直流母線群控與光伏自發自用技術的應用研究

李景營

中國石化集團勝利油田新能源開發中心 山東東營 257091

1 現場情況

隨著社會環保意識的增強,新能源開發需求與日俱增。勝利油田污水余熱、地熱、太陽能、風能等清潔能源優勢顯著[1-2]。勝利油田青南管理區萊87區塊地處東營市經濟開發區,位于廣南水庫以東,瀕臨萊州灣。青南管理區區塊地質儲量為239.37萬t,標定采收率為16.9%,采出程度為11%。目前該區塊共計有21口油井,供電線路電壓為10 kV,線路總長約17 km。井場采用傳統供電模式,每座井場設一兩臺變壓器,降壓至交流380 V驅動抽油機運行。

目前,萊87區塊油井生產負載的變化較大,造成供配電設施冗余量大,平均機采效率只有23.02%,功率因數為0.55。區塊內多為低產低液油井,抽油機平衡率最低只有13.6%,調整困難,倒發電現象嚴重。區塊采用一井場一變壓器傳統供電模式,冗余量大。區塊內目前共有九臺變壓器,實際容量合計為1 165 kVA,每年繳納容量費39.14萬元。變頻柜諧波污染大,造成網側電能質量差。由此可見,急需對油井供配電系統進行改造,減少變壓器數量,減小容量,提高變壓器負載率,改善電能質量,進而實現節能降耗。

2 直流母線群控技術

電機功率數據見表1。

對表1數據統計分析,油井平均總有功功率約100 kW。注水泵站改造后,電機功率為90 kW,井場天然氣壓縮機等其它用電設備功率約30 kW,共計220 kW。注水站原有315 kVA容量變壓器可以滿足整個區塊的生產用電需求。

依據萊87區塊21口油井的應用現狀和油井分布特點,遵循節能降耗、減變降容的原則,用一臺變壓器和一個整流單元,完成交直轉換,直流電以一條共用直流母線的形式輸送到井場,每口單井配備專用的直交逆變單元,并聯掛接在母線上,完成電機拖動,由此實現油井的直流母線群控[3-5]。

表1 電機功率數據

采用直流母線群控系統,可以減少變壓器的使用數量,降低建設成本,減少能耗。通過對抽油機負載進行矢量控制和動態跟蹤,直流母線群控系統可以同時具備調速控制、監測、保護功能,進而改善常規供電模式易污染電網的缺點[4]。直流母線群控系統如圖1所示。

3 光伏自發自用技術

太陽能具有能量巨大、清潔無污染、獲取簡單的特點,被廣泛應用于電力系統。采用Meteonorm軟件對萊87區塊所在地日照資源進行分析,確認區塊所在地適合建設光伏電站。日照資源分析界面如圖2所示。

井組用電負荷持續時間較長,一年中很少有停產或半停產的情況,足以消納光伏電站發出的絕大部分電力,因此采用光伏自發自用技術[6]。

圖1 直流母線群控系統

圖2 日照資源分析界面

通過Pvsyst軟件測量分析,以安裝固定支架傾角31°、方位角0°為最佳角度。根據組件安裝傾角的不同,投影弧面直徑為5 295 mm時采用固定安裝,可以保證方陣在冬至日上午9點到下午3點的真太陽時段內不出現任何形式的遮擋[7]。綜合考慮裝機規模、系統效率,以及設備后期維修和可靠性等因素,采用100 kW組串式逆變器。

按照自發自用原則,設計光伏發電系統峰值功率為197.6 kW,采用配重塊基礎形式布置峰值功率為380 W的單晶硅組件520塊,并將13串光伏組件接入一臺100 kW組串式逆變器。100 kW組串式逆變器通過ZC-YJV22-0.6/1 kV 3×70 mm2+2×35 mm2型電力電纜接入井場低壓配電柜,將配電柜內兩臺斷路器更換為CM3-250L/3300型,額定電流為225 A。

4 直流母線群控+光伏自發自用

在油井采用直流母線群控供電方式的基礎上增加光伏供電,光伏組件安裝在距離整流柜較近的萊871井場內。選用峰值功率為380 W的單晶硅組件,安裝520塊,總功率為197.6 kW。光伏組件通過匯流箱、直流-直流穩壓器后,接入直流母線系統。

光伏發電系統峰值功率為197.6 kW,由兩個光伏發電單元構成。光伏發電單元包括太陽能電池組串、組串式逆變器等。20塊峰值功率為380 W的光伏組件一串,利用PV1-F-0.6/1 kV 1×4 mm2型光伏專用電纜串聯。13串光伏組件接入一臺100 kW組串式逆變器。對于100 kW組串式逆變器,通過ZC-YJV22-0.6/1 kV 3×70 mm2+2×35 mm2型電力電纜接入井場低壓配電柜,配電柜內兩臺斷路器更換為CM3-250L/3300型,額定電流為225 A。

5 直流母線群控供電安全措施

整流柜內含同功率整流備用模塊,提高直流母線群控系統的供電可靠性[4]。采用針對多臺抽油機的分時最佳軟起動控制方式,可以避免多臺抽油機同時起動對電網造成的沖擊和電壓跌落[5,8]。消諧之后,電壓諧波總畸變率小于2.5%,輕載時電流諧波含量不高于10%,優于國家標準GB/T 14549—1993《電能質量 公用電網諧波》的要求。對于增加光伏發電單元的直流母線群控系統,整流裝置實時檢測網電電壓、頻率、相位等參數[8-9]。當參數出現異常時,整流裝置保護停機[8,10]。由此通過直流母線群控技術保障油田安全生產。

6 效益分析

以直流母線群控為方案一,以光伏自發自用為方案二,以直流母線群控+光伏自發自用為方案三,對三種直流微電網新型供電技術應用方案進行效益分析[11]。在考慮容量費的條件下,直流母線群控技術收益最好,財務內部收益率可達28.3%,財務凈現值為180.31萬元,投資回收期為4.3 a。在不考慮容量費的條件下,光伏供電方案收益最好,財務內部收益率可達15.2%,財務凈現值為50.64萬元,投資回收期為6.9 a。三種方案的效益分析見表2。

表2 三種方案效益分析

7 結束語

對于直流母線群控+光伏自發自用方案,財務內部收益率在考慮容量費時為25.86%,在不考慮容量費時為12.94%,均高于油田基準收益率8%的指標。油田采用直流微電網新型供電技術,具有綠色低碳、節能降耗、智能調控等特點[4,12],光伏發電技術可以進一步提高油田綠電占比。建議萊87區塊采用直流母線群控+光伏自發自用方案,全面實施一體化提質增效戰略。