小功率风力发电技术在油田生产中的应用及效益分析

朱益飞

（胜利油田孤东采油厂，山东 东营 257237）

1 风力发电技术现状

我国对现代风力发电机技术的开发利用起源于20世纪70年代初。20世纪80年代初，我国自主开发研究制造出额定容量低于10 kW的小功率风力发电机组，并投入批量生产和推广应用，在解决居住分散的农畜牧居民和岛屿居民的用电方面发挥出重大作用，为我国进一步开发利用风力发电积累了经验，打下了良好的物质基础和技术基础，并取得了明显的经济效益和社会效益。

经过30多年的研制、开发和推广应用，我国自行研制开发的100 W～20 kW系列离网型风力发电机组，其制造销售总量已达30万台，在数量上居世界第一。额定功率为200 kW、250 kW、300 kW、600 kW的风力发电机组相继研制出来，并在全国11个省区建立了27个风电场。东部沿海有富厚的风能资源，距离电力负荷中心近，海上风电场将成为新兴能源发展基地。国家发展和改革委员会早在20世纪90年代中期就制定了“光亮工程”和“乘风规划”，1997年装机超过100 MW，预计到2010年末总装机容量可达400 MW。而目前我国从事小型风力发电产业研制、开发、生产的单位就达到70余家，其中大专院校、科研院所35家，生产企业23家，配套企业（含蓄电池、叶片、逆变控制器等）12家，可再生能源的发展前景广阔。

传统风力机一般采用定桨距掉速调治定速风力发电机体系。此种风力发电机具有桨叶与轮毂刚性连接，掉速节制依靠叶片奇特的翼形结构。这种风力发电机结构简单，造价低，具有较高的安全性，但掉速节制难度大，很少应用到兆瓦级以上的风力发电机组节制上。变桨距节制是指风力机叶片的安装角随风速转变而转变的一种节制。变桨距开始工作时可对风轮换速进行节制，并网后可对功率进行节制，从而使风力发电机开始工作机能和功率输出特征较定桨距定速风机有显著改善。功率较大的机组还装有手动刹车机构，以确保风力机在大风或台风情况下的安全。

2 油田风网互补智能控制技术

用于油井智能供电的风力发电机为25 kW的小功率发电机组。为实现风电在油田抽油机井上的应用，确保油井连续正常稳定运行，采用风电、网电互补的方式，即利用风电、网电互补智能供电节能装置，将整流器、逆变器有机结合，优先使用风电的供电技术方案，不足的部分由网电即时补充，无须切换，达到风电网电互补供电的目的，不需改变现场的配电线路，可以扩大风电的适用范围。

该技术采用桥臂电流间接控制结合电压电流双前馈补偿的控制策略，可以有效实现风电网电互补的稳定运行，同时具有较好的动静态性能。当风力较大时，风网发电满足抽油机正常运行，抽油机完全由风网供电。当风力较小，风网发电不足以满足抽油机正常运行时，控制器自动检测风网功率，由电网自动补差，当现场没有风时，则完全由电网供电。控制器实时检测风网电流及变频器输出电流，适时调整电网供电功率，保证抽油机正常运行。其智能变频系统采用恒压频比控制，对系统进行变频调速，采用电抗器回馈能量法来解决倒发电问题。智能变频系统通过动态转矩电流控制技术，能在各种运行条件下实现对抽油机的最佳控制，是功能强大、控制灵活、性能高的变频器。同时，通过单片机对抽油机工作状况的瞬时检测、跟踪电动机的功率状态，找到井况与电动机的最佳匹配曲线，然后控制系统按最佳曲线运行，达到节能的目的。

2.1 工作原理

在不需要改变抽油机现场配电线路的情况下，将风力发电、整流、数字化逆变、能量回馈、变频技术有机结合，使用风电作为优先供给电源，风电不必上网，直接对24 h运行的设备进行供电，网电作为风电不足时的补充电源，且风电与网电之间采用无缝自动互补。该系统可以“一对多”（一台风力发电机对多台抽油机）或“多对多”（多台风力发电机对多台抽油机）构成一个微型供电网进行就近供电。

图1为抽油机风网互补智能控制供电系统流程图。

图1 抽油机风网互补智能供电系统流程（多系统并联运行）

2.2 主要功能和技术指标

（1）主要功能

①实现直流母排宽电压动态控制。通过应用油井专用智能变频器，实现变频器直流母排300～800 V动态控制，充分利用风力较小时的风能。②增加电流回馈电路，采用智能变频控制技术系统，解决抽油机倒发电问题。③在0.5 Hz能输出150%高启动转矩带PG反馈更高性能的闭环控制系统，减小电动机低转速时脉动。④增产增效功能。由于采用变频控制，可根据不同油井的要求，采用最佳的控制方案，实现抽油机经济运行。⑤降低无功功率，提高功率因数。由于采用直流逆变方式供电、矢量变频技术，其功率因数大大提高，从而减少无功损耗。⑥风电与网电互补过程中实现无缝切换，提高了当风力较小时，风机所发低电压电能利用率，解决了在风速相对较低时，发出的低电压电能无法输出问题。⑦提高采油设备的使用寿命。由于本设备具有变频功能，所以在动力设备启动时无冲击现象，电动机及抽油机的寿命将延长。

（2）主要技术指标

①采用无触点电子切换装置及防电网向风网反送电技术，实现风电网电的无缝切换，确保抽油机的正常运行，不影响原油的产量。②采用低电压母线技术，使风机输出的低电压电能得到充分利用。③在抽油机启动正常运行时，自动根据电动机负载率降低电动机运行电压，降低电动机自身损耗。④风电切入电压为1.1倍变频器母线电压。⑤抽油机倒发电抑制启动电压为直流600 V。⑥网电电压为交流380 V±10%。

2.3 系统现场应用情况

该系统1期风力发电工程为9台FD-25 kW型风力发电机组，于2008年10月在胜利油田孤东采油厂投入应用，解决22口油井供电问题。2期风力发电工程为5台FD-25 kW型风力发电机组，于2009年10月在该厂投入运行，解决了14口油井的供电问题。其供电模式采用风、网互补的方式。电量计量方式采用网电和风电分离计量方案，网电计量用于对实现网电供入量计量，风电电量用于实现风机发电量计量。

3 应用效益分析

3.1 计算依据

根据对36口油井抽油机年正常工作天数的统计，抽油机年平均开井天数为347 d，按340 d计算；根据对36口油井抽油机安装前日用电量的统计，36口油井抽油机平均日用电量为229.44 kWh。通过测试表明风机启动风速在4 m/s以下，应用区域风能有效利用时间为5500 h。

3.2 应用效果分析

（1）风力发电机组发电效果分析

根据测试结果得出每台FD-25 kW型风力发电机组能够达到额定输出功率指标，按照每台FD-25 kW型风力发电机组额定发电指标和59号验潮站2005年风力数据记录统计得出每台FD-25 kW型风力发电机组预计年发电总量为130570.29 kWh，14台风力发电机组预计年发电总量合计182.8万kWh。

（2）控制器节能效果分析

根据测试结果得出36台GPS25/30-I型抽油机风网互补智能供电控制箱（能量回馈变频柜）平均节电率为12.1%，其年节电效果为：抽油机平均日用电量×设备平均综合节电率×设备年平均运行时间×台数=34.07万kWh。

（3）节约输电损失效果、效益分析

据测试，高低压输电线路的网损为6%。风网互补智能供电系统所有设备年减少电网输电106.60万kWh，年节约网损10.13万kWh。

综合以上3项，合计风网互补智能供电系统年节约网电总量为：

36台抽油机供电控制器年节电总量+14台风力发电机年发电总量+年减少网损总量=227万kWh。

（4）油井监测系统效果分析

统计安装油井无线远程监测系统的10口油井数据，安装前油井年平均采油时率为94.4%，年平均开井天数347 d；安装后因有效减少了油井故障停井等待时间，预计油井年平均采油时率可提高0.6%，预计年增加产油量110.42 t。

（5）减排效益分析

按每千瓦时折合标准煤0.4 kg计，每千瓦时所用煤排放二氧化碳0.997 kg计，每千瓦时所用煤排放二氧化硫0.03 kg计，排放二氧化碳指标国际交易价格6.67美元/t计，人民币汇率（1美元兑换人民币）6.83元，排放二氧化碳指标国际交易价格折合人民币45.56元/t，则项目每年的减排效益为10.31万元。项目运行15年的减排效益为154.65万元。

3.3 投资效益分析

电价按0.6元/kWh计算，原油按2700元/t价格计算，则产生年直接节电效益为136.2万元。年增油效益为29.82万元。则项目合计年总经济效益=节电效益+增油效益+减排效益=176.33万元。该项目总投资为530万元。投资回报期为3.01年。