王輝 唐春娟 常振武 梁海鋒（長慶油田公司第六采油廠）

風電優(yōu)先風網(wǎng)互補技術在長慶油田的適用性研究

王輝 唐春娟 常振武 梁海鋒（長慶油田公司第六采油廠）

風能作為永不枯竭的能源，大大超過水流能量，也大于固體、液體燃料能量的總和，由此預示著風電產(chǎn)業(yè)將有良好的發(fā)展前景。長慶油田地域遼闊，風能資源豐富，從長遠來看，開發(fā)利用風能為油田的節(jié)能工作提出一個新的思路。長慶油田第六采油廠進行了風電技術適用性研究，通過論證分析和現(xiàn)場試驗得出，地處陜北的長慶油田較適宜風力發(fā)電項目的開發(fā)利用。

風電優(yōu)先風網(wǎng)互補 節(jié)能減排 智能控制 變頻

風能資源作為一種可再生的新能源近年來受到廣 泛 的 重 視 與 關 注[1]， 而 且 風 電 技 術 開 發(fā) 成 熟 、 成本低廉，具有永不枯竭、無污染等特點。根據(jù)“十一五”國家風電發(fā)展規(guī)劃，2010年全國風電裝機容量達到 500×104kW，2020年全國風電裝機容量達到 3000×104kW。風能作為解決生產(chǎn)和生活能源的一種可靠途徑，有著十分重要的意義。長慶油田地域遼闊，風能資源有利用價值，生產(chǎn)現(xiàn)場多處在偏遠缺電地區(qū)，充分利用風能就近發(fā)電、自產(chǎn)自用，開展風力發(fā)電技術適用性研究對節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟有著重要的意義。

1 風力測試

1.1中國有效風功率密度分布

通過圖1、圖2可以看到陜西省定邊縣位于風能較好區(qū)域。定邊縣有效風功率密度為 50～150W/m2，風能可利用小時數(shù)4000h左右。

根據(jù)風能分布圖和風能區(qū)域劃分原則 （表1），可以看出，定邊縣處在風能可利用區(qū)，部分地域位于風能較豐富區(qū)。

表1 風能區(qū)域劃分原則

圖1 中國有效風功率密度分布

圖2 中國全年風速大于 3m/s小時數(shù)分布

1.2風能測試點及其基本概況

經(jīng)過查閱定邊縣氣象局相關資料及現(xiàn)場風力測試，選取地處定邊縣中部的長慶油田第六采油廠元120 站盆 18-17 井組作為風力測試點 （表2），該井組共有抽油機井3口，水井2口，污油池1口；抽油機電動機功率為15kW，抽油機呈一字排開。井組所處區(qū)域風資源較好，周圍無樹木、山峰遮擋，年平均風速在 3m/s以上，為風能可利用區(qū)域，氣候條件最低為-35 ℃，最高為35 ℃。

表2 元 120站風能觀測點2009年測試統(tǒng)計結果

通過圖3至圖6可以看出，觀測點年風速呈明顯的季節(jié)性變化，風速較大在3月至5月。

圖3 2009年實測風向

圖4 近10年氣象局統(tǒng)計風向

圖5 2009年實測風速

圖6 近10年氣象局統(tǒng)計風速

2 方案設計

2.1風能應用技術發(fā)展現(xiàn)狀

風能是不穩(wěn)定的，如果沒有儲能裝置或與其他發(fā)電裝置互補運行，風力發(fā)電裝置本身難以提供穩(wěn)定的電能輸出。目前，國內(nèi)外常見的風力發(fā)電系統(tǒng)的供電方式主要有獨立運行、并網(wǎng)運行和分布式風網(wǎng) 聯(lián) 合互補型[2]。

獨立運行又稱離網(wǎng)型，需要采取相應的儲能措施。

并網(wǎng)運行就是采用風力發(fā)電機與電網(wǎng)連接，由電網(wǎng)輸送電能。

分布式風網(wǎng)聯(lián)合互補供電方式，是指直接將風力發(fā)電設施布置在負載附近，并與電網(wǎng)同時向負載供電的方式，無需上網(wǎng)。

2.2供電模式選擇

油田的抽油機理論上不允許停機，而風機是靠風發(fā)電，因而它的發(fā)電必然是時斷時續(xù)，時大時小。但該系統(tǒng)必須保證抽油機不停機，且必須保證只要風機發(fā)電，不管發(fā)電量的大小、發(fā)電電壓的高低，均優(yōu)先使用風電，不足部分才由網(wǎng)電補充。譬如，抽油機電動機實際功率為 25kW，風電發(fā)電功率為 15kW，那么網(wǎng)電補充的功率就是 10kW，這種形式即本方案所謂的互補。只有這種互補，風電才不會造成浪費。

2.3風機功率選擇

第六采油廠盆 18-17井組抽油機電動機功率為15kW，正常運行平均耗電功率為 7～9kW，可選風機功率有 25kW 和 30kW2種。為了提高風力發(fā)電系統(tǒng)的性價比，不使珍貴的風電造成浪費，所以配置的原則是風機的功率接近且小于等于3臺抽油機正常運行功率之和。根據(jù)這個原則，風機的功率為25kW，后拖 3臺抽油機。

3 一拖多風電優(yōu)先風網(wǎng)互補供電系統(tǒng)

一拖多風電優(yōu)先風網(wǎng)互補供電系統(tǒng)(以下簡稱風電系統(tǒng))是專為油田抽油機有效利用風能進行節(jié)能減排而專門開發(fā)生產(chǎn)的新型風電供電系統(tǒng)，它不同于傳統(tǒng)的離網(wǎng)型供電和并網(wǎng)型供電模式，既能保證風電優(yōu)先利用，又能保證抽油機連續(xù)運轉，是一種新型、先進、獨特的供電模式。

3.1系統(tǒng)構成

整套系統(tǒng)由風力發(fā)電機、風機智能升壓控制器、卸荷電阻箱、風網(wǎng)互補智能控制柜組成，通過抽油機變頻控制柜對抽油機進行操作 （圖7）。

圖7 風電優(yōu)先網(wǎng)電補充系統(tǒng)原理

3.2系統(tǒng)各部分主要功能介紹

3.2.1 風力發(fā)電機

將風能轉化為電能的設備，上風向帶尾舵，具有自動對風、自動偏航、自動剎車保護功能。

3.2.2 風機智能升壓控制器

本機控制技術由整流模塊和智能升壓模塊組成，先將風力發(fā)電機發(fā)出的交流電整流為直流電，并將其電壓通過智能升壓模塊始終鉗制在 DC550V，對系統(tǒng)后端輸出電壓穩(wěn)定為DC550V 的直流電，恒壓輸出，中低風速下的風電功率都能有效利用。

3.2.3 卸荷電阻箱

是用來消耗多余風電的電阻性負載，當風電輸出電壓超過設定值后，系統(tǒng)自動啟動卸荷電阻進行工作，增大風力機的負載，使其在一個安全的轉速下運行。

3.2.4 風網(wǎng)互補智能控制柜

將網(wǎng)電進行整流，網(wǎng)電與風電電壓（整流后的直流電壓）同時并聯(lián)接入系統(tǒng)，優(yōu)先使用風電對后端負載供電，在風電發(fā)電功率不夠時，網(wǎng)電自動進行補充；在風機無風時全部用網(wǎng)電供電。

3.2.5 抽油機變頻控制柜

由于抽油機不同運行狀態(tài)下，其負載大小有很大差別，用變頻器對其運動狀態(tài)起平穩(wěn)過度的作用，使其瞬間電流趨于平穩(wěn)。有3種啟停模式：風電變頻啟停、網(wǎng)電變頻啟停、網(wǎng)電工頻啟停，同時配置能量反饋單元，將抽油機發(fā)電狀態(tài)時的電能回饋至電網(wǎng)。

3.3風網(wǎng)互補智能供電系統(tǒng)關鍵技術

一是風機安全保護技術；二是優(yōu)先使用風電，網(wǎng)電作為補充，確保風電全部被利用技術；三是抽油機倒發(fā)電回饋技術；四是風電、網(wǎng)電計量技術等。

該系統(tǒng)構思新穎，巧妙地解決了風電、網(wǎng)電自動互補的技術難關。充分利用風能可再生能源、就近發(fā)電、自產(chǎn)自用，與一般上網(wǎng)型風機相比較減小了上網(wǎng)輸送等設備投資和中間環(huán)節(jié)。與一般離網(wǎng)型風機相比不需要蓄電池電能儲存，降低了投資成本。

3.4運行原理

控制技術是風力發(fā)電機組安全高效運行的關鍵技 術[3,4]， 該 系 統(tǒng) 中 主 要 技 術 是 風 電 優(yōu) 先 網(wǎng) 電 補 充 控制，具有風電優(yōu)先使用的功能，可以最大限度地利用風電，節(jié)省網(wǎng)電。當風機運轉所發(fā)出的電經(jīng)智能穩(wěn)壓控制器整流后，再經(jīng)風網(wǎng)互補控制柜優(yōu)先使用風電。該系統(tǒng)開始使用風電后，如果風機發(fā)出的電量不能滿足后端負載的使用，系統(tǒng)則將缺少部分的電量自動利用網(wǎng)電進行補充，從而達到穩(wěn)定供電的要求。當風機發(fā)出的電量能夠滿足后端負載使用時，系統(tǒng)停止網(wǎng)電輸入，負載完全由風電供給。當風機轉速繼續(xù)上升，風機功率繼續(xù)增加時，風機控制器將進行卸荷保護，以保證該系統(tǒng)正常運行。

3.5風電優(yōu)先網(wǎng)電互補技術適用條件

根據(jù)不同型號機組，假設風機旋轉半徑為d，風機整機運行最高點位為h。

◇ 以 d為半徑 h為高的圓柱體積內(nèi)無障礙物；

◇ 以風機塔架中心點為圓點 1.2h 為半徑的地面內(nèi)，無生產(chǎn)設備；

◇ 風網(wǎng)轉換柜和抽油機變頻控制柜周邊2m內(nèi)無障礙物；

◇ 啟動風速 2m/s，切出風速 25m/s；

◇根據(jù)風能資源評估及設備耗電情況，選擇風力發(fā)電機要與負載用電量的大小相匹配；

◇選址應在開闊地帶，避免山間“狹管效應”對風機造成損害。

4 盆18-17井組風機運行情況

2010年經(jīng)過近 2個月的施工建設，盆 18-17井組風電系統(tǒng)于 5月 4日正式開始運行，連續(xù)運行720h 無故障，抽油機變頻控制柜變頻、工頻均運行正常，風電優(yōu)先升壓控制柜運行平穩(wěn)，卸荷箱卸荷正常。表3 對 2010 年 11 月的風電機組運行數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計。

表3 2010年 11月1—20日風電機組運行數(shù)據(jù)

整個風力發(fā)電機組主機運行正常，風電優(yōu)先，風網(wǎng)互補系統(tǒng)控制系統(tǒng)工作正常，連續(xù)無故障運行720h，截至 6月 4日已累計發(fā)電2400kWh?，F(xiàn)場運行表明，風速為 4m/s時，日發(fā)電量為 80～100kWh。

5 效果評估

從表3可以看出，采用一拖三風電優(yōu)先網(wǎng)電互補風力發(fā)電裝置，日發(fā)電量80kWh左右；由于風電系統(tǒng)自帶變頻控制裝置，3臺15kW抽油機日耗電僅為220kWh 左右，平均單臺抽油機日耗電 73kWh，比廠平均單井日耗電 94.32kWh 減少 21.32kWh。計算風電系統(tǒng)整體日節(jié)能量在140kWh左右。

目前，該風電機組已運行2年時間，累計發(fā)電量10×104kWh，變頻控制系統(tǒng)累計節(jié)電 4×104kWh。

6 結論

長慶油田勘探區(qū)域主要在陜甘寧地區(qū)，風力資源豐富，在風資源充足的叢式井組應用風電將大大降低網(wǎng)電用電量，而且減少大量有毒有害氣體的排放，節(jié)能減排效果明顯。

隨著國家政策扶持力度的加大、技術不斷成熟完善和成本的降低，該技術將為長慶油田新能源利用開拓更加廣闊的前景。

[1]mullerS,deickeM,DeDonckerRW.Doublyfedinduction generator systems for wind turbines [J].Industry Applications Magazine,IEEE,2002,8 (3):26-33.

[2]李俊峰，高虎，王仲穎,等.2008中國風電發(fā)展報告[M].北京：中國環(huán)境科學出版社，2008.

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10.3969/j.issn.2095-1493.2013.002.018

2012-09-05）

王輝，2007 年畢業(yè)于東北石油大學 （石油工程專業(yè)）， 從 事 質(zhì) 量 、 節(jié) 能 、 計 量 、 標 準 化 管 理 工 作 ， E-mail： brillian7@qq.com，地 址 ： 陜 西 省榆林 市 定 邊 縣 磚 井鎮(zhèn)閆 塘 村 第 六 采油廠質(zhì)量安全環(huán)?？?，718606。