孫 東，張曉杰，劉 軍，劉 潔，仉志華，李 煒，王 莉

(1.勝利油田分公司技術(shù)檢測中心，山東 東營 257000；2.中國石油大學(xué)(華東)新能源學(xué)院，山東 青島 266580；3.中國石化勝利石油管理局有限公司，山東 東營 257000；4.山東勞動職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250300)

0 引言

隨著能源危機(jī)與環(huán)境問題的日益突出，新能源利用技術(shù)發(fā)展迅速。2020年9月，習(xí)總書記提出了2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和的目標(biāo)，繼而又做出了2030年可再生能源消費(fèi)占比達(dá)到25%的承諾。電力是各個行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)保障，在終端能源消費(fèi)中的比例不斷增加，可見，大力布點(diǎn)新能源、提升可再生能源發(fā)電的消納能力是實(shí)現(xiàn)構(gòu)建清潔、低碳、高效供用能體系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。油田是進(jìn)行油氣生產(chǎn)的重要基地，能源生產(chǎn)的同時也是耗能大戶?，F(xiàn)階段油田的油氣生產(chǎn)過程主要依靠傳統(tǒng)的化石能源為之提供電能與熱能，普遍存在著成本高、綜合能效低等問題。這已成為嚴(yán)重影響油田企業(yè)效益并制約油田可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。目前，隨著世界能源變革的來臨，依靠傳統(tǒng)化石能源供能的石油行業(yè)能源替代形勢十分嚴(yán)峻[1-2]。

當(dāng)前油田的油氣生產(chǎn)過程中電負(fù)荷與熱負(fù)荷共存，其中電負(fù)荷主要依靠電力公司或自備電廠供能，而熱負(fù)荷主要采用燃燒天然氣或者電加熱的方式提供。隨著光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、地?zé)崮茉窗l(fā)電等無污染的可再生能源發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步[3-4]，部分油田井場內(nèi)先后建設(shè)了分布式發(fā)電試點(diǎn)項(xiàng)目以及太陽能集熱系統(tǒng)。但是，現(xiàn)有的油田井場電負(fù)荷、熱負(fù)荷、分布式電源以及電網(wǎng)之間獨(dú)立規(guī)劃、設(shè)計與運(yùn)行，電能、熱能、氣能等能源形式之間的耦合程度不高，尚未構(gòu)建起源-網(wǎng)-荷一體化的多能互補(bǔ)優(yōu)化供能體系；而且沒有結(jié)合油田源-荷運(yùn)行特性，未能形成各種能源之間的多能互補(bǔ)機(jī)制，導(dǎo)致能源利用效率整體較低。

多能互補(bǔ)形式主要包括電熱耦合、電氣耦合，以及冷熱電耦合系統(tǒng)[5-7]。針對多能互補(bǔ)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與建模問題，國內(nèi)外專家學(xué)者已經(jīng)開展了大量研究。多能互補(bǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，文獻(xiàn)[8]提出了一種由風(fēng)、光、天然氣以及儲能設(shè)備組成新型分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并分析了系統(tǒng)性能；文獻(xiàn)[9]分析了基于多能互補(bǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下的建模以及優(yōu)化調(diào)度問題；文獻(xiàn)[10]闡明了多能互補(bǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的必要性，探討了多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)[11]提出了一種多能互補(bǔ)的分布式供能系統(tǒng)的超結(jié)構(gòu)模型。多能互補(bǔ)系統(tǒng)的建模與優(yōu)化方面，文獻(xiàn)[12]以熱電耦合系統(tǒng)為研究對象,研究考慮熱網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)約束的電熱聯(lián)合系統(tǒng)最優(yōu)能流計算方法；文獻(xiàn)[13]對能源集線器進(jìn)行了詳細(xì)的建模,并總結(jié)給出了廣義儲能裝置的通用模型;文獻(xiàn)[14-15]提出的多能源網(wǎng)絡(luò)廣義電路支路與網(wǎng)絡(luò)模型系統(tǒng)分析了支路與網(wǎng)絡(luò)層面能量流的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)特性；文獻(xiàn)[16]提出了能量傳導(dǎo)器的概念(Energy Interconnector)，統(tǒng)一了多種能量流的表達(dá)形式，但該模型僅關(guān)注節(jié)點(diǎn)能量平衡方程，忽略了多能源網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜傳輸特性;文獻(xiàn)[17]分析了熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)常規(guī)“以熱定電”和“以電定熱”的模式，提出了系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化的調(diào)控模型;文獻(xiàn)[18-19]中提出了氣網(wǎng)與熱網(wǎng)的廣義電路模型，但尚未從多能源系統(tǒng)的高度對各類能量流進(jìn)行統(tǒng)一建模分析。

本文有效結(jié)合油田典型生產(chǎn)環(huán)節(jié)的用能設(shè)備工作特點(diǎn)與能源提供方式多樣化，提出了油田井場多能互補(bǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行油田多能互補(bǔ)系統(tǒng)的建模與優(yōu)化調(diào)控方法研究，建立了油田井場多能互補(bǔ)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控模型，并通過Matlab仿真，驗(yàn)證了優(yōu)化模型的有效性。

1 油田井場多能互補(bǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及建模

1.1 油田井場多能互補(bǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文針對于油田多能互補(bǔ)系統(tǒng)，建立油田單井變頻場景下的互聯(lián)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。在電氣連接部分，油田單井變頻場景下的互聯(lián)結(jié)構(gòu)是根據(jù)油田配電網(wǎng)中交直交變頻器來帶動油井負(fù)荷的特點(diǎn)，利用現(xiàn)有的單井變頻結(jié)構(gòu)將多個整流器并聯(lián)所組成，整體結(jié)構(gòu)由多進(jìn)線的并聯(lián)整流器、單變頻器直流電容、逆變器、直流微電網(wǎng)、油井負(fù)荷組成，實(shí)現(xiàn)油井負(fù)荷供電可靠性的提高與能量的有效利用。其中，多進(jìn)線的并聯(lián)整流器來自低壓側(cè)，由多組三相不可控整流器并聯(lián)構(gòu)成，單變頻器直流電容由油井單井供電線路交直交結(jié)構(gòu)的直流電容構(gòu)成，逆變器由單井負(fù)荷控制，即多條單井供電線路變頻器直流側(cè)端口相并聯(lián)，直流微電網(wǎng)由光伏單元、儲能電池、直流電壓變換單元構(gòu)成，多進(jìn)線的并聯(lián)整流器出口與單變頻器直流電容相連接，直流微電網(wǎng)的輸入輸出端口與單變頻器直流電容相連接，油井電機(jī)負(fù)荷通過逆變器與單變頻器直流電容出口相連接。在熱能連接部分，油田單井變頻場景下的互聯(lián)結(jié)構(gòu)是通過光能集熱與電加熱共同對井口加熱，多余或缺失的熱能由相變儲熱存儲或提供，通過電加熱環(huán)節(jié)，將電能與熱能相聯(lián)結(jié)，通過多端口能量路由器進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)電熱之間的相互轉(zhuǎn)換。

圖1 油田井場多能互補(bǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 油田井場多能互補(bǔ)系統(tǒng)建模

標(biāo)準(zhǔn)化建模方法是一種基于圖論的建模方法，它采用支路、節(jié)點(diǎn)、端口等概念標(biāo)準(zhǔn)化的描述綜合能源系統(tǒng)中的各類設(shè)備和傳輸管路[20]。該方法中為了描述圖中各支路和能量轉(zhuǎn)換設(shè)備端口的連接關(guān)系，首先建立端口-支路關(guān)聯(lián)關(guān)系矩陣A，端口-支路關(guān)聯(lián)矩陣的行數(shù)與所描述的節(jié)點(diǎn)的輸入輸出端口總數(shù)相同，列數(shù)與圖中總的支路數(shù)相同。然后定義節(jié)點(diǎn)-端口能量轉(zhuǎn)換矩陣H來描述各類型能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的轉(zhuǎn)換特性方程，節(jié)點(diǎn)-端口能量轉(zhuǎn)換矩陣的列數(shù)與該節(jié)點(diǎn)輸入輸出總端口數(shù)相同，行數(shù)與該節(jié)點(diǎn)代表的能量轉(zhuǎn)換器的能量轉(zhuǎn)換過程類型數(shù)相同。將節(jié)點(diǎn)-端口能量轉(zhuǎn)換矩陣H與端口-支路關(guān)聯(lián)關(guān)系矩陣A相乘，即可得到對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)-支路能量轉(zhuǎn)換矩陣Z，該矩陣采用支路能量流描述元件的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。定義綜合能源系統(tǒng)中所有支路的合集為矩陣V，能夠得到綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換方程如公式(1)所示

ZV=0

(1)

結(jié)合圖1所示的油田井場多能互補(bǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，采用標(biāo)準(zhǔn)化建模的方法對結(jié)構(gòu)模型中的各個模塊進(jìn)行建模，得到油田井場多能互補(bǔ)系統(tǒng)能量流動模型如圖2所示，得到的建模結(jié)果如圖3所示。

圖2 油田井場多能互補(bǔ)系統(tǒng)能量流動模型

2 油田井場多能互補(bǔ)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控模型

2.1 系統(tǒng)運(yùn)行成本最小優(yōu)化調(diào)控模型

本文主要考慮油田井場多能互補(bǔ)系統(tǒng)運(yùn)行成本這一重要的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。運(yùn)行成本目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為

(2)

式中Ji,t——t時刻第i種能量的折算價格/元·MW-1；

Vi,t——t時刻第i種能量的輸入量/MW。

2.2 系統(tǒng)可再生能源消納能力最強(qiáng)優(yōu)化調(diào)控模型

油田井場分布式能源的消納能力可以用油田綜合能源系統(tǒng)中各種負(fù)荷消納的可再生能源的電量與油田綜合能源系統(tǒng)實(shí)際可再生能源發(fā)電量之間的比值來表示[21]，目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為

(3)

式中Q0.t——t時刻油田綜合能源系統(tǒng)所需的總的電量；

Qep.t——t時刻油田綜合能源系統(tǒng)外購的電量；

Q1.t——t時刻油田綜合能源系統(tǒng)可再生能源發(fā)電總量；

η——傳統(tǒng)的火力發(fā)電廠向系統(tǒng)輸送電能的效率。

2.3 系統(tǒng)輸入總量最小優(yōu)化調(diào)控模型

(4)

式中ESP.t——系統(tǒng)t時刻光伏發(fā)電輸入的光能值/MJ；

ESH.t——系統(tǒng)t時刻光能集熱輸入的光能值/MJ；

EWD.t——系統(tǒng)t時刻外購電量值/MJ。

2.4 三種優(yōu)化調(diào)控模型的約束條件

模型的約束條件主要為圖3所示的標(biāo)準(zhǔn)化建模所得到的矩陣關(guān)系等式約束，除此之外還包括：

不等式約束

(5)

電儲能約束

(6)

相變儲熱約束

(7)

式(5)、(6)、(7)中，Vi為支路容量；Vj為設(shè)備容量；ΔEt為t時刻電儲能量；ΔQt為t時刻熱儲能量；St為t時刻電儲能設(shè)備的容量；Qt為t時刻熱儲能設(shè)備的容量；λ為電儲能自耗系數(shù)；β為熱儲能自耗系數(shù)；S0為電儲能設(shè)備周期初的容量；S24為電儲能設(shè)備周期末的容量；Q0為熱儲能設(shè)備周期初的容量；Q24為熱儲能設(shè)備周期末的容量。

2.5 三種優(yōu)化調(diào)控模型的求解算法

由于油田井場多能互補(bǔ)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控模型中設(shè)備種類眾多，且約束條件復(fù)雜，所以本文所建立的優(yōu)化調(diào)控模型是一個復(fù)雜的混合整數(shù)線性優(yōu)化模型。本文優(yōu)化模型在Matlab環(huán)境下進(jìn)行仿真，采用Matlab中的Yalmip工具箱對該混合整數(shù)線性優(yōu)化問題進(jìn)行編譯，調(diào)用Cplex求解器進(jìn)行求解，優(yōu)化的變量為能源轉(zhuǎn)換設(shè)備、儲能設(shè)備等各能源設(shè)備各時段的出力。算法流程圖如圖4所示。

圖4 算法流程圖

3 仿真分析

為驗(yàn)證本文所給出的油田井場多能互補(bǔ)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控模型有效性，基于1.2節(jié)建立的油田井場多能互補(bǔ)系統(tǒng)能流模型，在Matlab中分析第2節(jié)所述的三種優(yōu)化調(diào)控模型的有效性。

油田井場多能互補(bǔ)系統(tǒng)包括分布式可再生能源發(fā)電、產(chǎn)熱設(shè)備、儲能設(shè)備等部分。油田井場多能互補(bǔ)系統(tǒng)設(shè)備仿真參數(shù)如表1所示(電儲能自放電率為0.01，相變儲熱自身熱損失率0.001)。

表1 仿真模型參數(shù)

油田井場多能互補(bǔ)系統(tǒng)從電網(wǎng)外購電能的實(shí)時電價如表2所示。

表2 油田井場多能互補(bǔ)系統(tǒng)購電分時電價

電負(fù)荷、熱負(fù)荷波動情況如圖5所示，油田抽油機(jī)靠抽油桿的上下運(yùn)動將原油抽汲到地面的管網(wǎng)中，抽油機(jī)在上沖程抽起油柱時需要的功率大,而下沖程時無需動力可自行下落。抽油機(jī)負(fù)載是以抽油機(jī)沖程為周期連續(xù)變化的周期性負(fù)載,但每臺抽油機(jī)一個上下沖程周期并不一樣，使得油井負(fù)荷隨時間的變化曲線不規(guī)則,從而使形成的總負(fù)載曲線有些變形。油田用熱主要用于空心桿加熱，用熱量比較穩(wěn)定，所以熱負(fù)荷需求基本無波動，穩(wěn)定在30 kW。

圖5 油田井場電熱負(fù)荷波動圖

3.1 系統(tǒng)運(yùn)行成本最小下的仿真結(jié)果分析

當(dāng)油田井場多能互補(bǔ)系統(tǒng)以運(yùn)行成本最小為優(yōu)化目標(biāo)時，由于光伏發(fā)電設(shè)備發(fā)電成本比外網(wǎng)購電成本低，所以光伏發(fā)電設(shè)備始終維持最大出力，多余電負(fù)荷由網(wǎng)電供給。光能集熱設(shè)備與熱儲能設(shè)備共同供給熱負(fù)荷，故當(dāng)熱儲能設(shè)備出力因成本因素變化時，光能集熱設(shè)備出力也略有波動，但仍維持在較高水平，系統(tǒng)總體傾向于優(yōu)先利用可再生能源發(fā)電，外網(wǎng)購電作為補(bǔ)充。由圖6可見，網(wǎng)電購電曲線波動性較大，主要原因是系統(tǒng)為了減少運(yùn)行成本，在外網(wǎng)電價較高時購電量少，外網(wǎng)電價低時購電量較大。在5時、23時左右，電價相對較低，系統(tǒng)從電網(wǎng)購入大量電量；8時到14時，光照充足，光伏發(fā)電設(shè)備、光能集熱設(shè)備出力大，系統(tǒng)優(yōu)先利用可再生能源發(fā)電，外網(wǎng)購電量維持在較低水平。

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行成本最小下的仿真結(jié)果圖

在電網(wǎng)電價較低時，系統(tǒng)大量購入網(wǎng)電電量，在滿足系統(tǒng)電負(fù)荷的基礎(chǔ)上，多余電量通過蓄電池儲存起來或者通過電加熱設(shè)備轉(zhuǎn)化為熱能儲存利用，在電力負(fù)荷需求量大且電價相對較高，蓄電池釋放電能，鋰電池儲電量下降，從而減少系統(tǒng)外網(wǎng)購電量來減少運(yùn)行成本。

3.2 系統(tǒng)可再生能源消納能力最強(qiáng)下的仿真結(jié)果分析

當(dāng)油田井場多能互補(bǔ)系統(tǒng)以可再生能源消納能力最強(qiáng)為優(yōu)化目標(biāo)時，系統(tǒng)大力傾向于利用可再生能源供能設(shè)備進(jìn)行供能，此優(yōu)化目標(biāo)下系統(tǒng)的光伏發(fā)電設(shè)備、光能集熱設(shè)備都滿負(fù)荷運(yùn)行，使得可再生能源消納利用量達(dá)到最大，外網(wǎng)購電作為供能補(bǔ)充，外網(wǎng)購電量下降。

由圖7可見，外網(wǎng)購電曲線數(shù)值在8時到17時有較大程度下降，該趨勢的原因是當(dāng)系統(tǒng)以可再生能源消納能力最強(qiáng)為優(yōu)化目標(biāo)時，可再生能源供能設(shè)備均處于最大負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，但光伏發(fā)電設(shè)備、光能集熱設(shè)備受光照影響較大。在8時到17時，光照充足，光伏發(fā)電、光能集熱設(shè)備能維持最大出力，故該時間段內(nèi)外網(wǎng)購電量會出現(xiàn)較大程度的下降。在18時到次日7時這個時間段內(nèi)，光照條件不足，光伏發(fā)電、光能集熱設(shè)備出力大大下降，電網(wǎng)購電量上升。

圖7 系統(tǒng)可再生能源消納能力最強(qiáng)下的仿真結(jié)果圖

8時到15時，太陽輻射強(qiáng)度大，光能集熱設(shè)備、光伏發(fā)電設(shè)備始終滿負(fù)荷運(yùn)行，可再生能源供能設(shè)備產(chǎn)生的能量幾乎全部供給系統(tǒng)利用，在滿足電負(fù)荷需求大前提下，少量多余的電能通過電儲能設(shè)備儲存起來，鋰電池儲存能量較少。

3.3 系統(tǒng)輸入總量最小下的仿真結(jié)果分析

圖8 系統(tǒng)輸入總量最小下的仿真結(jié)果圖

3.4 優(yōu)化調(diào)控策略總結(jié)

油田井場現(xiàn)有系統(tǒng)的日購電量在1 376 kWh左右，一天的運(yùn)行成本為906.9元，由于現(xiàn)有系統(tǒng)只通過網(wǎng)電購電來滿足井場供能需求且無儲能設(shè)備，故系統(tǒng)外網(wǎng)購電量最多，運(yùn)行成本最大，系統(tǒng)輸入總值較少，三種優(yōu)化目標(biāo)下的優(yōu)化效果如表3所示。當(dāng)系統(tǒng)以運(yùn)行成本最低為優(yōu)化目標(biāo)時，系統(tǒng)運(yùn)行成本為三種優(yōu)化策略中最低，光伏發(fā)電設(shè)備始終保持最大出力，光能集熱設(shè)備出力略有波動，但基本維持在較高出力水平，此情況下電儲能設(shè)備、熱儲能設(shè)備充分發(fā)揮儲、放能作用，電價低時儲能，電價高時放能，外網(wǎng)購電量數(shù)值居中，系統(tǒng)傾向于利用可再生能源為系統(tǒng)供能，所以可再生能源利用量也較多，系統(tǒng)綜合考慮電價、購電量因素，以達(dá)到運(yùn)行成本最低；當(dāng)系統(tǒng)以可再生能源消納能力最強(qiáng)為優(yōu)化目標(biāo)時，系統(tǒng)可再生能源供能量達(dá)到最大，光伏發(fā)電設(shè)備與光能集熱設(shè)備均始終處于最大出力運(yùn)行狀態(tài)，為了充分消納可再生能源，電儲能設(shè)備基本不儲存能量，外網(wǎng)購電量為三種優(yōu)化策略中最低；當(dāng)系統(tǒng)以輸入總量最少為優(yōu)化目標(biāo)時，由于外網(wǎng)購電電值較小，系統(tǒng)傾向于通過外網(wǎng)購電向系統(tǒng)供能，光伏發(fā)電、光能集熱出力較小，系統(tǒng)運(yùn)行成本相對較高。由表3中數(shù)據(jù)可以看出，運(yùn)行成本最低、可再生消納能力最強(qiáng)這兩種優(yōu)化目標(biāo)下的可再生能源消納比例均大于40%，運(yùn)行成本同比降低40%以上。

表3 三種不同優(yōu)化目標(biāo)下的系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

本文結(jié)合油田各生產(chǎn)環(huán)節(jié)負(fù)荷運(yùn)行特性與多源供能特點(diǎn)，利用標(biāo)準(zhǔn)化建模方法建立油田井場多能互補(bǔ)系統(tǒng)能量流動模型；充分考慮油田運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與高效性，建立了三種運(yùn)行策略優(yōu)化模型。優(yōu)化模型中分別以系統(tǒng)運(yùn)行成本最小、系統(tǒng)可再生能源利用量最大、系統(tǒng)輸入總最少為目標(biāo)函數(shù)，考慮相關(guān)約束條件，采用Matlab仿真驗(yàn)證優(yōu)化策略的有效性，對比分析了三種優(yōu)化模型的優(yōu)化效果。優(yōu)化結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)以運(yùn)行成本最低、可再生消納能力最強(qiáng)為優(yōu)化目標(biāo)時，系統(tǒng)的可再生能源消納比例均大于40%，運(yùn)行成本同比降低40%以上。論文提出的的優(yōu)化調(diào)控模型為優(yōu)化油田井場用能結(jié)構(gòu)、提高能源利用效率、降低綜合用能成本，提供了有效解決途徑。