Beam Pumping Units ［J］. China Petroleum Machinery ， 2024 ， 52 （ 02 ）： 99 - 106 .

王波 . 吊重平衡前置式游梁抽油机的研究与应用［D］. 中国石油大学（华东）， 2022 .

WANG B . Research and Application of Front-mounted Beam Pumping Unit Balanced with Lifting ［D］. China University of Petroleum （East China）， 2022 .

王晓岗，齐静静，邵长彬，等 . 游梁式抽油机免维护轴承密封性能及优化［J］. 石油机械， 2024 ， 52 （ 12 ）： 73 - 80 .

WANG X G ， QI J J ， SHAO C B ， et al . Sealing Performance and Optimization of Maintenance-Free Bearing of Beam Pumping Unit ［J］. China Petroleum Machinery ， 2024 ， 52 （ 12 ）： 73 - 80 .

王波，邓永洪，周昌辉，等 . 煤层气开采中游梁式抽油机能源管控技术优化［J］. 天然气工业， 2025 ， 45 （ 11 ）： 143 - 151 .

WANG B ， DENG Y H ， ZHOU C H ， et al . Optimization of energy control technology for beam pumping units in coalbed methane extraction ［J］. Natural Gas Industry ， 2025 ， 45 （ 11 ）： 143 - 151 .

田德高，谭思思 . 基于液压传动的游梁式抽油机节能技术应用研究［J］. 中国工程机械学报， 2025 ， 23 （ 05 ）： 918 - 922 .

TIAN D G ， TAN S S . Research on the application of energy-saving technology of beam pumping unit based on hydraulic transmission ［J］. Chinese Journal of Construction Machinery ， 2025 ， 23 （ 05 ）： 918 - 922 .

XU J ， WANG W ， LI W ， et al . Kinematic and Dynamic Analysis of Eccentric Balanced Positive Torque Pumping Unit ［J］. Machines ， 2024 ， 12 （ 4 ）： 240 .

王义龙，赵海森，詹阳，等 . 用于游梁式抽油机电动机系统能耗分析的实用模型［J］. 中国电机工程学报， 2017 ， 37 （ 13 ）： 3909 - 3919 .

WANG Y L ， ZHAO H S ， ZHAN Y ， et al . Practical Model for Energy Consumption Analysis of Beam Pumping Units and Motor Systems ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2017 ， 37 （ 13 ）： 3909 - 3919 .

张金东 . 抽油机变速运行与节能机理研究［D］. 东北石油大学， 2014 .

ZHANG J D . Research on variable speed operation and energy saving mechanism of pumping unit ［D］. Northeast Petroleum University ， 2014 .

蔡志钦，蔡海洋，崔钰璞，等 . 游梁式抽油机非圆齿轮传动设计与节能分析［J］. 厦门大学学报（自然科学版）， 2024 ， 63 （ 04 ）： 609 - 618 .

CAI Z Q ， CAI H Y ， CUI Y P ， et al . Design and energy saving analysis of non-round gear transmission of beam pumping unit ［J］. Journal of Xiamen University（Natural Science）， 2024 ， 63 （ 04 ）： 609 - 618 .

王培旺 . 游梁式抽油机超级电容储能系统设计研究［D］. 中国石油大学（华东）， 2022

WANG P W . Design and Research of Super Capacitor Energy Storage System about Beam Pumping Unit ［D］. China University of Petroleum （East China）， 2022

LV H Q ， LIU J ， HAN J Q ， et al . An energy saving system for a beam pumping unit ［J］. Sensors ， 2016 ， 16 （ 5 ）： 685 .

LUO Y L ， CHEN X S ， ZHANG H S ， et al . A multifunction energy-saving device with a novel power-off control strategy for beam pumping motors ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2011 ， 47 （ 4 ）： 1605 - 1611 .

刘昕晖，李春爽，陈琳，等 . 游梁式抽油机节能技术综述［J］. 吉林大学学报（工学版）， 2021 ， 51 （ 01 ）： 1 - 26 .

LIU X H ， LI C S ， CHEN L ， et al . Review of energy saving technologies for beam pumping units ［J］. Journal of Jilin University（Engineering and Technology Edition）， 2021 ， 51 （ 01 ）： 1 - 26 .

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