小功率風力發電技術在油田生產中的應用及效益分析

朱益飛

（勝利油田孤東采油廠，山東 東營 257237）

1 風力發電技術現狀

我國對現代風力發電機技術的開發利用起源于20世紀70年代初。20世紀80年代初，我國自主開發研究制造出額定容量低于10 kW的小功率風力發電機組，并投入批量生產和推廣應用，在解決居住分散的農畜牧居民和島嶼居民的用電方面發揮出重大作用，為我國進一步開發利用風力發電積累了經驗，打下了良好的物質基礎和技術基礎，并取得了明顯的經濟效益和社會效益。

經過30多年的研制、開發和推廣應用，我國自行研制開發的100 W～20 kW系列離網型風力發電機組，其制造銷售總量已達30萬臺，在數量上居世界第一。額定功率為200 kW、250 kW、300 kW、600 kW的風力發電機組相繼研制出來，并在全國11個省區建立了27個風電場。東部沿海有富厚的風能資源，距離電力負荷中心近，海上風電場將成為新興能源發展基地。國家發展和改革委員會早在20世紀90年代中期就制定了“光亮工程”和“乘風規劃”，1997年裝機超過100 MW，預計到2010年末總裝機容量可達400 MW。而目前我國從事小型風力發電產業研制、開發、生產的單位就達到70余家，其中大專院校、科研院所35家，生產企業23家，配套企業（含蓄電池、葉片、逆變控制器等）12家，可再生能源的發展前景廣闊。

傳統風力機一般采用定槳距掉速調治定速風力發電機體系。此種風力發電機具有槳葉與輪轂剛性連接，掉速節制依靠葉片奇特的翼形結構。這種風力發電機結構簡單，造價低，具有較高的安全性，但掉速節制難度大，很少應用到兆瓦級以上的風力發電機組節制上。變槳距節制是指風力機葉片的安裝角隨風速轉變而轉變的一種節制。變槳距開始工作時可對風輪換速進行節制，并網后可對功率進行節制，從而使風力發電機開始工作機能和功率輸出特征較定槳距定速風機有顯著改善。功率較大的機組還裝有手動剎車機構，以確保風力機在大風或臺風情況下的安全。

2 油田風網互補智能控制技術

用于油井智能供電的風力發電機為25 kW的小功率發電機組。為實現風電在油田抽油機井上的應用，確保油井連續正常穩定運行，采用風電、網電互補的方式，即利用風電、網電互補智能供電節能裝置，將整流器、逆變器有機結合，優先使用風電的供電技術方案，不足的部分由網電即時補充，無須切換，達到風電網電互補供電的目的，不需改變現場的配電線路，可以擴大風電的適用范圍。

該技術采用橋臂電流間接控制結合電壓電流雙前饋補償的控制策略，可以有效實現風電網電互補的穩定運行，同時具有較好的動靜態性能。當風力較大時，風網發電滿足抽油機正常運行，抽油機完全由風網供電。當風力較小，風網發電不足以滿足抽油機正常運行時，控制器自動檢測風網功率，由電網自動補差，當現場沒有風時，則完全由電網供電。控制器實時檢測風網電流及變頻器輸出電流，適時調整電網供電功率，保證抽油機正常運行。其智能變頻系統采用恒壓頻比控制，對系統進行變頻調速，采用電抗器回饋能量法來解決倒發電問題。智能變頻系統通過動態轉矩電流控制技術，能在各種運行條件下實現對抽油機的最佳控制，是功能強大、控制靈活、性能高的變頻器。同時，通過單片機對抽油機工作狀況的瞬時檢測、跟蹤電動機的功率狀態，找到井況與電動機的最佳匹配曲線，然后控制系統按最佳曲線運行，達到節能的目的。

2.1 工作原理

在不需要改變抽油機現場配電線路的情況下，將風力發電、整流、數字化逆變、能量回饋、變頻技術有機結合，使用風電作為優先供給電源，風電不必上網，直接對24 h運行的設備進行供電，網電作為風電不足時的補充電源，且風電與網電之間采用無縫自動互補。該系統可以“一對多”（一臺風力發電機對多臺抽油機）或“多對多”（多臺風力發電機對多臺抽油機）構成一個微型供電網進行就近供電。

圖1為抽油機風網互補智能控制供電系統流程圖。

圖1 抽油機風網互補智能供電系統流程（多系統并聯運行）

2.2 主要功能和技術指標

（1）主要功能

①實現直流母排寬電壓動態控制。通過應用油井專用智能變頻器，實現變頻器直流母排300～800 V動態控制，充分利用風力較小時的風能。②增加電流回饋電路，采用智能變頻控制技術系統，解決抽油機倒發電問題。③在0.5 Hz能輸出150%高啟動轉矩帶PG反饋更高性能的閉環控制系統，減小電動機低轉速時脈動。④增產增效功能。由于采用變頻控制，可根據不同油井的要求，采用最佳的控制方案，實現抽油機經濟運行。⑤降低無功功率，提高功率因數。由于采用直流逆變方式供電、矢量變頻技術，其功率因數大大提高，從而減少無功損耗。⑥風電與網電互補過程中實現無縫切換，提高了當風力較小時，風機所發低電壓電能利用率，解決了在風速相對較低時，發出的低電壓電能無法輸出問題。⑦提高采油設備的使用壽命。由于本設備具有變頻功能，所以在動力設備啟動時無沖擊現象，電動機及抽油機的壽命將延長。

（2）主要技術指標

①采用無觸點電子切換裝置及防電網向風網反送電技術，實現風電網電的無縫切換，確保抽油機的正常運行，不影響原油的產量。②采用低電壓母線技術，使風機輸出的低電壓電能得到充分利用。③在抽油機啟動正常運行時，自動根據電動機負載率降低電動機運行電壓，降低電動機自身損耗。④風電切入電壓為1.1倍變頻器母線電壓。⑤抽油機倒發電抑制啟動電壓為直流600 V。⑥網電電壓為交流380 V±10%。

2.3 系統現場應用情況

該系統1期風力發電工程為9臺FD-25 kW型風力發電機組，于2008年10月在勝利油田孤東采油廠投入應用，解決22口油井供電問題。2期風力發電工程為5臺FD-25 kW型風力發電機組，于2009年10月在該廠投入運行，解決了14口油井的供電問題。其供電模式采用風、網互補的方式。電量計量方式采用網電和風電分離計量方案，網電計量用于對實現網電供入量計量，風電電量用于實現風機發電量計量。

3 應用效益分析

3.1 計算依據

根據對36口油井抽油機年正常工作天數的統計，抽油機年平均開井天數為347 d，按340 d計算；根據對36口油井抽油機安裝前日用電量的統計，36口油井抽油機平均日用電量為229.44 kWh。通過測試表明風機啟動風速在4 m/s以下，應用區域風能有效利用時間為5500 h。

3.2 應用效果分析

（1）風力發電機組發電效果分析

根據測試結果得出每臺FD-25 kW型風力發電機組能夠達到額定輸出功率指標，按照每臺FD-25 kW型風力發電機組額定發電指標和59號驗潮站2005年風力數據記錄統計得出每臺FD-25 kW型風力發電機組預計年發電總量為130570.29 kWh，14臺風力發電機組預計年發電總量合計182.8萬kWh。

（2）控制器節能效果分析

根據測試結果得出36臺GPS25/30-I型抽油機風網互補智能供電控制箱（能量回饋變頻柜）平均節電率為12.1%，其年節電效果為：抽油機平均日用電量×設備平均綜合節電率×設備年平均運行時間×臺數=34.07萬kWh。

（3）節約輸電損失效果、效益分析

據測試，高低壓輸電線路的網損為6%。風網互補智能供電系統所有設備年減少電網輸電106.60萬kWh，年節約網損10.13萬kWh。

綜合以上3項，合計風網互補智能供電系統年節約網電總量為：

36臺抽油機供電控制器年節電總量+14臺風力發電機年發電總量+年減少網損總量=227萬kWh。

（4）油井監測系統效果分析

統計安裝油井無線遠程監測系統的10口油井數據，安裝前油井年平均采油時率為94.4%，年平均開井天數347 d；安裝后因有效減少了油井故障停井等待時間，預計油井年平均采油時率可提高0.6%，預計年增加產油量110.42 t。

（5）減排效益分析

按每千瓦時折合標準煤0.4 kg計，每千瓦時所用煤排放二氧化碳0.997 kg計，每千瓦時所用煤排放二氧化硫0.03 kg計，排放二氧化碳指標國際交易價格6.67美元/t計，人民幣匯率（1美元兌換人民幣）6.83元，排放二氧化碳指標國際交易價格折合人民幣45.56元/t，則項目每年的減排效益為10.31萬元。項目運行15年的減排效益為154.65萬元。

3.3 投資效益分析

電價按0.6元/kWh計算，原油按2700元/t價格計算，則產生年直接節電效益為136.2萬元。年增油效益為29.82萬元。則項目合計年總經濟效益=節電效益+增油效益+減排效益=176.33萬元。該項目總投資為530萬元。投資回報期為3.01年。