風電—網電并聯油田供電系統的研制

吳大軍，聶開俊，楊姍姍，張強盛

(1.江蘇省電子產品裝備制造工程技術研究開發中心，江蘇 淮安 223003;2.淮安市天源科技有限公司，江蘇 淮安 223003)

0 引言

水電、光伏電池、風力發電、生物質轉換和地熱發電等可再生能源技術已經達到商業化水平。風能是一種可再生、無污染的綠色能源，使用風能發電，可以減少二氧化碳等溫室氣體的排放。風力發電是各國積極發展的朝陽產業，有利于改善能源結構、增加優質能源、克服能源緊張、消除電力不足的瓶頸。風力發電已經被廣泛應用于風電并網、風電－水電互補、風電－光電互補和風電－燃氣輪機互補等方式中。然而，目前的風力發電沒有應用在高耗能的采油過程中。中國噸油成本是國外噸油成本的好幾倍，在穩產的基礎上，節能、增效、增產、降耗顯得更為重要。因此，研制和開發新型、高性能、環保型的風電－網電并聯油田供電系統是必要的，采用并聯的供電方式，風電夠用時用風電，風電不夠用時，則采用網電風電同時供電。利用風電并聯發電方式來對抽油機供電，可以充分利用風能，大幅度降低對電力的需求，為實現油田采油環節節能20%的目標做出貢獻。測試結果表明，本文設計的基于PIC18F4331單片機的風電－網電并聯油田供電系統具有功率因數大、效率高的特點，特別適合偏遠的地區。它既可以彌補風力發電實時性的不足，又可以節約市電，達到節能減排的目的。

1 并聯油田供電系統的結構

風電－網電并聯供電系統結構框圖如圖1所示，系統結構簡圖如圖2所示。該系統由PIC18F4331單片機、風力發電機、控制電路板、逆變器、限幅負載、防雷器和三相濾波器等部分構成。當檢測到風電輸出電壓很低時，接觸器2吸合，接觸器1和3斷開，直接采用三相電網供電;反之，當檢測到風電輸出電壓可用時，接觸器1和接觸器3吸合，接觸器2斷開，同時對抽油機供電;若檢測到風力發電機輸出電壓過高，則要開啟限幅裝置以保護系統。對風電和網電的電流和電壓進行檢測，利用風力發電機的最大功率跟蹤(MPPT)技術、反孤島技術、遠程監控技術和能量回饋技術，充分利用風能、回收抽油機下半程的能量，節約了電能，解決了“倒發電”問題，避免“大馬拉小車”現象，提高了泵效，增加了產量。

圖1 風電－網電并聯供電系統結構框圖

圖2 風電－網電并聯的油井供電系統結構簡圖

2 硬件電路設計

本文設計的風電－網電并聯供電系統硬件總體電路包括六路電源電路、風力發電逆變電路、網電逆變電路、故障檢測與控制電路等單元電路。通過檢測風電、網電的電流和電壓控制的工作方式，以達到節約電能的目的。CPU最小系統電路圖如圖3所示。

2.1 PIC18F4331單片機簡介

PIC18F4331器件采用40引腳DIP封裝。該器件良好的性能和靈活性體現在它的三個模塊中，功率控制模塊采用三相PWM結構;運動反饋模塊包含一個正交編碼器接口;A/D轉換模塊則由一個高速模數轉換器組成，可與PWM同步運行，速率可達到200ksps。

圖3 CPU最小系統電路圖

2.2 風力發電逆變電路

圖4為風力發電逆變電路。風力發電三相電經過風雷器、熔斷器、濾波器電路、PFC校正電路、隔離整流濾波電路、逆變電路進入變頻設備。總體電路包括基于LM358、LM393的檢測報警電路和限幅電路兩個部分。

3 軟件部分

軟件部分采用模糊控制實現風力發電最大功率點跟蹤。油井專用變頻驅動器包括能量反饋、變頻驅動和油井狀態檢測三個部分，其響應時間、控制時間和魯棒性比傳統的控制器效果好。

3.1 最大功率跟蹤(MPPT)技術

MPPT跟蹤流程圖如圖5所示。

為了充分利用風能，首先，要采集MPPT主回路的電壓及電流信號;其次，根據最大功率點跟蹤策略判斷最大功率點的位置，控制系統從風能系統中識別和提取最大功率;最后，采用模糊邏輯控制和矢量控制技術對風力發電機的最大功率進行跟蹤，分析兩種風能控制系統的魯棒、響應速度和跟蹤性能，找到更有效的適合風電－網電并聯的最大功率跟蹤技術。

3.2 反孤島技術

孤島效應是指由于電氣故障、誤操作或自然因素等原因造成電網中斷，供電時各個用戶端的風電逆變器仍獨立運行的現象。逆變器持續供電可能危及電網線路維護人員的生命安全。正弦能量回饋是在5度相角后開始的，在正弦能量回饋時，利用基于逆變器的分布式發電系統孤島檢測技術，采用過零點檢測的特殊方法;在相角0＜ψ＜5度時，若檢測到網電上的電壓為零，說明網電斷電，處于故障或檢修狀態中，否則正常回饋SPWM，這樣就解決了風電－網電系統的孤島問題。

圖5 MPPT跟蹤流程圖

3.3 遠程監控技術

采用計算機網絡技術及無線通訊技術，對風電－網電并聯供電系統中的每個性能參數進行檢測、分析，發生故障時報警。遠程控制系統采用人機界面、GPRS技術。供電系統實時接收調度中心的指令并執行，操作員能了解采油現場的情況，如風向、功率因數、油井產能、洗井周期、泵壓、摻水量油和溫度等;應用GIS技術，可以方便地找到出問題的供電系統或油井的位置，便于系統的維護和管理。

3.4 能量回饋技術

基于風電－網電并聯的正弦能量回饋技術，采用有源逆變方式把電動機減速制動時產生的再生能量以SPWM波的形式回饋電網，再轉變為與風電和網電兼容的同步電能信號。該方式采用6個晶閘管協調配合，控制電路僅采用一只晶體管來實現能量的回饋控制，使電路的結構更加簡單，且有效地抑制了低次諧波，同時可濾除再生電能SPWM波中的諧波干擾成分，提高功率因數，將再生能量反饋回電網，進行優化回收。

逆變電路回饋能量時所需的SPWM控制信號是與電網同頻同相的脈寬調制信號。首先，將電網電流電壓信號通過滯回比較電路，在過零時刻產生與電網信號同頻同相的正向脈沖，然后通過PIC18F4331將其正向脈沖捕獲。每一次捕獲正脈沖時，定時器都會對內部時鐘個數進行存儲。前后兩次時鐘數存儲結果之差值，即為電網信號的時鐘周期數，因此，通過對電網信號的實時捕獲，可以使SPWM控制信號實時跟蹤電網信號變化，其信號的同步性和周期性均等同于電網信號，從而達到了預期目的。

3.5 變頻驅動技術

根據風電－網電并行供電的特點和抽油機的工作特性，采用能量反饋、變頻驅動和油井狀態檢測結合的油井專用變頻驅動技術，自動調整抽油機的沖次及上下沖程速度比。當出現異常情況時，自動將系統切換到電網工頻電源驅動，使變頻器的輸出電壓對基波呈現低電抗、對諧波呈現高阻抗，改善變頻器輸出電壓波形，使功率因數接近1。通過對油井專用變頻器現場試驗數據進行分析，可進一步優化變頻器，以解決“倒發電”問題，避免“大馬拉小車”現象，提高了泵效，增加了產量。

4 結論

本文設計了基于PIC18F4331的風電－網電并聯油田供電系統，風力發電的電壓V3在V1～V2之間時，風電和網電同時對抽油機供電;當V3＜V1時，網電對抽油機供電;當V3＞V1時，風電對抽油機供電。通過計算和試驗得到V1=200V、V2=531V。網電三相電整流濾波后電壓V4=532V，當V3＞V4時，負載所需的能量完全由V3通過逆變來提供。當風速達到6m/s以上時，網電的電流降到原來的20%，而風電的輸出功率上升到總功率的80%，負載80%左右的功率均由風力發電提供。

［1］雷亞洲，Gordon Lightbody.國外風力發電導則及動態模型簡介［J］.電網技術，2005，29(12):27－28.

［2］李沖，任巖，黃金偉.風力發電技術淺談［J］.農業工程技術，2010(10):23.

［3］沈宏，耿超，劉楠，等.國內外風電產業現狀及其發展前景［J］.河南科技學院學報:自然科學版，2010(1):54.

［4］夏毅琴.風力發電設備控制裝置研制初步設想［J］.東方機電，2007，24(6):50－52.

［5］殷桂梁，孫美玲，肖麗萍.分布式發電系統孤島檢測方法研究［J］.電子測量，2007，30(1):1－6.

［6］Ye Z，Kolwal Kara，Zhan G Y，et al.Evaluationof antiislanding schemes based on non detection zone concept［C］.Proceedings of the 34th Annual IEEE Power Elect ronics Specialist s Conference，2003，4:1735－1741.

［7］王親武，楊建武，涂承媛.基于DSP控制的能量再生回饋電網研究［J］.微計算機信息，2007，23(12):185.

［8］張強盛.電子技術的新領域－變頻節能［J］.電子制作，2003(4):18.

［9］張強盛.新型正弦波逆變電源［J］.電子制作，2004(9):101.