基于油田井場場景下風光儲系統優化配置技術研究

丁立蘋 劉宏亮 任曉勇 達珺 程雅雯

（中國石化集團勝利石油管理局有限公司新能源開發中心）

勝利油田重點立足內部用電市場，利用油氣田低效土地、廢棄井場和空置場地、儲能技術在新能源利用的優勢，基于風能資源和太陽能資源豐富的井場，構建風光儲多能互補的采油井場直流微電網系統尤為重要。這對于推進綠色能源的智慧能效管理、為油田持續優化能源消費結構、雙碳目標的實現能夠發揮重要作用。

針對油田井場用能負荷的特性條件，在儲能技術優化優選的基礎上，進行采油井場風光儲系統容量優化配置關鍵技術研究。基于PSCAD/EMTDC平臺，建立了離網狀態下風光儲系統的模型進行仿真驗證。

1 風光儲系統輸出功率模型

1.1 系統結構

基于油田井場場景下抽油機的工作特性，采用帶油井負荷離網型的風光儲一體化系統[1]作為研究對象，系統包括太陽能光伏板、風力發電機、儲能電池、控制柜、微電網能量管理系統等裝置組成。太陽能光伏板和風力發電機組是微電網產生電能的部分，儲能電池起的作用是削峰填谷、能量調節。微電網控制系統的作用是對微電網的能量管理，依據一定的控制策略，在保證抽油機負荷穩定運行的同時，最大限度利用綠色能源并提高經濟效益。圖1為油田井場共直流母線風光儲微電網系統。

圖1 井場風光儲直流微電網系統

1.2 太陽能光伏板輸出功率模型

太陽能光伏發電受太陽能輻射值、環境溫度影響，輸出功率模型如下：

式中：PPV為光伏發電的輸出功率，kW；fPV為光伏發電的功率因數；Prated為光伏發電系統的額定功率，kW；A為光伏板光照輻射值，k W/m2；As為標準狀況下的太陽能輻射值，kW/m2；αp為溫度對能量轉換效率的影響系數；T為光伏發電系統的表面溫度，℃；TS為標準條件下的光伏板溫度，℃。

1.3 風力發電機輸出功率模型

在其他影響因素不變的情況下，風電機組功率只與實時風速有關，常用的風機功率模型如下：

式中：PWG為風機輸出功率，kW；vr、vci、vco和v分別為風機的額定風速、切入切出風速、風機輪轂處的風速，m/s；Pr為額定功率[2]，k W。

1.4 儲能輸出功率模型

儲能裝置作為系統可調度能量的配置，能夠保證井場風光儲系統功率穩定的輸出。依據油田井場實際生產情況、規模等級，綜合考慮環境因素、經濟效益、用電負荷，微電網系統選用磷酸鐵鋰電池。儲能裝置的充放電功率模型為：

1）當微電網系統輸出功率大于負荷時，儲能裝置充電，則蓄電池t時刻容量為：

式中：Cbat(t)為t時刻蓄電池的容量，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）當微電網系統輸出功率小于負荷時，儲能裝置放電，則蓄電池t時刻容量為：

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

2 油田場景風光儲系統優化配置技術研究

2.1 油田井場區域風光儲系統應用模式

針對勝利油田井場的實際條件，形成了一套適應于油田井場區域的風光儲系統應用模式，包括風光儲微電網系統并網型和離網型運行模式的確定，以及井場內風光儲的系統有效布置空間優化的研究，影響光伏排布的典型井場如圖2。

圖2 影響光伏排布的典型井場

勝利油田東部油區由于井場空間受限，風光發電系統建設空間不足，風光儲微電網系統采用聯網（并網）型運行模式；在勝利油田偏遠井場和西部油區，風光發電系統建設空間充足，風光儲微電網系統采用獨立（離網）型運行模式。

2.2 油田場景風光儲系統容量優化配置計算

井場風光儲系統以勝利油田孤島采油廠兩口油井抽油機Ⅰ、抽油機Ⅱ作為用能負荷，圖3為抽油機上下沖程電流曲線。由于井場抽油機工作特性，其負載特性成周期波動性，負荷曲線與風光儲發電系統發電曲線匹配，該系統需要為井場內兩臺抽油機供電，負荷的功率為：

圖3 抽油機Ⅰ、Ⅱ上下沖程電流曲線

式中：Pload、Pload1、Pload2分別表示井場用電負荷總功率、抽油機Ⅰ的功率、抽油機Ⅱ的功率，kW；Wload1與Wload2為兩臺抽油機日耗電量，kWh。

根據用能數據顯示，抽油機Ⅰ平均日耗電量為272 k Wh，抽油機Ⅱ平均日耗電量為136 k Wh，經過計算，總工作負荷為17 kW。綜合考慮以上因素，光伏裝機容量為120 k Wp，風機裝機容量為20 k W。

蓄電池額定容的確定需要考慮多方面因素，經過對系統容量、風光輸出功率的綜合分析[3]，儲能容量可以確定為：

式中：CbatN為蓄電池額定容量，kWh；Hbat為儲能單獨作用時長，h；D O D為儲能最大放電深度，計算中取90%。經過計算，得出儲能容量為255 k Wh，即離網型風光儲系統[4-6]儲能容量配置為100 k W/255 kWh。

2.3 系統仿真模擬

基于PSCAD/EMTDC平臺，建立離網狀態下光伏、風電、蓄電池及系統的模型并進行了仿真驗證。直流微電網系統包括光伏120 k W、蓄電池255 kWh、直流負荷17 k W。直流微電網通過接口變換器、變壓器連接至610 V配電網母線。直流微網仿真模型見圖4。

圖4 低壓直流微網仿真模型

初始狀態蓄電池建立直流母線電壓610 V，在0.050 s達到穩態，此時光伏、風電都沒有投入，因此只有蓄電池為負載提供能量，負載為17 k W。蓄電池放電仿真模擬結果見圖5、圖6。

圖5 離網蓄電池建立母線電壓

圖6 離網蓄電池輸出功率

假設微電網系統在孤島油區運行期間，光充足，蓄電池滿，0.500 s時直流負荷從17 k W變為30 k W，根據能量管理策略，此時光伏處于恒功率控制模式，光伏發出功率由負載的大小決定，由圖7的仿真結果可得功率隨著負載大小提升，因此仿真的結果符合理論。

圖7 離網光伏輸出功率跟隨負荷變化

3 微電網系統能量控制方法

由于風光資源的不穩定性，導致微電網系統輸出功率隨環境因素而呈現波動性，需要應用微電網能量管理系統依照相應的控制方法對微電網的能量輸出加以控制，以保證微電網系統的穩定，進而保證抽油機的正常運行[7-8]。

井場風光儲微電網能量控制系統如圖8，由中心控制器采集各個模塊數據信息，并發出工作指令，統一控制各板塊輸出功率、輸入功率的大小，以維持微電網系統的穩定[9]。

圖8 井場微電網能量控制系統

控制面板中，負載功率為Qload，太陽能光伏電池板的輸出功率Qout1，風力發電機組的輸出功率Qout2，儲能電池組的能量儲存Q3，控制方法如下：

1）中心控制器對采集到的數據進行對比，若Qout1+Qout2＞Qload系統控制直流母線電壓由太陽能光伏電池板和風力發電機組支撐[10]，同時為儲能電池組進行充電。

2）太陽能光伏板和風力發電機組同時供電且儲能裝置組滿能量時，系統啟動風力發電機組制動裝置，基于控制器控制策略控制發電功率輸出Q o u t1+Qout2與負載功率Qload預測曲線維持穩定平衡。

3）若Qout1+Qout2＜Qload，且檢測到儲能電池組能量儲存Q3＞電池內存的10%，則啟動儲能電池組放電。

4）若Qout1+Qout2＜Qload，且檢測到儲能電池組能量儲存Q3＜電池內存的10%，則終儲能電池組放電工作，于此同時啟動應急裝置，此時直流母線電壓由太陽能光伏電池板、風力發電機組和柴油發電機共同支撐。

4 結論

1）針對油田井場風光儲系統中太陽能光伏板、風力發電機、儲能電池裝置，建立了輸出功率模型。

2）以勝利油田孤島采油廠管理五區兩臺抽油機用能負荷為例采用MATLAB計算軟件計算出配置光伏、風機、儲能的裝機容量，優化得出孤島采油廠管理五區井場風光儲優化配置方案。

3）形成了一套適應于油田井場區域的風光儲系統應用模式，包括風光儲微電網系統并網型和離網型運行模式的確定，以及井場內風光儲的系統有效布置空間優化的研究。