直流母線群控與光伏自發(fā)自用技術(shù)的應(yīng)用研究

李景營(yíng)

中國(guó)石化集團(tuán)勝利油田新能源開發(fā)中心 山東東營(yíng) 257091

1 現(xiàn)場(chǎng)情況

隨著社會(huì)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),新能源開發(fā)需求與日俱增。勝利油田污水余熱、地?zé)?、太?yáng)能、風(fēng)能等清潔能源優(yōu)勢(shì)顯著[1-2]。勝利油田青南管理區(qū)萊87區(qū)塊地處東營(yíng)市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū),位于廣南水庫(kù)以東,瀕臨萊州灣。青南管理區(qū)區(qū)塊地質(zhì)儲(chǔ)量為239.37萬(wàn)t,標(biāo)定采收率為16.9%,采出程度為11%。目前該區(qū)塊共計(jì)有21口油井,供電線路電壓為10 kV,線路總長(zhǎng)約17 km。井場(chǎng)采用傳統(tǒng)供電模式,每座井場(chǎng)設(shè)一兩臺(tái)變壓器,降壓至交流380 V驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)運(yùn)行。

目前,萊87區(qū)塊油井生產(chǎn)負(fù)載的變化較大,造成供配電設(shè)施冗余量大,平均機(jī)采效率只有23.02%,功率因數(shù)為0.55。區(qū)塊內(nèi)多為低產(chǎn)低液油井,抽油機(jī)平衡率最低只有13.6%,調(diào)整困難,倒發(fā)電現(xiàn)象嚴(yán)重。區(qū)塊采用一井場(chǎng)一變壓器傳統(tǒng)供電模式,冗余量大。區(qū)塊內(nèi)目前共有九臺(tái)變壓器,實(shí)際容量合計(jì)為1 165 kVA,每年繳納容量費(fèi)39.14萬(wàn)元。變頻柜諧波污染大,造成網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量差。由此可見,急需對(duì)油井供配電系統(tǒng)進(jìn)行改造,減少變壓器數(shù)量,減小容量,提高變壓器負(fù)載率,改善電能質(zhì)量,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

2 直流母線群控技術(shù)

電機(jī)功率數(shù)據(jù)見表1。

對(duì)表1數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,油井平均總有功功率約100 kW。注水泵站改造后,電機(jī)功率為90 kW,井場(chǎng)天然氣壓縮機(jī)等其它用電設(shè)備功率約30 kW,共計(jì)220 kW。注水站原有315 kVA容量變壓器可以滿足整個(gè)區(qū)塊的生產(chǎn)用電需求。

依據(jù)萊87區(qū)塊21口油井的應(yīng)用現(xiàn)狀和油井分布特點(diǎn),遵循節(jié)能降耗、減變降容的原則,用一臺(tái)變壓器和一個(gè)整流單元,完成交直轉(zhuǎn)換,直流電以一條共用直流母線的形式輸送到井場(chǎng),每口單井配備專用的直交逆變單元,并聯(lián)掛接在母線上,完成電機(jī)拖動(dòng),由此實(shí)現(xiàn)油井的直流母線群控[3-5]。

表1 電機(jī)功率數(shù)據(jù)

采用直流母線群控系統(tǒng),可以減少變壓器的使用數(shù)量,降低建設(shè)成本,減少能耗。通過(guò)對(duì)抽油機(jī)負(fù)載進(jìn)行矢量控制和動(dòng)態(tài)跟蹤,直流母線群控系統(tǒng)可以同時(shí)具備調(diào)速控制、監(jiān)測(cè)、保護(hù)功能,進(jìn)而改善常規(guī)供電模式易污染電網(wǎng)的缺點(diǎn)[4]。直流母線群控系統(tǒng)如圖1所示。

3 光伏自發(fā)自用技術(shù)

太陽(yáng)能具有能量巨大、清潔無(wú)污染、獲取簡(jiǎn)單的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)。采用Meteonorm軟件對(duì)萊87區(qū)塊所在地日照資源進(jìn)行分析,確認(rèn)區(qū)塊所在地適合建設(shè)光伏電站。日照資源分析界面如圖2所示。

井組用電負(fù)荷持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),一年中很少有停產(chǎn)或半停產(chǎn)的情況,足以消納光伏電站發(fā)出的絕大部分電力,因此采用光伏自發(fā)自用技術(shù)[6]。

圖1 直流母線群控系統(tǒng)

圖2 日照資源分析界面

通過(guò)Pvsyst軟件測(cè)量分析,以安裝固定支架傾角31°、方位角0°為最佳角度。根據(jù)組件安裝傾角的不同,投影弧面直徑為5 295 mm時(shí)采用固定安裝,可以保證方陣在冬至日上午9點(diǎn)到下午3點(diǎn)的真太陽(yáng)時(shí)段內(nèi)不出現(xiàn)任何形式的遮擋[7]。綜合考慮裝機(jī)規(guī)模、系統(tǒng)效率,以及設(shè)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(fā)自用原則,設(shè)計(jì)光伏發(fā)電系統(tǒng)峰值功率為197.6 kW,采用配重塊基礎(chǔ)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(tái)100 kW組串式逆變器。100 kW組串式逆變器通過(guò)ZC-YJV22-0.6/1 kV 3×70 mm2+2×35 mm2型電力電纜接入井場(chǎng)低壓配電柜,將配電柜內(nèi)兩臺(tái)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(fā)自用

在油井采用直流母線群控供電方式的基礎(chǔ)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(chǎng)內(nèi)。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(guò)匯流箱、直流-直流穩(wěn)壓器后,接入直流母線系統(tǒng)。

光伏發(fā)電系統(tǒng)峰值功率為197.6 kW,由兩個(gè)光伏發(fā)電單元構(gòu)成。光伏發(fā)電單元包括太陽(yáng)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(lián)。13串光伏組件接入一臺(tái)100 kW組串式逆變器。對(duì)于100 kW組串式逆變器,通過(guò)ZC-YJV22-0.6/1 kV 3×70 mm2+2×35 mm2型電力電纜接入井場(chǎng)低壓配電柜,配電柜內(nèi)兩臺(tái)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(nèi)含同功率整流備用模塊,提高直流母線群控系統(tǒng)的供電可靠性[4]。采用針對(duì)多臺(tái)抽油機(jī)的分時(shí)最佳軟起動(dòng)控制方式,可以避免多臺(tái)抽油機(jī)同時(shí)起動(dòng)對(duì)電網(wǎng)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(shí)電流諧波含量不高于10%,優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》的要求。對(duì)于增加光伏發(fā)電單元的直流母線群控系統(tǒng),整流裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)網(wǎng)電電壓、頻率、相位等參數(shù)[8-9]。當(dāng)參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí),整流裝置保護(hù)停機(jī)[8,10]。由此通過(guò)直流母線群控技術(shù)保障油田安全生產(chǎn)。

6 效益分析

以直流母線群控為方案一,以光伏自發(fā)自用為方案二,以直流母線群控+光伏自發(fā)自用為方案三,對(duì)三種直流微電網(wǎng)新型供電技術(shù)應(yīng)用方案進(jìn)行效益分析[11]。在考慮容量費(fèi)的條件下,直流母線群控技術(shù)收益最好,財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率可達(dá)28.3%,財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值為180.31萬(wàn)元,投資回收期為4.3 a。在不考慮容量費(fèi)的條件下,光伏供電方案收益最好,財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率可達(dá)15.2%,財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值為50.64萬(wàn)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(jié)束語(yǔ)

對(duì)于直流母線群控+光伏自發(fā)自用方案,財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率在考慮容量費(fèi)時(shí)為25.86%,在不考慮容量費(fèi)時(shí)為12.94%,均高于油田基準(zhǔn)收益率8%的指標(biāo)。油田采用直流微電網(wǎng)新型供電技術(shù),具有綠色低碳、節(jié)能降耗、智能調(diào)控等特點(diǎn)[4,12],光伏發(fā)電技術(shù)可以進(jìn)一步提高油田綠電占比。建議萊87區(qū)塊采用直流母線群控+光伏自發(fā)自用方案,全面實(shí)施一體化提質(zhì)增效戰(zhàn)略。