基于油田井场场景下风光储系统优化配置技术研究

丁立苹 刘宏亮 任晓勇 达珺 程雅雯

（中国石化集团胜利石油管理局有限公司新能源开发中心）

胜利油田重点立足内部用电市场，利用油气田低效土地、废弃井场和空置场地、储能技术在新能源利用的优势，基于风能资源和太阳能资源丰富的井场，构建风光储多能互补的采油井场直流微电网系统尤为重要。这对于推进绿色能源的智慧能效管理、为油田持续优化能源消费结构、双碳目标的实现能够发挥重要作用。

针对油田井场用能负荷的特性条件，在储能技术优化优选的基础上，进行采油井场风光储系统容量优化配置关键技术研究。基于PSCAD/EMTDC平台，建立了离网状态下风光储系统的模型进行仿真验证。

1 风光储系统输出功率模型

1.1 系统结构

基于油田井场场景下抽油机的工作特性，采用带油井负荷离网型的风光储一体化系统[1]作为研究对象，系统包括太阳能光伏板、风力发电机、储能电池、控制柜、微电网能量管理系统等装置组成。太阳能光伏板和风力发电机组是微电网产生电能的部分，储能电池起的作用是削峰填谷、能量调节。微电网控制系统的作用是对微电网的能量管理，依据一定的控制策略，在保证抽油机负荷稳定运行的同时，最大限度利用绿色能源并提高经济效益。图1为油田井场共直流母线风光储微电网系统。

图1 井场风光储直流微电网系统

1.2 太阳能光伏板输出功率模型

太阳能光伏发电受太阳能辐射值、环境温度影响，输出功率模型如下：

式中：PPV为光伏发电的输出功率，kW；fPV为光伏发电的功率因数；Prated为光伏发电系统的额定功率，kW；A为光伏板光照辐射值，k W/m2；As为标准状况下的太阳能辐射值，kW/m2；αp为温度对能量转换效率的影响系数；T为光伏发电系统的表面温度，℃；TS为标准条件下的光伏板温度，℃。

1.3 风力发电机输出功率模型

在其他影响因素不变的情况下，风电机组功率只与实时风速有关，常用的风机功率模型如下：

式中：PWG为风机输出功率，kW；vr、vci、vco和v分别为风机的额定风速、切入切出风速、风机轮毂处的风速，m/s；Pr为额定功率[2]，k W。

1.4 储能输出功率模型

储能装置作为系统可调度能量的配置，能够保证井场风光储系统功率稳定的输出。依据油田井场实际生产情况、规模等级，综合考虑环境因素、经济效益、用电负荷，微电网系统选用磷酸铁锂电池。储能装置的充放电功率模型为：

1）当微电网系统输出功率大于负荷时，储能装置充电，则蓄电池t时刻容量为：

式中：Cbat(t)为t时刻蓄电池的容量，k Wh；ηcha为蓄电池的充电效率，一般取0.7～0.9；Pbat()t为蓄电池充电功率，kW；Δt为采样间隔，h；Cbat.N为蓄电池的额定容量，kWh。

2）当微电网系统输出功率小于负荷时，储能装置放电，则蓄电池t时刻容量为：

式中：ηdech为储能放电效率；Cbatmin为蓄电池的最低容量，k Wh。

2 油田场景风光储系统优化配置技术研究

2.1 油田井场区域风光储系统应用模式

针对胜利油田井场的实际条件，形成了一套适应于油田井场区域的风光储系统应用模式，包括风光储微电网系统并网型和离网型运行模式的确定，以及井场内风光储的系统有效布置空间优化的研究，影响光伏排布的典型井场如图2。

图2 影响光伏排布的典型井场

胜利油田东部油区由于井场空间受限，风光发电系统建设空间不足，风光储微电网系统采用联网（并网）型运行模式；在胜利油田偏远井场和西部油区，风光发电系统建设空间充足，风光储微电网系统采用独立（离网）型运行模式。

2.2 油田场景风光储系统容量优化配置计算

井场风光储系统以胜利油田孤岛采油厂两口油井抽油机Ⅰ、抽油机Ⅱ作为用能负荷，图3为抽油机上下冲程电流曲线。由于井场抽油机工作特性，其负载特性成周期波动性，负荷曲线与风光储发电系统发电曲线匹配，该系统需要为井场内两台抽油机供电，负荷的功率为：

图3 抽油机Ⅰ、Ⅱ上下冲程电流曲线

式中：Pload、Pload1、Pload2分别表示井场用电负荷总功率、抽油机Ⅰ的功率、抽油机Ⅱ的功率，kW；Wload1与Wload2为两台抽油机日耗电量，kWh。

根据用能数据显示，抽油机Ⅰ平均日耗电量为272 k Wh，抽油机Ⅱ平均日耗电量为136 k Wh，经过计算，总工作负荷为17 kW。综合考虑以上因素，光伏装机容量为120 k Wp，风机装机容量为20 k W。

蓄电池额定容的确定需要考虑多方面因素，经过对系统容量、风光输出功率的综合分析[3]，储能容量可以确定为：

式中：CbatN为蓄电池额定容量，kWh；Hbat为储能单独作用时长，h；D O D为储能最大放电深度，计算中取90%。经过计算，得出储能容量为255 k Wh，即离网型风光储系统[4-6]储能容量配置为100 k W/255 kWh。

2.3 系统仿真模拟

基于PSCAD/EMTDC平台，建立离网状态下光伏、风电、蓄电池及系统的模型并进行了仿真验证。直流微电网系统包括光伏120 k W、蓄电池255 kWh、直流负荷17 k W。直流微电网通过接口变换器、变压器连接至610 V配电网母线。直流微网仿真模型见图4。

图4 低压直流微网仿真模型

初始状态蓄电池建立直流母线电压610 V，在0.050 s达到稳态，此时光伏、风电都没有投入，因此只有蓄电池为负载提供能量，负载为17 k W。蓄电池放电仿真模拟结果见图5、图6。

图5 离网蓄电池建立母线电压

图6 离网蓄电池输出功率

假设微电网系统在孤岛油区运行期间，光充足，蓄电池满，0.500 s时直流负荷从17 k W变为30 k W，根据能量管理策略，此时光伏处于恒功率控制模式，光伏发出功率由负载的大小决定，由图7的仿真结果可得功率随着负载大小提升，因此仿真的结果符合理论。

图7 离网光伏输出功率跟随负荷变化

3 微电网系统能量控制方法

由于风光资源的不稳定性，导致微电网系统输出功率随环境因素而呈现波动性，需要应用微电网能量管理系统依照相应的控制方法对微电网的能量输出加以控制，以保证微电网系统的稳定，进而保证抽油机的正常运行[7-8]。

井场风光储微电网能量控制系统如图8，由中心控制器采集各个模块数据信息，并发出工作指令，统一控制各板块输出功率、输入功率的大小，以维持微电网系统的稳定[9]。

图8 井场微电网能量控制系统

控制面板中，负载功率为Qload，太阳能光伏电池板的输出功率Qout1，风力发电机组的输出功率Qout2，储能电池组的能量储存Q3，控制方法如下：

1）中心控制器对采集到的数据进行对比，若Qout1+Qout2＞Qload系统控制直流母线电压由太阳能光伏电池板和风力发电机组支撑[10]，同时为储能电池组进行充电。

2）太阳能光伏板和风力发电机组同时供电且储能装置组满能量时，系统启动风力发电机组制动装置，基于控制器控制策略控制发电功率输出Q o u t1+Qout2与负载功率Qload预测曲线维持稳定平衡。

3）若Qout1+Qout2＜Qload，且检测到储能电池组能量储存Q3＞电池内存的10%，则启动储能电池组放电。

4）若Qout1+Qout2＜Qload，且检测到储能电池组能量储存Q3＜电池内存的10%，则终储能电池组放电工作，于此同时启动应急装置，此时直流母线电压由太阳能光伏电池板、风力发电机组和柴油发电机共同支撑。

4 结论

1）针对油田井场风光储系统中太阳能光伏板、风力发电机、储能电池装置，建立了输出功率模型。

2）以胜利油田孤岛采油厂管理五区两台抽油机用能负荷为例采用MATLAB计算软件计算出配置光伏、风机、储能的装机容量，优化得出孤岛采油厂管理五区井场风光储优化配置方案。

3）形成了一套适应于油田井场区域的风光储系统应用模式，包括风光储微电网系统并网型和离网型运行模式的确定，以及井场内风光储的系统有效布置空间优化的研究。