风电接入中原油田电网的节能研究

邢子豪

（华北电力大学）

在原油生产成本中，电费的使用占生产成本的三分之一，其中抽油机用电量占了大部分的比重，约为80%以上，而且随着油田的进一步发展，在保障达标的产量上，提高生产效率，降低生产能耗显得更为重要。因此，研究风电接入到油田电网对于油田的节能性能有着重要的意义，可以在油田中充分利用风能，进一步降低对电力的需求，从而实现“绿色油田”[1-3]。采用中原油田配电网模型，在部分变电系统中接入风电电源，应用电力系统仿真软件PSCAD/EMTDC 对风力发电机接入中原油田电网进行建模和仿真，从而验证了风电接入油田电网之后节能环保的正确性[4-6]。

1 风力发电现状

我国的风力发电具有非常雄厚的风能资源基础，其中陆地风能发电资源的风量达到260 GW 以上，而海洋风能资源则更高出陆地部分的3 倍以上。近年来，有国家能源政策的支持与扶持，已经有八个“千万千瓦级风电基地”建立完成，极大地解决了我国部分地区用电压力。随着风电建设步伐快速发展，在未来会有越来越多的风电容量接入电网，但由于受到各方面因素影响，就目前而言，我国的风电产业在技术应用与综合管理方面都还不够完善，仍然处于起步阶段，其中存在许多技术问题仍然需要解决[7-9]。

2 风力发电原理

风力发电系统将风的动能转化成电能。这两种能量形式不是直接转化的，而是风力机吸收空气的动能，将其转化为轴上带动发电机旋转的机械能，这部分机械能再被发电机转化为电能。

风力机从自然风中获取风中的能量是有一定限制的。大部分的功率以尾流中的旋转动能形式损失。能量的转换将导致功率的下降，风力机的实际风能利用系数应小于0.593。风力机的实际有功功率：

式中：pm为风电发出的有功功率，MW；Cp为风能利用系数，ρ为空气密度，kg/m3；υ3为风力机叶片扫过的面积，m2；叶尖速比和桨矩角β的函数。风能利用系数、叶尖速比、桨距角关系见图1。

图1 风能利用系数、叶尖速比、桨距角关系

叶尖速比为

式中：λ为叶尖速比；ω为风机旋转角度，rad；R为风力机叶半径，m；υ为风速，m/s。

在某一确定风速下，最大风能利用系数有唯一的风力机最佳转速对应。不同风速下，最佳转速是不同的。

3 中原油田电网模型搭建

中原油田以居民生活区为主，也供电给一些油田辅助生产单位和商业活动区域，并且油田中有很多电动机设备。为进一步研究风电接入油田节能，采用PSCAD 软件对中原油田配电网进行建模，资料来源于设计以及现场数据，主要包括中原油田配电网的AutoCAD 电力接线图、线路阻抗表和负荷统计表等数据。中原油田电网含有37 个变电站。其中有赵村变、柳屯变、呼沱变等7 个110 kV 变电站，胡状变、炼厂变、中心变等30 个35 kV 变电站以及二号、四号、五号等电压开闭所。中原油田的配电网络系统已经正常仿真运行[10-12]。

4 仿真验证分析

算例采用的是中原油田中由柳屯变电站和呼沱变电站等组成的柳屯呼沱变系统，以及由赵村变电站与盟城变电站组成的赵村变系统。其中，柳屯呼沱变系统包括柳屯变电站与呼沱变电站两个110 kV变电站，马寨变电站、炼厂变电站以及三气变电站三个35 kV 变电站；赵村变系统包含110 kV 的赵村变电站和35 kV 的盟城变电站。风力发电机采用由风力涡轮机驱动的同步发电机。涡轮机是由风力调节器控制的，风源被用来模拟风速的波动。

4.1 柳屯呼沱变系统

加入风电前发电厂输出有功功率波形见图2，仅由传统发电厂为系统提供电能，发电厂需要输出约45 MW 的功率以保证系统电压维持在正常水平。以柳屯变为例观察接入风电前的系统电压，三个电压等级的母线电压分别为109.5 kV、37.8 kV、6.2 kV，均在正常电压范围内，加入风电前柳屯变电压波形见图3。

图2 加入风电前发电厂输出有功功率波形

图3 加入风电前柳屯变电压波形

在柳屯变与呼沱变上方加入风电，与发电厂一起为系统提供电能，加入风电后发电厂输出有功功率波形见图4，发电厂只需要输出约20 MW 的功率就可以保证系统电压维持在正常水平，与接入风电之前的45 MW 下降了55.6%。同样以柳屯变为例观察接入风电后的系统电压，三个电压等级的母线电压分别为109.7 kV、38 kV、6.2 kV，可知在加入风电后电压有所上升，且均维持在正常电压范围内，加入风电后柳屯变电压波形见图5。

图4 加入风电后发电厂输出有功功率波形

图5 加入风电后柳屯变电压波形

同时，对比图2 和图4 可以发现，加入风电前发电厂的输出有功功率波形平滑，而加入风电后有较为明显的波动。这是由于风力发电机模拟了风速的波动性，使得发电厂的输出需要与风力发电机的输出相配合，从而造成了发电厂输出功率的波动，图5 的电压波形平稳，说明发电厂与风机共同输出功率平稳，系统可以稳定运行。

4.2 赵村变系统

再以赵村变系统为例进行验证，在濮阳变电站110 kV 侧接入风力发电系统，与电网电压一起汇入母线。

接入测量元件，观测接入风电前后系统母线电压变化以及电网的输出功率。在接入风电前后，母线电压分别为109.57 kV、109.78 kV，几乎没有变化，说明电压可以稳定在110 kV 左右，在正常范围内，加入风电前、后发电厂母线电压波形见图6、图7。

图6 加入风电前发电厂母线电压波形

图7 加入风电后发电厂母线电压波形

在加入风电后，同样所需发电厂的功率由原来的60 MW 降低到了35 MW，有功功率较接入之前下降了41.67%，加入风电前后发电厂输出有功功率波形见图8。说明在一定程度上风电可以替代火电为负载提供有功功率，大大减少了对传统火电的依赖性。

图8 加入风电前后发电厂输出有功功率波形

通过对仿真结果进行分析，可以得出，加入风电后，在系统正常运行的前提下，针对柳屯呼沱变电系统，发电厂需要提供的输出功率从45 MW 左右降低到20 MW 左右，风电的加入使发电厂出力降低了约55.6%，而赵村变系统中发电厂出力由60 MW降低到了35 MW，发电厂的出力降低了41.67%。剩余的系统所需功率则由风力发电机来提供，从而大大减少了利用传统化石能源来发电的比例，达到了较为明显的节能减排的效果。模拟风速的波动，实现了发电厂出力与风力发电的协调配合，更加符合真实情况。同时，加入风电后母线电压有所上升，电压偏差不超过额定电压的±10%，维持在系统正常运行的范围内。

5 结论与认识

通过PSCAD 搭建中原油田电网的基本模型并实现正常运行，并以中原油田的部分电网柳屯呼沱变为例，将风电接入该小系统，实现了传统化石能源以及新能源共同发电来为电网供电，在电网正常运行的情况下，明显降低了传统化石能源的发电量，达到了油田电网节能降耗的目的，实现了风速波动情况下发电厂的输出功率随之波动的实际场景模拟，降低了发电成本，为风力发电在油田电网中的应用提供了思路。后续可以进一步考虑发电厂与风电配合的稳定性与经济性问题，进一步提高模型在实际应用中的效果。