計(jì)及風(fēng)電接入的海上油氣田能源系統(tǒng)分層調(diào)控

李志川,楊季平,孫兆恒,李子航,劉靜,劉龍飛,徐憲東

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司清潔能源分公司,天津市 300459;2.天津大學(xué)電氣自動化與信息工程學(xué)院,天津市 300072)

0 引 言

海上油氣產(chǎn)業(yè)是目前世界上主要的能源支柱行業(yè)之一[1]。海上油氣生產(chǎn)每年消耗約5%的自產(chǎn)油氣,保障海上油氣田生產(chǎn)供能[2]。在消耗大量化石能源的同時,還伴隨著大量二氧化碳等氣體排放[3]。隨著全球氣候變化日益加劇,世界各國均出臺了一系列節(jié)能減排法案,促進(jìn)各行各業(yè)低碳轉(zhuǎn)型[4]。作為全球能源供應(yīng)的重要一環(huán),海上油氣產(chǎn)業(yè)在保障油氣生產(chǎn)供應(yīng)的同時,還要積極尋求低碳轉(zhuǎn)型,降低生產(chǎn)過程中的碳排放[5]。海上風(fēng)電發(fā)展迅速,海上油氣運(yùn)營商正探索將海上油氣田與海上風(fēng)電聯(lián)合開發(fā),降低生產(chǎn)成本和二氧化碳排放[6]。

海上油氣田電網(wǎng)通過燃?xì)?燃油透平發(fā)電機(jī)、燃?xì)鈮嚎s機(jī)、輸油泵與燃?xì)鈧鬏斁W(wǎng)、原油傳輸網(wǎng)形成了電力-燃?xì)?原油密切互動的多異質(zhì)能流網(wǎng)絡(luò)[7]。海上風(fēng)電具有隨機(jī)性和波動性[8-9],為海上油氣田電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了挑戰(zhàn)。海上風(fēng)電出力的隨機(jī)性和波動性導(dǎo)致電力生產(chǎn)的隨機(jī)性和波動性[10-11],燃?xì)?燃油透平發(fā)電機(jī)組需要實(shí)時調(diào)整出力,平抑海上風(fēng)電的隨機(jī)性和波動性。此時,發(fā)電機(jī)組所消耗的燃?xì)夂驮土恳苍诓粩嘧兓?對燃?xì)夂驮洼斔彤a(chǎn)生影響。此外,不可避免地導(dǎo)致燃?xì)鈮嚎s機(jī)和輸油泵電力負(fù)荷的隨機(jī)性和波動性地變化。因此,海上風(fēng)電并網(wǎng)的海上油氣田電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行需要充分考慮海上風(fēng)電隨機(jī)性和波動性的影響。

目前還未有正在運(yùn)行的海上風(fēng)電并網(wǎng)的海上油氣田項(xiàng)目,相關(guān)研究還很不充分。文獻(xiàn)[12]構(gòu)建了孤島運(yùn)行和連接岸電兩種海上油氣田電網(wǎng)運(yùn)行形式,并通過電磁暫態(tài)仿真研究了海上油氣田電網(wǎng)與海上風(fēng)電集成的可行性。文獻(xiàn)[13]構(gòu)建了一種海上油田鉆井平臺與海上風(fēng)電并網(wǎng)的孤島運(yùn)行系統(tǒng),基于海上風(fēng)電功率和油田鉆井平臺負(fù)荷預(yù)測結(jié)果研究了海上風(fēng)電對海上油田鉆井平臺碳排放的影響,指出海上風(fēng)電對海上油田鉆井平臺節(jié)能減排具有重要意義。文獻(xiàn)[14]從海上油氣田CO2/NOx氣體減排、電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性、風(fēng)電并網(wǎng)的技術(shù)實(shí)施難度三個方面研究了海上風(fēng)電場與海上油氣田并網(wǎng)的可行性。文獻(xiàn)[15]重點(diǎn)研究了海上油氣田與海上風(fēng)電并網(wǎng)的有功功率管理問題,提出通過風(fēng)電慣量模擬、有功-頻率控制等方式提升海上油氣田電網(wǎng)運(yùn)行安全性。文獻(xiàn)[16]研究表明儲能系統(tǒng)能很大程度上提升海上風(fēng)電并網(wǎng)的海上油氣田系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[17]考慮以年為周期的優(yōu)化調(diào)度問題,分析了儲能-風(fēng)電-透平發(fā)電機(jī)之間協(xié)同的功率和能量匹配關(guān)系,并對不同負(fù)荷水平、不同風(fēng)電滲透率場景下的方案進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析。文獻(xiàn)[18]提出了一種面向風(fēng)電消納的海上油氣平臺能源系統(tǒng)低碳運(yùn)行調(diào)度方法,量化了風(fēng)電最惡劣場景下的爬坡靈活性需求和燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的爬坡靈活性供應(yīng)。然而,上述研究并未能解決海上風(fēng)電隨機(jī)性和波動性對海上油氣田安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響。

從廣義上來說,海上油氣田電網(wǎng)是屬于一種互聯(lián)型孤島運(yùn)行模式微電網(wǎng),與此結(jié)構(gòu)相似的含新能源微電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行已有相關(guān)研究。風(fēng)電等新能源接入的微電網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行已有相關(guān)研究。文獻(xiàn)[19]通過負(fù)荷側(cè)需求響應(yīng)提升微電網(wǎng)運(yùn)行安全和經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[20]和文獻(xiàn)[21]通過單一尺度到多時間尺度實(shí)現(xiàn)新能源并網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度,降低了新能源長時間不確定性和短時間不確定性的影響。文獻(xiàn)[22]和文獻(xiàn)[23]通過日內(nèi)-日前兩階段魯棒優(yōu)化有效降低了源荷不確定性對優(yōu)化調(diào)度的影響。然而,上述研究并未消除不確定性新能源出力預(yù)測誤差對系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

上述研究并未充分考慮海上油氣田自身特征。一方面,海上油氣田能源結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)微電網(wǎng)和配電網(wǎng)在源網(wǎng)荷與結(jié)構(gòu)特征等方面存在顯著性差異,包括作為用電負(fù)荷的燃料生產(chǎn)系統(tǒng)同時也是供電系統(tǒng)的一次能源,以及平臺間相對長距離的海底電纜造成的多電源分散互聯(lián)特征;另一方面,不同于以電力電子為主要動態(tài)特性的風(fēng)光儲微電網(wǎng),海上油氣田微電網(wǎng)在一段時間以內(nèi)仍然以多臺燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)為主要動態(tài),結(jié)合風(fēng)機(jī)變流器和原動機(jī)動態(tài)特性,體現(xiàn)出典型的多尺度動態(tài)特性,有必要在運(yùn)行調(diào)度過程加以考慮,以有效應(yīng)對風(fēng)電預(yù)測誤差等導(dǎo)致的系統(tǒng)運(yùn)行波動[20]。由于燃?xì)?燃油發(fā)電機(jī)組對短時的功率波動響應(yīng)速度有限[24],海上風(fēng)電并網(wǎng)的海上油氣田風(fēng)電消納成為亟待解決的難題。

鑒于此,本文提出基于燃?xì)?燃油透平發(fā)電機(jī)與儲能協(xié)同的海上油氣田電網(wǎng)分層協(xié)調(diào)運(yùn)行控制策略,解決多時間尺度系統(tǒng)下的海上風(fēng)電隨機(jī)性和波動性平抑問題,提升海上油氣田電網(wǎng)對海上風(fēng)電的消納水平。首先,本文構(gòu)建了考慮海上風(fēng)電并網(wǎng)的海上油氣田綜合能源系統(tǒng)模型。在此基礎(chǔ)上,提出基于飽和濾波器算法的計(jì)及透平發(fā)電機(jī)組和儲能系統(tǒng)動態(tài)協(xié)同的功率快速分配策略和分層調(diào)控框架,以平抑海上風(fēng)電多時間尺度下的隨機(jī)性和波動性。最后,基于我國北部某海上油氣田系統(tǒng),驗(yàn)證了所提方法的可行性。

1 互聯(lián)海上油氣田綜合能源系統(tǒng)

1.1 結(jié)構(gòu)介紹

海上油氣田系統(tǒng)是集海上油氣生產(chǎn)、匯集、輸送為一體的產(chǎn)集輸系統(tǒng)。為提升油氣生產(chǎn)和輸送的效率,降低運(yùn)營成本,海上油氣田通常由多個海上油氣平臺通過海底電纜、海底油氣管道互聯(lián),形成一個多平臺互聯(lián)的海上油氣平臺群綜合能源系統(tǒng)[25]。傳統(tǒng)保障海上油氣田正常運(yùn)行的供電系統(tǒng)主要包括燃?xì)?燃油透平發(fā)電機(jī)組、燃?xì)鈮嚎s機(jī)、輸油泵等設(shè)備。為提升海上油氣田的清潔化水平,目前海上油氣田企業(yè)正在探索將海上風(fēng)電介入到傳統(tǒng)海上油氣田綜合能源系統(tǒng)中,如圖 1所示。

1.2 設(shè)備模型與運(yùn)行約束

1.2.1 透平發(fā)電機(jī)

在海上油氣田供能系統(tǒng)中,燃?xì)?燃油透平發(fā)電機(jī)運(yùn)行要滿足以下功率約束條件:

(1)

(2)

(3)

(4)

[Pgt,i(t)]2+[Qgt,i(t)]2≤(Sgt,i)2,i∈Ωgt

(5)

[Pdt,i(t)]2+[Qdt,i(t)]2≤(Sdt,i)2,i∈Ωdt

(6)

由于海上油氣田綜合能源系統(tǒng)存在高比例的大容量感應(yīng)電機(jī)[26],它們在啟動的時候通常需要消耗2～3倍額定功率的有功功率。因此,海上油氣田的發(fā)電機(jī)組要能夠滿足這類大功率負(fù)載啟動時的有功功率需求。此外,海上油氣田的透平發(fā)電機(jī)組還要留出足夠的熱備用功率滿足發(fā)電機(jī)N-1故障以及風(fēng)電功率與負(fù)荷共同引起的凈負(fù)荷波動。海上油氣田中所有透平發(fā)電機(jī)組還要滿足如下約束條件:

(7)

(8)

式中:PNgt,i(t)和PNdt,i(t)分別為燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)和燃油透平發(fā)電機(jī)在時刻t的額定有功功率;PL,i(t)和PNL,i(t)分別為電負(fù)荷在時刻t的有功功率和額定功率;ΩL為電負(fù)荷的集合;β為正常運(yùn)行時系統(tǒng)熱備用比例。

此外,燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)和燃油透平發(fā)電機(jī)的燃料消耗與輸出有功功率滿足如下約束條件[27]:

Mgt,i(t)=agtPgt,i(t)+bgtPNgt,i,i∈Ωgt

(9)

Mdt,i(t)=adtPdt,i(t)+bdtPNdt,i,i∈Ωdt

(10)

式中:Mgt,i(t)和Mdt,i(t)分別為燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)和燃油透平發(fā)電機(jī)在時刻t的耗氣量和耗油量;PNgt,i和PNdt,i為燃?xì)夂腿加屯钙桨l(fā)電機(jī)的額定容量;agt、bgt、adt和bdt為燃料-功率輸出特性方程的系數(shù),可由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到。

1.2.2 燃?xì)鈮嚎s機(jī)

在正常運(yùn)行時,燃?xì)鈮嚎s機(jī)要滿足以下約束條件[28]:

(11)

Qgc,i(t)=Pgc,i(t)tanφgc,i,i∈Ωgc

(12)

[Pgc,i(t)]2+[Qgc,i(t)]2≤(SNgc,i)2,i∈Ωgc

(13)

1.2.3 輸油泵

正常運(yùn)行時,輸油泵要滿足以下約束條件[29]:

(14)

Qop,i(t)=Pop,i(t)tanφop,i,i∈Ωop

(15)

[Pop,i(t)]2+[Qop,i(t)]2≤(SNop,i)2,i∈Ωop

(16)

1.2.4 海上風(fēng)電

海上風(fēng)電運(yùn)行滿足如下約束:

(17)

(18)

(19)

(20)

式中:Ωwt表示所有海上風(fēng)電的集合;Pwt,i(t)和Qwt,i(t)分別為風(fēng)電時刻t的有功功率和無功功率;λlead,wt,i和λlag,wt,i分別為風(fēng)電的超前功率因數(shù)和滯后功率因數(shù)邊界。

1.2.5 海上油氣田電網(wǎng)絡(luò)

海上油氣田通常由多個油氣平臺組成,如果平臺之間的海纜距離很長,則海纜充電電容效應(yīng)需要詳細(xì)考慮[30]。海上油氣田電網(wǎng)絡(luò)需要滿足以下約束條件:

(21)

(22)

式中:Pi(t)和Qi(t)分別為電網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)在時刻t注入的有功功率和無功功率;Vi(t)和Vj(t)為在時刻t支路兩端的節(jié)點(diǎn)電壓的幅值;δij(t)為在時刻t支路兩個節(jié)點(diǎn)之間的相角差;Gij和Bij為支路電導(dǎo)和電納。

1.2.6 儲能系統(tǒng)

受海上油氣田空間、承重和消防安全限制,儲能容量配置不宜過大,本文選用功率型儲能系統(tǒng),僅用于平抑海上風(fēng)電接入后油氣田電網(wǎng)的頻率波動,不參與日前和日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度。儲能系統(tǒng)在參與系統(tǒng)運(yùn)行的過程中需要滿足以下約束條件[31]:

(23)

(24)

(25)

1.3 模型求解

所提優(yōu)化調(diào)度策略中,式(21)和(22)為非線性約束,采用文獻(xiàn)[32]所提方法進(jìn)行線性化,轉(zhuǎn)換后的日前優(yōu)化調(diào)度模型是混合整數(shù)線性規(guī)劃模型,日內(nèi)優(yōu)化模型是線性規(guī)劃模型,對于轉(zhuǎn)換后的優(yōu)化模型本文采用商業(yè)軟件GUROBI進(jìn)行求解。

2 計(jì)及燃機(jī)和儲能動態(tài)協(xié)同的分層調(diào)控框架

2.1 分層調(diào)控策略架構(gòu)

為降低海上風(fēng)電隨機(jī)性和波動性對海上油氣田系統(tǒng)調(diào)度的影響,本文提出采用日前調(diào)度和日內(nèi)優(yōu)化修正的協(xié)同調(diào)度策略平抑風(fēng)電小時級的長時間波動。

基于日前海上風(fēng)電日前預(yù)測結(jié)果的調(diào)度策略輸出海上油氣田系統(tǒng)的透平發(fā)電機(jī)啟停策略,避免海上風(fēng)電造成頻繁的機(jī)組啟停影響正常油氣生產(chǎn)。基于超短期海上風(fēng)電預(yù)測結(jié)果,日內(nèi)優(yōu)化修正策略能在一定程度上降低海上風(fēng)電隨機(jī)性和波動性對燃?xì)饣蛉加桶l(fā)電機(jī)組出力造成頻繁的大幅波動,進(jìn)而減小海上風(fēng)電接入對發(fā)電機(jī)組運(yùn)行壽命的影響。

進(jìn)一步,本文提出在優(yōu)化調(diào)度策略的基礎(chǔ)上,利用儲能系統(tǒng)的快速響應(yīng)特性來解決超短期海上風(fēng)電預(yù)測不能體現(xiàn)的短期海上風(fēng)電功率波動問題。由于海上油氣平臺的空間和安全限制,不能配置大容量的儲能。因此,本文所提調(diào)控策略中,儲能僅參與短時功率調(diào)控,不參與優(yōu)化調(diào)度。至此,本文所提出適用于海上風(fēng)電并網(wǎng)的海上油氣田綜合能源系統(tǒng)分層調(diào)控策略如圖 2所示。

2.2 優(yōu)化調(diào)度層

2.2.1 日前優(yōu)化調(diào)度

海上油氣田綜合能源系統(tǒng)的日前優(yōu)化調(diào)度策略,是以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行最少燃料成本和最小電壓偏差的多目標(biāo)優(yōu)化策略。其目標(biāo)函數(shù)如下:

(26)

(27)

(28)

(29)

式中:Cgas和Coil分別為一天內(nèi)天然氣消耗總成本和燃油消耗總成本;DV為一天內(nèi)所有母線電壓總偏差;C∑0為天然氣和燃油消耗總成本的基準(zhǔn)值,通過以最小燃料成本為目標(biāo)的日前優(yōu)化調(diào)度求得;V∑0為電壓總偏差的基準(zhǔn)值,通過以最小電壓偏差為目標(biāo)的日前優(yōu)化調(diào)度求得;w1和w2為燃料成本和電壓偏差優(yōu)化目標(biāo)的權(quán)重,分別取0.5;Δt和NT為日前優(yōu)化調(diào)度的優(yōu)化步長和段數(shù);cgt和cdt分別為天然氣和燃油的單位成本;Mgt,i,j為燃?xì)獍l(fā)電機(jī)i在第j個Δt時天然氣的消耗速率;Mdt,i,j為燃油發(fā)電機(jī)i在第j個Δt時的燃油的消耗速率;ne為電力網(wǎng)絡(luò)所有母線的集合;Vi,j為母線i在第j個Δt時的電壓幅值。

2.2.2 日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度修正

海上風(fēng)電具有隨機(jī)性和波動性,受限于現(xiàn)有預(yù)測技術(shù)的準(zhǔn)確性,日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度根據(jù)超短期風(fēng)電預(yù)測結(jié)果對日前優(yōu)化調(diào)度策略進(jìn)一步修正。一方面有利于提升發(fā)電機(jī)組對風(fēng)電隨機(jī)性和波動性的平抑能力;另一方面,還能降低海上風(fēng)電引起的頻繁功率調(diào)節(jié)對透平發(fā)電機(jī)組運(yùn)行壽命的影響。本文在日內(nèi)調(diào)度步長區(qū)間內(nèi)設(shè)置了透平發(fā)電機(jī)與儲能協(xié)同策略,共同支撐風(fēng)電接入后的海上油氣田電網(wǎng)供需平衡。儲能系統(tǒng)不參與日內(nèi)調(diào)度,不同日內(nèi)調(diào)度步長間無相互影響,不需做多步長前瞻優(yōu)化。因此,海上油氣田日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)如下:

(30)

(31)

(32)

(33)

2.3 基于飽和濾波器的風(fēng)電功率平抑策略

盡管通過日內(nèi)調(diào)度對海上風(fēng)電的隨機(jī)性和波動性進(jìn)行了修正平抑,但透平發(fā)電機(jī)組對短時的功率波動響應(yīng)能力有限。為進(jìn)一步提升海上油氣田系統(tǒng)運(yùn)行的電能質(zhì)量,保障海上油氣田生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行效率,本文提出基于飽和濾波器的風(fēng)電功率平抑策略。

儲能支撐的透平發(fā)電機(jī)風(fēng)電功率調(diào)節(jié)原理如圖3所示,該策略的主要思想是利用儲能的快速功率響應(yīng)能力彌補(bǔ)透平發(fā)電機(jī)短時間功率響應(yīng)速率較慢的不足。當(dāng)風(fēng)電功率增加時,儲能快速充電,并隨著透平發(fā)電機(jī)出力不斷減小,儲能充電功率逐漸減小。反之,當(dāng)風(fēng)電功率減小時,儲能快速放電,并伴隨著透平發(fā)電機(jī)出力不斷增加,儲能放電功率逐漸減小。

所提策略通過巴特沃斯濾波器將風(fēng)電預(yù)測誤差產(chǎn)生的功率Pwt,err進(jìn)行分解,低頻信號Pwt2tur分配給燃?xì)?燃油發(fā)電機(jī)組響應(yīng),高頻信號Pwt2es分配給功率型電儲能響應(yīng),如圖4所示。其中,儲能初始功率參考值Pes,target和飽和環(huán)節(jié)用來保證儲能系統(tǒng)始終運(yùn)行在最優(yōu)的荷電狀態(tài);Ptur,set和Pes,set為透平發(fā)電機(jī)和儲能系統(tǒng)的參考功率。濾波器的時間常數(shù)可通過如下方式進(jìn)行評估[33]:

(34)

(35)

(36)

(37)

3 算例分析

3.1 系統(tǒng)參數(shù)

如圖5所示,以我國北方某海上油氣田電網(wǎng)為例進(jìn)行研究。該海上油氣田電網(wǎng)包含四個海上油氣田平臺,平臺1-A和平臺1-B與平臺2-A和平臺2-B通過一條15 km海底電纜相連。海上油氣田電網(wǎng)主要含有5條母線,其中,母線5和母線5′距離很近,二者視為同一條母線。海上油氣田電網(wǎng)共包含9臺燃?xì)?燃油透平發(fā)電機(jī)組。其中,燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)組2臺(G1和G2),單臺額定容量為5 MVA;燃油透平發(fā)電機(jī)組7臺(G3—G9),單臺額定容量為1.5 MVA。海上油氣田在平臺1-A接入一臺5 MW海上風(fēng)電,風(fēng)電24 h出力典型曲線如圖6所示。海上油氣田配置有額定功率分別為0.6 MW和0.3 MW的燃?xì)鈮嚎s機(jī)各2臺,額定功率0.3 MW的輸油泵2臺。海上風(fēng)電的日出力實(shí)時數(shù)據(jù)如圖7所示。風(fēng)電的日前預(yù)測和日內(nèi)超短期預(yù)測的結(jié)果,時間分辨率分別為1 h和15 min。海上油氣田正常負(fù)荷約為7 MW,如圖8所示。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 日前調(diào)度分析

根據(jù)海上風(fēng)電和海上油氣田負(fù)荷日前預(yù)測結(jié)果,通過日前優(yōu)化調(diào)度策略得到海上油氣田電網(wǎng)的各發(fā)電機(jī)的日前調(diào)度結(jié)果,如圖9所示。同時,海上油氣田電網(wǎng)日前優(yōu)化調(diào)度中電壓水平如圖10所示。

圖1 海上油氣田綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of offshore oil and gas field integrated energy system

圖2 海上油氣田綜合能源系統(tǒng)分層調(diào)控策略Fig.2 Hierarchical control strategy for offshore oil and gas field integrated energy system

圖3 儲能支撐的透平發(fā)電機(jī)風(fēng)電功率調(diào)節(jié)原理Fig.3 Principe of using energy storge system to support turbine generator to host wind power

圖4 基于飽和濾波器的控制算法示意圖Fig.4 Schematic diagram of control algorithm based on saturated filter

圖5 海上油氣田電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of offshore oil and gas field power system

圖6 海上風(fēng)電24 h出力數(shù)據(jù)Fig.6 Offshore wind power in 24 hours

圖7 海上風(fēng)電日前和日內(nèi)預(yù)測結(jié)果Fig.7 Day-ahead and intraday forecast results of offshore wind power

圖8 海上油氣田日前和日內(nèi)負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)Fig.8 Day-ahead and intraday forecast results of power load in offshore oil and gas field

圖10 電網(wǎng)電壓日前優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Fig.10 Day-ahead optimal scheduling results of voltage

圖11 透平發(fā)電機(jī)組日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Fig.11 Intraday optimal scheduling results of turbine generators

圖12 電網(wǎng)電壓日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Fig.12 Intraday optimal scheduling results of voltage

圖13 透平發(fā)電機(jī)組出力變化情況Fig.13 Power variation of turbine generators

從圖9中可以發(fā)現(xiàn),海上油氣田電網(wǎng)中兩臺燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)(G1和G2)全開,且運(yùn)行在較高的功率水平。而燃油透平發(fā)電機(jī)(G6和G7)運(yùn)行在較低水平。這是因?yàn)槿細(xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)相對于燃油透平發(fā)電機(jī)的燃料成本更低。同時,基于所提日前優(yōu)化調(diào)度策略能保證海上油氣田電網(wǎng)電壓始終運(yùn)行在安全范圍內(nèi),電壓偏差始終維持在-3%～2%之內(nèi)。

3.2.2 日內(nèi)調(diào)度分析

為對日前優(yōu)化調(diào)度中海上風(fēng)電的隨機(jī)性和波動性進(jìn)行修正,根據(jù)海上風(fēng)電和海上油氣田負(fù)荷的日內(nèi)預(yù)測結(jié)果,重新對透平發(fā)電機(jī)組進(jìn)行調(diào)度和對電網(wǎng)電壓科學(xué)管理。所得修正后的透平發(fā)電機(jī)出力狀況和電壓水平分別如圖 11和圖 12所示。

海上風(fēng)電日內(nèi)預(yù)測結(jié)果相比于日前預(yù)測更能反映海上風(fēng)電真實(shí)出力狀況?？梢钥闯鲈?2時—24時期間,海上風(fēng)電出力較大并且功率波動也很大,這部分波動功率基本上都是由兩臺燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)組進(jìn)行平抑。通過對比圖 9和圖 11,燃油透平發(fā)電機(jī)組的出力和變化情況相比于日前優(yōu)化調(diào)度差別不大。通過所提日內(nèi)優(yōu)化策略對海上風(fēng)電不確定性帶來的預(yù)測誤差的修正,電網(wǎng)電壓依舊能維持在安全的水平,最大電壓偏差都維持在-3%～2%之間。

3.2.3 風(fēng)電平抑策略分析

根據(jù)式(34)選擇濾波器的時間常數(shù)為5 s,電儲能最大充放電功率為2 MW?；诤Ｉ巷L(fēng)電真實(shí)的出力曲線,利用所提風(fēng)電平抑策略對海上風(fēng)電實(shí)時出力曲線進(jìn)行跟蹤。透平發(fā)電機(jī)組總有功參考值和實(shí)時出力變化曲線如圖 13所示。儲能的出力曲線如圖 14所示。電網(wǎng)頻率的實(shí)時變化曲線如圖 15所示。

基于所提風(fēng)電平抑策略能夠解決海上風(fēng)電隨機(jī)性和波動性的問題,透平發(fā)電機(jī)組能夠快速跟蹤參考指令,儲能可以快速響應(yīng)功率參考值變化,最終實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率實(shí)時穩(wěn)定在安全范圍內(nèi),頻率偏差不超過±0.05 Hz。

從圖14中發(fā)現(xiàn),為了響應(yīng)風(fēng)電功率短時快速波動,儲能大量頻繁地快速充放電,將顯著影響能量型儲能的運(yùn)行壽命。本文推薦選取超級電容器等功率型儲能或混合儲能,以兼顧本文所提策略對儲能頻繁充放電能力和長壽命周期的需求。

圖14 儲能出力變化情況Fig.14 Power variation of energy storage system

圖15 電網(wǎng)頻率變化情況Fig.15 Power system frequency variation

4 結(jié) 論

1)為解決海上風(fēng)電并網(wǎng)的海上油氣田風(fēng)電消納難題,本文提出計(jì)及風(fēng)電接入的海上油氣田能源系統(tǒng)分層調(diào)控策略。通過日前-日內(nèi)協(xié)同的調(diào)度策略和基于飽和濾波器的透平發(fā)電機(jī)-儲能快速功率分配策略解決海上風(fēng)電隨機(jī)性和波動性問題。所提策略有效解決了海上風(fēng)電隨機(jī)性和波動性問題,實(shí)現(xiàn)了接入海上風(fēng)電完全消納,頻率偏差不超過±0.05 Hz,電壓偏差不超過±5%,保證了系統(tǒng)功率平衡、頻率和電壓安全,并實(shí)現(xiàn)了海上油氣田綜合能源系統(tǒng)燃料成本最小化。

2)基于本文所提分層調(diào)控策略,儲能系統(tǒng)將會面臨頻繁充放電。超級電容器等功率型儲能或混合儲能更適用于滿足海上油氣田安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行對儲能系統(tǒng)頻繁充放電能力和長壽命周期的需求。

為了推動海上風(fēng)電與海上油氣田并網(wǎng)的落地示范應(yīng)用,未來還要結(jié)合海上油氣田平臺空間、承重、消防安全、透平發(fā)電機(jī)和儲能全壽命周期投資與運(yùn)維成本等問題詳細(xì)研究海上油氣田儲能優(yōu)化配置問題。