风光储分布式电源系统在边远油田的应用

冷鸿震

上海电力设计院有限公司

摘要：边远油田用电成本高、可靠性低，本文介绍了开发风光储分布式电源系统在边远油田应用的优势，分析并介绍了风光储分布式电源系统的典型方案，对其在实际工程应用上有一定的指导意义。

关键词：风光储分布式电源系统， 微电网能量管理系统

1 引言

油田主要分布在偏远地区，通常距离工业电网都相对较远，铺设线网成本高，用地审批和协调地方关系复杂。且油田单井分布广泛，相互之间距离较远，不利于集中供电。与此同时，电力采用网购方式，受地方供电条件限制，安全性差，每年需要支付网购电费和基本容量费；电网线路长，电压等级多，线路损耗高，用电成本较高。

另外，油田电网线路防故障能力薄弱，缺乏故障点及时隔离技术措施和故障及时排除能力。当一条线路出现故障时，有可能引发多条线路失电的现象，从而造成电网发生大面积停电事故，给电网故障抢修增加了难度和工作量。

油田油井生产由于启动功率大，而实际运行功率小，造成油井生产功率因数低，无功负荷的变化引起电网电压偏差，影响电网运行的可靠性，造成油田油井生产供电可靠性低，当电网线路出现问题时，没有可替代电源供应油田生产所需用电，油田将面临停产，造成经济损失。当油田电网设备负荷过高时，部分地方的配电能力不足也会导致油田采油工作进度减缓。

因此，在风资源和光照资源较为丰富的区域，采用风光储分布式电源系统实现光伏发电和风力发电的优势互补，采用模块化、可转移的供电方案来为偏远区域的油田供电，解决分布较为散、负荷不高的油井用电问题等方面具有广泛的示范价值。

2 风光储分布式电源系统在边远油田应用的意义

• 提升用电可靠性

针对新建的油井采用离网式风光储互补发电，微电网是一个能够实现自我控制和管理的自治系统。采用风力发电、光伏发电、储能等方式形成能源互补，在一路电源出现问题时，其他电源可以替代，保证了油田采油用电的可靠性。

针对已建成并供电的油井，采用当地丰富的风资源和光资源进行发电上网，当大电网出现问题时，风力发电和光伏发电作为新的一路电源来替代大电网来给负荷供电，能够有效提升供电的可靠性。

• 节省成本

充分利用当地丰富的光资源和风资源，就地发电、供电，相对以前的供电方式，发电不需消耗任何原料，同时靠近用户侧供电，减少了供电线路损失；能够实现能源的优化，可大大降低了能源供应的成本，经济效益较高。

• 环保低碳

遵从环保、低碳的设计理念，采用清洁、可再生能源的为油田采油供电。光伏发电、风力发电不产生任何污染，真正做到低碳环保，响应的国家的绿色发展目标。

3 典型方案

油田采油区的主要设备是抽油机、视频监控及集装箱照明等用电，抽油机的数量与石油资源有关，抽油机数量在1~6台左右，以单台抽油机电动机的额定功率为7.5kW为例，采油机在采油时是按其额定功率运行，同时在其采油区配备库房，用以存放设备及临时办公点，其配备小1匹的空调1台，功率约800W左右，其他用电设备按照1.5kW估算。每个采用井额定功率约为9.8kW, 平均年用电量约43000kWh，平均日用电量120kWh。

为解决新开油井的用电问题，充分利用当地的丰富的光照资源和风资源，针对尚未覆盖电网的单个采油井可建设离网型风光储互补微网系统，包含15kWp装机容量的光伏发电、2*5kW的风机发电、100kW/200kWh的铅碳蓄电池(可根据现场的实际情况，适应性调整)；针对已经覆盖电网并供电的单个采油井可建设上网型的风光互补发电系统，包括20kWp装机容量的光伏发电（可以根据实际面积增减光伏装机容量）、20kW的风力发电，作为一路新的电源供应油田生产。

太阳能和风能均随天气、气候的变化而变化，不仅各年各月各日有变化，甚至很短时间内也存在无规律的变化，正是这种无规律且时大时小的变化无法预测和保证其稳定的出力和发电量。但风能和太阳能之间可以实现互补，在风力较弱时，太阳能可以给予补充，在光照较弱时，风力发电给予补充，特别是在晚上时，晚上无光照而风力较强，晚上光伏系统不发电，不再输出电能，此时主要依靠风力发电机发出电能来为负荷供电。既无日照又无风的天气出现概率要比阴天或无风的天气出现的概率低得多。通过风力发电和光能发电的联合利用，通过两者之间的互补来提高系统供电的可靠性和稳定性。

为更好的保证离网型微电网系统的供电稳定性，配置一定容量的储能系统，在无风无光时或光照较少、风速较小的时候，由储能系统向重要负荷供电；当光照较大、风速较大的时候，多发的电能储存在储能电池中。具体方案如下：风机和太阳能板电池板接入控制器，通过控制器给蓄电池充电，当蓄电池的电充满以后，控制器会将多余的电通过卸荷器卸掉。然后由逆变器将蓄电池的电再转换成交流电，供给交流负载使用，当也可以实现蓄电池边充电边放电的方式来给负载供电，实现联系供电。该方案充分利用的风能和太阳能资源，同时也保证了系统供电的稳定性和可靠性。

4微电网能量管理系统

微电网能量管理系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统，它可以实现对现场的运行设备进行监测与控制，以实现数据采集、设备控制测量参数调节以及各类信号报警等各项功能。通过本系统可实现用电数据的集中管理，对于提高供电系统的可靠性和经济性运行指标。

微电网管理系统架构包括主站层、网络层、设备层，其中主站层又主要包括微电网SCADA、微电网系统分析、能源优化调度等三大功能。

• 微电网SCADA

微电网SCADA功能可以实现对现场的运行发电设备、储能、负荷及控制装置进行监测。

1）光伏发电监控

对光伏发电的实时运行信息，报警信息进行全面的监控，并对光伏发电进行多方面的统计和分析，实现对光伏发电的全方面掌控。例如：实时显示光伏的当前发电总功率、日总发电量、累计总发电量、每日发电功率曲线图、设备的运行参数等信息。

2）风力发电监控

对风电发电的实时运行信息，报警信息进行全面的监控，并对风力发电进行多方面的统计和分析，实现对风力发电的全方面掌控。实时显示风力发电的当前发电总功率、日总发电量、累计总发电量、每日发电功率曲线图、设备的运行参数等信息。

3）储能监控

对储能电池实时运行信息、报警信息进行全面监视。

实时显示储能的当前可放电量、可充电量、最大放电功率、当前放电功率、可放电时间等；

4）负荷监控

记录各回路的用电情况，如监测电压、电流，如出现最大用电量的时间段等功能；可以对所有测量量进行统计和分析，包括最大值、最小值、平均值以及最大值最小值出现的时间等；通过曲线监视系统运行参数的变化趋势、分析用电情况。

• 微电网系统分析

潮流分析通过微电网潮流计算模型，计算系统稳态运行状态下各母线电压、各支路电流与功率及网损；

电能质量评价单元根据电压偏差、频率偏差、谐波含量、电压波动、电压闪变和三相不平衡六种电能质量评价指标评估电能质量；

安全分析单元用于通过预先确定的安全约束条件，校验电力系统各元件是否过载，各节点电压是否在允许范围之内等，如不满足约束条件，则发出报警信号；

• 能量优化调度

1. 分布式发电预测

根据气象局提供的光照强度、风速、方向等信息，利用智能算法预测光伏发电和风力发电的短期和超短期的发电功率，为能量优化调度提供依据。

2. 负荷预测

根据采油工作计划，预测短期内的负荷情况。

3. 能量优化，实现功率平衡

在保证该离网微电网稳定运行的前提下，以全系统能量利用效率最大和运行费用最低为目标，充分利用可再生能源，实现多能源互补发电，保证整个微电网的经济最优运行。