孫曉哲

石油鉆機光儲柴供電系統(tǒng)運行控制策略

孫曉哲

(中石化勝利石油工程有限公司塔里木分公司，新疆維吾爾自治區(qū) 庫爾勒市 841000)

石油鉆機市場的繁榮發(fā)展使其供電問題越來越受到人們的關注。為了提高石油鉆機的供電可靠性，采用光儲柴的供電模式以替代單一柴油發(fā)電機的供電模式。首先，建立石油鉆機光儲柴供電系統(tǒng)拓撲結構，并進行相應單元的建模；其次，構建光儲柴供電系統(tǒng)的經濟性模型，同時兼顧儲能荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)及其功率、柴油發(fā)電機功率等約束，以實現(xiàn)系統(tǒng)的經濟運行；最后，通過案例分析了運行控制策略的有效性。研究結果為石油鉆機的供電模式提供了參考。

石油鉆機；光儲柴供電系統(tǒng)；運行控制策略

0 引言

現(xiàn)階段，國內主要應用柴油發(fā)電機組向鉆場區(qū)域供電，鉆場區(qū)域的負荷主要為電動鉆機和生活用電等[1-2]。但在實際運行中，柴油發(fā)電機會產生噪聲、排放污染物，且經濟成本較高，而分布式能源的發(fā)展給石油鉆機的供電提供了可選擇方案[3]。將柴油發(fā)電機、分布式光伏和儲能進行有機的結合，構建獨立的微電網(wǎng)供電系統(tǒng)[4-6]，可以大幅度提高石油鉆機供電的可靠性和經濟性，且能夠減少對環(huán)境的污染[7-9]。

隨著分布式能源的快速發(fā)展，微電網(wǎng)得到了大規(guī)模的應用，對其開展的研究也越來越多。張輝等[10]提出了一種采用集中控制方式的微電網(wǎng)頻率和電壓二次調節(jié)方法，按照容量比的分配公式，將二次控制器產生的頻率和電壓調節(jié)量分配給各臺虛擬同步發(fā)電機的功頻和電壓控制器，提供所需的功率缺額，實現(xiàn)多臺虛擬同步發(fā)電機頻率和電壓的二次控制。馬藝瑋等[11]提出了一種基于對等控制和集中控制相結合的獨立微電網(wǎng)混合控制策略，改進了柴油發(fā)電機組的有功頻率特性，且對風力發(fā)電機組、柴油發(fā)電機組、蓄電池儲能系統(tǒng)進行了控制優(yōu)化。趙嬋娟等[12]提出了一種基于分布式兩級控制的孤島微電網(wǎng)網(wǎng)絡化控制方法，采用初級控制實現(xiàn)了負荷分配，同時增加了分布式次級控制彌補電壓和頻率偏差，以提高孤島微電網(wǎng)負荷分配精度并維持微電網(wǎng)穩(wěn)定。魏繁榮等[13]在考慮制淡水設備功率特性、蓄電池壽命、柴油機工作效率等因素的基礎上，以燃料及蓄電池使用成本最少為目標，提出了一種風/光/柴/蓄微電網(wǎng)系統(tǒng)的日運行能量控制優(yōu)化策略。呂朋蓬等[14]給出了孤島微電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)的架構，建立了一種有功功率的實時調度模型，以一致性理論為核心，提出了一種完全分布式協(xié)同算法，并通過不同環(huán)境和擾動驗證了該算法的有效性。Sheng等[15]基于改進的二進制蝙蝠算法，建立了一種適用于風光柴儲的獨立微電網(wǎng)容量配置優(yōu)化策略，以實現(xiàn)微電網(wǎng)多目標多約束的優(yōu)化 運行。

上述研究主要側重于應用微電網(wǎng)對常規(guī)或其他負荷進行供電，而對石油鉆機的供電研究較少。目前，石油鉆機主要依靠柴油發(fā)電機單獨供電，但存在運維成本較高、污染較大等問題。由于石油鉆機供電區(qū)域具有豐富的光照資源，因此本文建立石油鉆機的光儲柴供電系統(tǒng)，以提高其運行經濟性和環(huán)保性。

1 石油鉆機光儲柴供電系統(tǒng)

1.1 光儲柴供電系統(tǒng)拓撲結構

石油鉆機的光儲柴供電系統(tǒng)拓撲結構如圖1所示。該系統(tǒng)采用柴油發(fā)電機組和光伏、儲能相結合的方式進行供電，其中營房負荷主要為生活區(qū)負荷，包括夏季空調、冬季電熱器、做飯設備、供熱水鍋爐等。

圖1 石油鉆機的光儲柴供電系統(tǒng)拓撲結構

1.2 柴油發(fā)電機模型

柴油發(fā)電機的能耗與功率的關系為

1.3 光伏出力模型

光伏的輸出功率方程如下：

1.4 蓄電池儲能模型

蓄電池充放電時的建模如下。

電池充電時，

電池放電時，

2 光儲柴供電系統(tǒng)經濟性模型

光儲柴供電系統(tǒng)經濟性建模主要考慮初始投資成本、運行維護成本和其他成本[16-19]。

2.1 柴油發(fā)電機經濟性模型

柴油發(fā)電機經濟性建模主要考慮初始投資成本、運行維護成本和污染的懲罰費用。

由于柴油發(fā)電機在運行過程中會產生CO2、SO2和各種氮化物等，因此需要對其進行懲罰處理，懲罰費用計算如下：

考慮到多臺柴油發(fā)電機并聯(lián)供電的可能性，因此柴油發(fā)電機組的總投資成本為

式中為投入使用的柴油發(fā)電機臺數(shù)。

2.2 光伏經濟性模型

光伏經濟性建模主要考慮初始投資成本、運行維護成本和補貼費用。

為了更好地促進光伏等可再生能源的發(fā)展，政府會給予一定的發(fā)電補貼，補貼費用計算如下：

因此，光伏發(fā)電的總投資成本為

2.3 儲能經濟性模型

儲能經濟性建模主要考慮初始投資成本和運行維護成本。

2.4 系統(tǒng)經濟性運行

為保證光儲柴系統(tǒng)的經濟性運行，應盡可能地降低系統(tǒng)的綜合成本費用，因此其目標函數(shù)為

相應的約束條件如下：

采用遺傳算法對該經濟性模型進行求解，其具體步驟如下：1）初始化種群；2）計算種群上每個個體的適應度；3）按由個體適應度值所決定的某個規(guī)則選擇將進入下一代的個體；4）按概率c進行交叉操作；5）按概率m進行變異操作；6）若沒有滿足某種停止條件，則轉入步驟2），否則進入下一步；7）輸出種群中適應度最優(yōu)的染色體作為問題的滿意解或最優(yōu)解。

3 案例分析

以新疆庫爾勒某油田的石油鉆機負荷為例，構建光儲柴的供電系統(tǒng)。其中石油鉆機的峰值負荷為2000kW，光伏裝機容量為2500kW，蓄電池儲能的容量為2000kW·4h，由于負荷較大，柴油發(fā)電機采用三機并聯(lián)的供電模式，每臺裝機容量為700kW。

石油鉆機和營房用電的負荷功率曲線如圖2所示，光伏功率曲線如圖3所示，采樣率均為1min，時長均為1 d。

圖2 負荷功率曲線

圖3 光伏功率曲線

各類電源的參數(shù)如表1所示，柴油發(fā)電機的污染物參數(shù)如表2所示。

按照2.4節(jié)構建經濟性模型，通過遺傳算法求解可以得到系統(tǒng)的綜合成本費用為2 003.06萬元，由此得到的柴油發(fā)電機組功率曲線如圖4所示，蓄電池儲能功率曲線如圖5所示，蓄電池儲能SOC曲線如圖6所示，可見其對應的SOC處在設定的運行范圍0.2~0.8之間，滿足運行要求。

表1 電源參數(shù)

Tab.1 Power supply parameters

表2 柴油發(fā)電機污染物參數(shù)

Tab.2 Diesel generator pollutant parameters

為了說明光儲柴供電系統(tǒng)的經濟性，將光柴和柴的供電系統(tǒng)與之對比。當光柴系統(tǒng)供電時，優(yōu)先應用光伏對負荷進行供電，如果光伏功率不足，則由柴油發(fā)電機組補充差額功率；如果光伏功率有剩余，則光伏進行限功率運行。當只有柴油發(fā)電機組供電時，則由柴油發(fā)電機組提供負荷所需的所有電能。

光柴系統(tǒng)供電時，仿真計算所得的光伏功率和柴油發(fā)電機組功率分別如圖7、8所示，其中光伏的最大功率由2420.64kW下降到1967.61kW，由此表明光伏進行了限功率運行。

圖4 柴油發(fā)電機組功率曲線

圖5 蓄電池儲能功率曲線

圖6 蓄電池儲能SOC曲線

圖7 光柴系統(tǒng)中的光伏功率

在相同負荷下，光儲柴、光柴和柴3種供電模式所需的經濟性成本對比如表3所示。從表3可以看出光儲柴供電模式的成本最低，比柴供電模式節(jié)約成本47.79%，因此光儲柴供電模式更具有優(yōu)勢。

圖8 光柴系統(tǒng)中的柴油發(fā)電機組功率

表3 3種供電模式的經濟性成本對比

Tab.3 Economic cost comparision of three electric power supply modes

4 結論

應用光儲柴供電模式對石油鉆機進行供電，以克服單一柴油發(fā)電機供電的不足。根據(jù)石油鉆機的負荷需求，建立了光儲柴供電系統(tǒng)拓撲結構，構建了光儲柴供電系統(tǒng)經濟性模型，通過案例對比分析了光儲柴、光柴和柴3種供電模式的經濟性，結果表明，在相同的邊界條件下，光儲柴供電系統(tǒng)的成本費用最低，具有較好的經濟性，為石油鉆機的規(guī)?；茝V起到了積極的促進作用。

[1] 張?zhí)焐妱鱼@機驅動控制概述[J]．電氣傳動自動化，2015，37(2)：6-9．

[2] 王衍超，胡志峰，胡軍，等．油田電動鉆機配套發(fā)電機組工況分析[J]．柴油機，2017，39(6)：34-36．

[3] 國旭濤，蔡潔聰，韓高巖，等.分布式能源技術與發(fā)展現(xiàn)狀[J].分布式能源，2019，4(1)：52-59．

[4] 徐興發(fā)，陳志峰，王智東，等.缺儲能風光微電網(wǎng)孤島初期幅頻特性[J].廣東電力，2019，32(5)：22-28.

[5] 吳文仙，韓冬，孫偉卿，等.考慮韌性增強策略的配電網(wǎng)負荷恢復優(yōu)化[J].電力科學與工程，2019，35(4)：17-24.

[6] 杜炬虎，劉靜.園區(qū)燃氣分布式能源站微電網(wǎng)結構解析[J].華電技術，2019，41(3)：23-25，28.

[7] Acharya S，Moursi M S E，Hinai A A．Coordinated frequency control strategy for an islanded microgrid with demand side management capability[J]．IEEE Transactions on Energy Conversion，2018，33(2)：639- 651．

[8] Lancel G，Deneuville B，Zakhour C，et al．Energy storage systems (ESS) and microgrids in Brittany islands[C]//24th International Conference & Exhibition on Electricity Distribution，June 12-15，2017，Scottish Event Campus，Glasgow，Scotland，Liège：CIRED，2017：1741-1744．

[9] 石榮亮，張興，劉芳，等．提高光儲柴獨立微網(wǎng)頻率穩(wěn)定的虛擬同步發(fā)電機控制策略[J]．電力系統(tǒng)自動化，2016，40(22)：77-85．

[10] 張輝，宋瓊，魏亞龍．離網(wǎng)運行的多微源微網(wǎng)調頻調壓控制策略[J]．高電壓技術，2017，43(1)：149-156．

[11] 馬藝瑋，楊蘋，吳捷．含多分布式電源獨立微電網(wǎng)的混合控制策略[J]．電力系統(tǒng)自動化，2015，39(11)：103-109．

[12] 趙嬋娟，王建平，孫偉，等．基于分布式兩級控制的孤島微網(wǎng)網(wǎng)絡化控制策略[J]．電力系統(tǒng)自動化，2018，42(3)：32-39．

[13] 魏繁榮，隨權，林湘寧，等．考慮可轉移負荷效率的風/光/柴/蓄孤島微網(wǎng)日運行能量控制優(yōu)化策略[J]．中國電機工程學報，2018，38(4)：1045-1053．

[14] 呂朋蓬，趙晉泉，李端超，等．基于信息物理系統(tǒng)的孤島微網(wǎng)實時調度的一致性協(xié)同算法[J]．中國電機工程學報，2016，36(6)：1471-1480．

[15] Sheng S Q，Zhang J J．Capacity configuration optimization for stand-alone micro-grid based on an improved binary bat algorithm[J]．The Journal of Engineering，2017，2017(13)：2083-2087．

[16] 丁明，王波，趙波，等．獨立風光柴儲微網(wǎng)系統(tǒng)容量優(yōu)化配置[J]．電網(wǎng)技術，2013，37(3)：575-581．

[17] 黎嘉明，鄭雪陽，艾小猛，等．獨立海島微網(wǎng)分布式電源容量優(yōu)化設計[J]．電工技術學報，2016，31(10)：176-184．

[18] 陳柔伊，董旭柱，黃邵遠，等．孤島微網(wǎng)系統(tǒng)柴發(fā)配置分析[J]．電工電能新技術，2014，33(10)：58-63．

[19] 李琳瑋，方兵，陳明帆，等.含微網(wǎng)的配電網(wǎng)多目標優(yōu)化規(guī)劃研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2018，34(2)：116-122.

Operation Control Strategy of Oil Drilling Rig PV/Storage/Diesel Power Supply System

SUN Xiaozhe

(Sinopec Oilfield Service Shengli Corporation Tarim Branch Company, Korla 841000, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China)

The power supply of oil drilling rig has drawn more and more attention with its prosperous development. In order to improve the power supply reliability of oil drilling rig, the PV/storage/diesel system was adopted to replace that of single diesel generator. Firstly, the power supply topology of oil drilling rig was established, and the corresponding units were modelled. In addition, the economic model of PV/storage/diesel system was constructed. The constraints of energy storagestate of charge (SOC), storage power and diesel generator power were considered to realize the economic operation of the system. Finally, an example was given to analyze the effectiveness of the operation control strategy. The research results can provide a reference for the power supply mode of oil drilling rig.

oil drilling rig; PV/storage/diesel power supply system; operation control strategy

10.12096/j.2096-4528.pgt.18176

2018-12-10。

孫曉哲(1986)，男，碩士，工程師，主要從事石油鉆采設備的研發(fā)、運維與管理等工作，Tarim_sun@163.com。

孫曉哲

(責任編輯 尚彩娟)