風(fēng)電接入中原油田電網(wǎng)的節(jié)能研究

邢子豪

（華北電力大學(xué)）

在原油生產(chǎn)成本中，電費(fèi)的使用占生產(chǎn)成本的三分之一，其中抽油機(jī)用電量占了大部分的比重，約為80%以上，而且隨著油田的進(jìn)一步發(fā)展，在保障達(dá)標(biāo)的產(chǎn)量上，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)能耗顯得更為重要。因此，研究風(fēng)電接入到油田電網(wǎng)對(duì)于油田的節(jié)能性能有著重要的意義，可以在油田中充分利用風(fēng)能，進(jìn)一步降低對(duì)電力的需求，從而實(shí)現(xiàn)“綠色油田”[1-3]。采用中原油田配電網(wǎng)模型，在部分變電系統(tǒng)中接入風(fēng)電電源，應(yīng)用電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD/EMTDC 對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)接入中原油田電網(wǎng)進(jìn)行建模和仿真，從而驗(yàn)證了風(fēng)電接入油田電網(wǎng)之后節(jié)能環(huán)保的正確性[4-6]。

1 風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀

我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電具有非常雄厚的風(fēng)能資源基礎(chǔ)，其中陸地風(fēng)能發(fā)電資源的風(fēng)量達(dá)到260 GW 以上，而海洋風(fēng)能資源則更高出陸地部分的3 倍以上。近年來，有國(guó)家能源政策的支持與扶持，已經(jīng)有八個(gè)“千萬(wàn)千瓦級(jí)風(fēng)電基地”建立完成，極大地解決了我國(guó)部分地區(qū)用電壓力。隨著風(fēng)電建設(shè)步伐快速發(fā)展，在未來會(huì)有越來越多的風(fēng)電容量接入電網(wǎng)，但由于受到各方面因素影響，就目前而言，我國(guó)的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在技術(shù)應(yīng)用與綜合管理方面都還不夠完善，仍然處于起步階段，其中存在許多技術(shù)問題仍然需要解決[7-9]。

2 風(fēng)力發(fā)電原理

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能。這兩種能量形式不是直接轉(zhuǎn)化的，而是風(fēng)力機(jī)吸收空氣的動(dòng)能，將其轉(zhuǎn)化為軸上帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，這部分機(jī)械能再被發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能。

風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)中獲取風(fēng)中的能量是有一定限制的。大部分的功率以尾流中的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能形式損失。能量的轉(zhuǎn)換將導(dǎo)致功率的下降，風(fēng)力機(jī)的實(shí)際風(fēng)能利用系數(shù)應(yīng)小于0.593。風(fēng)力機(jī)的實(shí)際有功功率：

式中：pm為風(fēng)電發(fā)出的有功功率，MW；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，ρ為空氣密度，kg/m3；υ3為風(fēng)力機(jī)葉片掃過的面積，m2；葉尖速比和槳矩角β的函數(shù)。風(fēng)能利用系數(shù)、葉尖速比、槳距角關(guān)系見圖1。

圖1 風(fēng)能利用系數(shù)、葉尖速比、槳距角關(guān)系

葉尖速比為

式中：λ為葉尖速比；ω為風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，rad；R為風(fēng)力機(jī)葉半徑，m；υ為風(fēng)速，m/s。

在某一確定風(fēng)速下，最大風(fēng)能利用系數(shù)有唯一的風(fēng)力機(jī)最佳轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)。不同風(fēng)速下，最佳轉(zhuǎn)速是不同的。

3 中原油田電網(wǎng)模型搭建

中原油田以居民生活區(qū)為主，也供電給一些油田輔助生產(chǎn)單位和商業(yè)活動(dòng)區(qū)域，并且油田中有很多電動(dòng)機(jī)設(shè)備。為進(jìn)一步研究風(fēng)電接入油田節(jié)能，采用PSCAD 軟件對(duì)中原油田配電網(wǎng)進(jìn)行建模，資料來源于設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，主要包括中原油田配電網(wǎng)的AutoCAD 電力接線圖、線路阻抗表和負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表等數(shù)據(jù)。中原油田電網(wǎng)含有37 個(gè)變電站。其中有趙村變、柳屯變、呼沱變等7 個(gè)110 kV 變電站，胡狀變、煉廠變、中心變等30 個(gè)35 kV 變電站以及二號(hào)、四號(hào)、五號(hào)等電壓開閉所。中原油田的配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已經(jīng)正常仿真運(yùn)行[10-12]。

4 仿真驗(yàn)證分析

算例采用的是中原油田中由柳屯變電站和呼沱變電站等組成的柳屯呼沱變系統(tǒng)，以及由趙村變電站與盟城變電站組成的趙村變系統(tǒng)。其中，柳屯呼沱變系統(tǒng)包括柳屯變電站與呼沱變電站兩個(gè)110 kV變電站，馬寨變電站、煉廠變電站以及三氣變電站三個(gè)35 kV 變電站；趙村變系統(tǒng)包含110 kV 的趙村變電站和35 kV 的盟城變電站。風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用由風(fēng)力渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的同步發(fā)電機(jī)。渦輪機(jī)是由風(fēng)力調(diào)節(jié)器控制的，風(fēng)源被用來模擬風(fēng)速的波動(dòng)。

4.1 柳屯呼沱變系統(tǒng)

加入風(fēng)電前發(fā)電廠輸出有功功率波形見圖2，僅由傳統(tǒng)發(fā)電廠為系統(tǒng)提供電能，發(fā)電廠需要輸出約45 MW 的功率以保證系統(tǒng)電壓維持在正常水平。以柳屯變?yōu)槔^察接入風(fēng)電前的系統(tǒng)電壓，三個(gè)電壓等級(jí)的母線電壓分別為109.5 kV、37.8 kV、6.2 kV，均在正常電壓范圍內(nèi)，加入風(fēng)電前柳屯變電壓波形見圖3。

圖2 加入風(fēng)電前發(fā)電廠輸出有功功率波形

圖3 加入風(fēng)電前柳屯變電壓波形

在柳屯變與呼沱變上方加入風(fēng)電，與發(fā)電廠一起為系統(tǒng)提供電能，加入風(fēng)電后發(fā)電廠輸出有功功率波形見圖4，發(fā)電廠只需要輸出約20 MW 的功率就可以保證系統(tǒng)電壓維持在正常水平，與接入風(fēng)電之前的45 MW 下降了55.6%。同樣以柳屯變?yōu)槔^察接入風(fēng)電后的系統(tǒng)電壓，三個(gè)電壓等級(jí)的母線電壓分別為109.7 kV、38 kV、6.2 kV，可知在加入風(fēng)電后電壓有所上升，且均維持在正常電壓范圍內(nèi)，加入風(fēng)電后柳屯變電壓波形見圖5。

圖4 加入風(fēng)電后發(fā)電廠輸出有功功率波形

圖5 加入風(fēng)電后柳屯變電壓波形

同時(shí)，對(duì)比圖2 和圖4 可以發(fā)現(xiàn)，加入風(fēng)電前發(fā)電廠的輸出有功功率波形平滑，而加入風(fēng)電后有較為明顯的波動(dòng)。這是由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬了風(fēng)速的波動(dòng)性，使得發(fā)電廠的輸出需要與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出相配合，從而造成了發(fā)電廠輸出功率的波動(dòng)，圖5 的電壓波形平穩(wěn)，說明發(fā)電廠與風(fēng)機(jī)共同輸出功率平穩(wěn)，系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 趙村變系統(tǒng)

再以趙村變系統(tǒng)為例進(jìn)行驗(yàn)證，在濮陽(yáng)變電站110 kV 側(cè)接入風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，與電網(wǎng)電壓一起匯入母線。

接入測(cè)量元件，觀測(cè)接入風(fēng)電前后系統(tǒng)母線電壓變化以及電網(wǎng)的輸出功率。在接入風(fēng)電前后，母線電壓分別為109.57 kV、109.78 kV，幾乎沒有變化，說明電壓可以穩(wěn)定在110 kV 左右，在正常范圍內(nèi)，加入風(fēng)電前、后發(fā)電廠母線電壓波形見圖6、圖7。

圖6 加入風(fēng)電前發(fā)電廠母線電壓波形

圖7 加入風(fēng)電后發(fā)電廠母線電壓波形

在加入風(fēng)電后，同樣所需發(fā)電廠的功率由原來的60 MW 降低到了35 MW，有功功率較接入之前下降了41.67%，加入風(fēng)電前后發(fā)電廠輸出有功功率波形見圖8。說明在一定程度上風(fēng)電可以替代火電為負(fù)載提供有功功率，大大減少了對(duì)傳統(tǒng)火電的依賴性。

圖8 加入風(fēng)電前后發(fā)電廠輸出有功功率波形

通過對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出，加入風(fēng)電后，在系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下，針對(duì)柳屯呼沱變電系統(tǒng)，發(fā)電廠需要提供的輸出功率從45 MW 左右降低到20 MW 左右，風(fēng)電的加入使發(fā)電廠出力降低了約55.6%，而趙村變系統(tǒng)中發(fā)電廠出力由60 MW降低到了35 MW，發(fā)電廠的出力降低了41.67%。剩余的系統(tǒng)所需功率則由風(fēng)力發(fā)電機(jī)來提供，從而大大減少了利用傳統(tǒng)化石能源來發(fā)電的比例，達(dá)到了較為明顯的節(jié)能減排的效果。模擬風(fēng)速的波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電廠出力與風(fēng)力發(fā)電的協(xié)調(diào)配合，更加符合真實(shí)情況。同時(shí)，加入風(fēng)電后母線電壓有所上升，電壓偏差不超過額定電壓的±10%，維持在系統(tǒng)正常運(yùn)行的范圍內(nèi)。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

通過PSCAD 搭建中原油田電網(wǎng)的基本模型并實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行，并以中原油田的部分電網(wǎng)柳屯呼沱變?yōu)槔瑢L(fēng)電接入該小系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)化石能源以及新能源共同發(fā)電來為電網(wǎng)供電，在電網(wǎng)正常運(yùn)行的情況下，明顯降低了傳統(tǒng)化石能源的發(fā)電量，達(dá)到了油田電網(wǎng)節(jié)能降耗的目的，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)速波動(dòng)情況下發(fā)電廠的輸出功率隨之波動(dòng)的實(shí)際場(chǎng)景模擬，降低了發(fā)電成本，為風(fēng)力發(fā)電在油田電網(wǎng)中的應(yīng)用提供了思路。后續(xù)可以進(jìn)一步考慮發(fā)電廠與風(fēng)電配合的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性問題，進(jìn)一步提高模型在實(shí)際應(yīng)用中的效果。