丁立蘋 劉宏亮 任曉勇 達(dá)珺 程雅雯

（中國(guó)石化集團(tuán)勝利石油管理局有限公司新能源開(kāi)發(fā)中心）

勝利油田重點(diǎn)立足內(nèi)部用電市場(chǎng)，利用油氣田低效土地、廢棄井場(chǎng)和空置場(chǎng)地、儲(chǔ)能技術(shù)在新能源利用的優(yōu)勢(shì)，基于風(fēng)能資源和太陽(yáng)能資源豐富的井場(chǎng)，構(gòu)建風(fēng)光儲(chǔ)多能互補(bǔ)的采油井場(chǎng)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)尤為重要。這對(duì)于推進(jìn)綠色能源的智慧能效管理、為油田持續(xù)優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)能夠發(fā)揮重要作用。

針對(duì)油田井場(chǎng)用能負(fù)荷的特性條件，在儲(chǔ)能技術(shù)優(yōu)化優(yōu)選的基礎(chǔ)上，進(jìn)行采油井場(chǎng)風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置關(guān)鍵技術(shù)研究?；赑SCAD/EMTDC平臺(tái)，建立了離網(wǎng)狀態(tài)下風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)的模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)輸出功率模型

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于油田井場(chǎng)場(chǎng)景下抽油機(jī)的工作特性，采用帶油井負(fù)荷離網(wǎng)型的風(fēng)光儲(chǔ)一體化系統(tǒng)[1]作為研究對(duì)象，系統(tǒng)包括太陽(yáng)能光伏板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能電池、控制柜、微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)等裝置組成。太陽(yáng)能光伏板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是微電網(wǎng)產(chǎn)生電能的部分，儲(chǔ)能電池起的作用是削峰填谷、能量調(diào)節(jié)。微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的作用是對(duì)微電網(wǎng)的能量管理，依據(jù)一定的控制策略，在保證抽油機(jī)負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，最大限度利用綠色能源并提高經(jīng)濟(jì)效益。圖1為油田井場(chǎng)共直流母線風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)。

圖1 井場(chǎng)風(fēng)光儲(chǔ)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)

1.2 太陽(yáng)能光伏板輸出功率模型

太陽(yáng)能光伏發(fā)電受太陽(yáng)能輻射值、環(huán)境溫度影響，輸出功率模型如下：

式中：PPV為光伏發(fā)電的輸出功率，kW；fPV為光伏發(fā)電的功率因數(shù)；Prated為光伏發(fā)電系統(tǒng)的額定功率，kW；A為光伏板光照輻射值，k W/m2；As為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的太陽(yáng)能輻射值，kW/m2；αp為溫度對(duì)能量轉(zhuǎn)換效率的影響系數(shù)；T為光伏發(fā)電系統(tǒng)的表面溫度，℃；TS為標(biāo)準(zhǔn)條件下的光伏板溫度，℃。

1.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率模型

在其他影響因素不變的情況下，風(fēng)電機(jī)組功率只與實(shí)時(shí)風(fēng)速有關(guān)，常用的風(fēng)機(jī)功率模型如下：

式中：PWG為風(fēng)機(jī)輸出功率，kW；vr、vci、vco和v分別為風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)速、切入切出風(fēng)速、風(fēng)機(jī)輪轂處的風(fēng)速，m/s；Pr為額定功率[2]，k W。

1.4 儲(chǔ)能輸出功率模型

儲(chǔ)能裝置作為系統(tǒng)可調(diào)度能量的配置，能夠保證井場(chǎng)風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)功率穩(wěn)定的輸出。依據(jù)油田井場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況、規(guī)模等級(jí)，綜合考慮環(huán)境因素、經(jīng)濟(jì)效益、用電負(fù)荷，微電網(wǎng)系統(tǒng)選用磷酸鐵鋰電池。儲(chǔ)能裝置的充放電功率模型為：

1）當(dāng)微電網(wǎng)系統(tǒng)輸出功率大于負(fù)荷時(shí)，儲(chǔ)能裝置充電，則蓄電池t時(shí)刻容量為：

式中：Cbat(t)為t時(shí)刻蓄電池的容量，k Wh；ηcha為蓄電池的充電效率，一般取0.7～0.9；Pbat()t為蓄電池充電功率，kW；Δt為采樣間隔，h；Cbat.N為蓄電池的額定容量，kWh。

2）當(dāng)微電網(wǎng)系統(tǒng)輸出功率小于負(fù)荷時(shí)，儲(chǔ)能裝置放電，則蓄電池t時(shí)刻容量為：

式中：ηdech為儲(chǔ)能放電效率；Cbatmin為蓄電池的最低容量，k Wh。

2 油田場(chǎng)景風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)優(yōu)化配置技術(shù)研究

2.1 油田井場(chǎng)區(qū)域風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)應(yīng)用模式

針對(duì)勝利油田井場(chǎng)的實(shí)際條件，形成了一套適應(yīng)于油田井場(chǎng)區(qū)域的風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)應(yīng)用模式，包括風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)型和離網(wǎng)型運(yùn)行模式的確定，以及井場(chǎng)內(nèi)風(fēng)光儲(chǔ)的系統(tǒng)有效布置空間優(yōu)化的研究，影響光伏排布的典型井場(chǎng)如圖2。

圖2 影響光伏排布的典型井場(chǎng)

勝利油田東部油區(qū)由于井場(chǎng)空間受限，風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)空間不足，風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)采用聯(lián)網(wǎng)（并網(wǎng)）型運(yùn)行模式；在勝利油田偏遠(yuǎn)井場(chǎng)和西部油區(qū)，風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)空間充足，風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)采用獨(dú)立（離網(wǎng)）型運(yùn)行模式。

2.2 油田場(chǎng)景風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置計(jì)算

井場(chǎng)風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)以勝利油田孤島采油廠兩口油井抽油機(jī)Ⅰ、抽油機(jī)Ⅱ作為用能負(fù)荷，圖3為抽油機(jī)上下沖程電流曲線。由于井場(chǎng)抽油機(jī)工作特性，其負(fù)載特性成周期波動(dòng)性，負(fù)荷曲線與風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電曲線匹配，該系統(tǒng)需要為井場(chǎng)內(nèi)兩臺(tái)抽油機(jī)供電，負(fù)荷的功率為：

圖3 抽油機(jī)Ⅰ、Ⅱ上下沖程電流曲線

式中：Pload、Pload1、Pload2分別表示井場(chǎng)用電負(fù)荷總功率、抽油機(jī)Ⅰ的功率、抽油機(jī)Ⅱ的功率，kW；Wload1與Wload2為兩臺(tái)抽油機(jī)日耗電量，kWh。

根據(jù)用能數(shù)據(jù)顯示，抽油機(jī)Ⅰ平均日耗電量為272 k Wh，抽油機(jī)Ⅱ平均日耗電量為136 k Wh，經(jīng)過(guò)計(jì)算，總工作負(fù)荷為17 kW。綜合考慮以上因素，光伏裝機(jī)容量為120 k Wp，風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量為20 k W。

蓄電池額定容的確定需要考慮多方面因素，經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)容量、風(fēng)光輸出功率的綜合分析[3]，儲(chǔ)能容量可以確定為：

式中：CbatN為蓄電池額定容量，kWh；Hbat為儲(chǔ)能單獨(dú)作用時(shí)長(zhǎng)，h；D O D為儲(chǔ)能最大放電深度，計(jì)算中取90%。經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出儲(chǔ)能容量為255 k Wh，即離網(wǎng)型風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)[4-6]儲(chǔ)能容量配置為100 k W/255 kWh。

2.3 系統(tǒng)仿真模擬

基于PSCAD/EMTDC平臺(tái)，建立離網(wǎng)狀態(tài)下光伏、風(fēng)電、蓄電池及系統(tǒng)的模型并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。直流微電網(wǎng)系統(tǒng)包括光伏120 k W、蓄電池255 kWh、直流負(fù)荷17 k W。直流微電網(wǎng)通過(guò)接口變換器、變壓器連接至610 V配電網(wǎng)母線。直流微網(wǎng)仿真模型見(jiàn)圖4。

圖4 低壓直流微網(wǎng)仿真模型

初始狀態(tài)蓄電池建立直流母線電壓610 V，在0.050 s達(dá)到穩(wěn)態(tài)，此時(shí)光伏、風(fēng)電都沒(méi)有投入，因此只有蓄電池為負(fù)載提供能量，負(fù)載為17 k W。蓄電池放電仿真模擬結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 離網(wǎng)蓄電池建立母線電壓

圖6 離網(wǎng)蓄電池輸出功率

假設(shè)微電網(wǎng)系統(tǒng)在孤島油區(qū)運(yùn)行期間，光充足，蓄電池滿，0.500 s時(shí)直流負(fù)荷從17 k W變?yōu)?0 k W，根據(jù)能量管理策略，此時(shí)光伏處于恒功率控制模式，光伏發(fā)出功率由負(fù)載的大小決定，由圖7的仿真結(jié)果可得功率隨著負(fù)載大小提升，因此仿真的結(jié)果符合理論。

圖7 離網(wǎng)光伏輸出功率跟隨負(fù)荷變化

3 微電網(wǎng)系統(tǒng)能量控制方法

由于風(fēng)光資源的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致微電網(wǎng)系統(tǒng)輸出功率隨環(huán)境因素而呈現(xiàn)波動(dòng)性，需要應(yīng)用微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)依照相應(yīng)的控制方法對(duì)微電網(wǎng)的能量輸出加以控制，以保證微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定，進(jìn)而保證抽油機(jī)的正常運(yùn)行[7-8]。

井場(chǎng)風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)能量控制系統(tǒng)如圖8，由中心控制器采集各個(gè)模塊數(shù)據(jù)信息，并發(fā)出工作指令，統(tǒng)一控制各板塊輸出功率、輸入功率的大小，以維持微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定[9]。

圖8 井場(chǎng)微電網(wǎng)能量控制系統(tǒng)

控制面板中，負(fù)載功率為Qload，太陽(yáng)能光伏電池板的輸出功率Qout1，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率Qout2，儲(chǔ)能電池組的能量?jī)?chǔ)存Q3，控制方法如下：

1）中心控制器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，若Qout1+Qout2＞Qload系統(tǒng)控制直流母線電壓由太陽(yáng)能光伏電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐[10]，同時(shí)為儲(chǔ)能電池組進(jìn)行充電。

2）太陽(yáng)能光伏板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組同時(shí)供電且儲(chǔ)能裝置組滿能量時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制動(dòng)裝置，基于控制器控制策略控制發(fā)電功率輸出Q o u t1+Qout2與負(fù)載功率Qload預(yù)測(cè)曲線維持穩(wěn)定平衡。

3）若Qout1+Qout2＜Qload，且檢測(cè)到儲(chǔ)能電池組能量?jī)?chǔ)存Q3＞電池內(nèi)存的10%，則啟動(dòng)儲(chǔ)能電池組放電。

4）若Qout1+Qout2＜Qload，且檢測(cè)到儲(chǔ)能電池組能量?jī)?chǔ)存Q3＜電池內(nèi)存的10%，則終儲(chǔ)能電池組放電工作，于此同時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急裝置，此時(shí)直流母線電壓由太陽(yáng)能光伏電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和柴油發(fā)電機(jī)共同支撐。

4 結(jié)論

1）針對(duì)油田井場(chǎng)風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)中太陽(yáng)能光伏板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能電池裝置，建立了輸出功率模型。

2）以勝利油田孤島采油廠管理五區(qū)兩臺(tái)抽油機(jī)用能負(fù)荷為例采用MATLAB計(jì)算軟件計(jì)算出配置光伏、風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)能的裝機(jī)容量，優(yōu)化得出孤島采油廠管理五區(qū)井場(chǎng)風(fēng)光儲(chǔ)優(yōu)化配置方案。

3）形成了一套適應(yīng)于油田井場(chǎng)區(qū)域的風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)應(yīng)用模式，包括風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)型和離網(wǎng)型運(yùn)行模式的確定，以及井場(chǎng)內(nèi)風(fēng)光儲(chǔ)的系統(tǒng)有效布置空間優(yōu)化的研究。