风电—网电并联油田供电系统的研制

吴大军，聂开俊，杨姗姗，张强盛

(1.江苏省电子产品装备制造工程技术研究开发中心，江苏 淮安 223003;2.淮安市天源科技有限公司，江苏 淮安 223003)

0 引言

水电、光伏电池、风力发电、生物质转换和地热发电等可再生能源技术已经达到商业化水平。风能是一种可再生、无污染的绿色能源，使用风能发电，可以减少二氧化碳等温室气体的排放。风力发电是各国积极发展的朝阳产业，有利于改善能源结构、增加优质能源、克服能源紧张、消除电力不足的瓶颈。风力发电已经被广泛应用于风电并网、风电－水电互补、风电－光电互补和风电－燃气轮机互补等方式中。然而，目前的风力发电没有应用在高耗能的采油过程中。中国吨油成本是国外吨油成本的好几倍，在稳产的基础上，节能、增效、增产、降耗显得更为重要。因此，研制和开发新型、高性能、环保型的风电－网电并联油田供电系统是必要的，采用并联的供电方式，风电够用时用风电，风电不够用时，则采用网电风电同时供电。利用风电并联发电方式来对抽油机供电，可以充分利用风能，大幅度降低对电力的需求，为实现油田采油环节节能20%的目标做出贡献。测试结果表明，本文设计的基于PIC18F4331单片机的风电－网电并联油田供电系统具有功率因数大、效率高的特点，特别适合偏远的地区。它既可以弥补风力发电实时性的不足，又可以节约市电，达到节能减排的目的。

1 并联油田供电系统的结构

风电－网电并联供电系统结构框图如图1所示，系统结构简图如图2所示。该系统由PIC18F4331单片机、风力发电机、控制电路板、逆变器、限幅负载、防雷器和三相滤波器等部分构成。当检测到风电输出电压很低时，接触器2吸合，接触器1和3断开，直接采用三相电网供电;反之，当检测到风电输出电压可用时，接触器1和接触器3吸合，接触器2断开，同时对抽油机供电;若检测到风力发电机输出电压过高，则要开启限幅装置以保护系统。对风电和网电的电流和电压进行检测，利用风力发电机的最大功率跟踪(MPPT)技术、反孤岛技术、远程监控技术和能量回馈技术，充分利用风能、回收抽油机下半程的能量，节约了电能，解决了“倒发电”问题，避免“大马拉小车”现象，提高了泵效，增加了产量。

图1 风电－网电并联供电系统结构框图

图2 风电－网电并联的油井供电系统结构简图

2 硬件电路设计

本文设计的风电－网电并联供电系统硬件总体电路包括六路电源电路、风力发电逆变电路、网电逆变电路、故障检测与控制电路等单元电路。通过检测风电、网电的电流和电压控制的工作方式，以达到节约电能的目的。CPU最小系统电路图如图3所示。

2.1 PIC18F4331单片机简介

PIC18F4331器件采用40引脚DIP封装。该器件良好的性能和灵活性体现在它的三个模块中，功率控制模块采用三相PWM结构;运动反馈模块包含一个正交编码器接口;A/D转换模块则由一个高速模数转换器组成，可与PWM同步运行，速率可达到200ksps。

图3 CPU最小系统电路图

2.2 风力发电逆变电路

图4为风力发电逆变电路。风力发电三相电经过风雷器、熔断器、滤波器电路、PFC校正电路、隔离整流滤波电路、逆变电路进入变频设备。总体电路包括基于LM358、LM393的检测报警电路和限幅电路两个部分。

3 软件部分

软件部分采用模糊控制实现风力发电最大功率点跟踪。油井专用变频驱动器包括能量反馈、变频驱动和油井状态检测三个部分，其响应时间、控制时间和鲁棒性比传统的控制器效果好。

3.1 最大功率跟踪(MPPT)技术

MPPT跟踪流程图如图5所示。

为了充分利用风能，首先，要采集MPPT主回路的电压及电流信号;其次，根据最大功率点跟踪策略判断最大功率点的位置，控制系统从风能系统中识别和提取最大功率;最后，采用模糊逻辑控制和矢量控制技术对风力发电机的最大功率进行跟踪，分析两种风能控制系统的鲁棒、响应速度和跟踪性能，找到更有效的适合风电－网电并联的最大功率跟踪技术。

3.2 反孤岛技术

孤岛效应是指由于电气故障、误操作或自然因素等原因造成电网中断，供电时各个用户端的风电逆变器仍独立运行的现象。逆变器持续供电可能危及电网线路维护人员的生命安全。正弦能量回馈是在5度相角后开始的，在正弦能量回馈时，利用基于逆变器的分布式发电系统孤岛检测技术，采用过零点检测的特殊方法;在相角0＜ψ＜5度时，若检测到网电上的电压为零，说明网电断电，处于故障或检修状态中，否则正常回馈SPWM，这样就解决了风电－网电系统的孤岛问题。

图5 MPPT跟踪流程图

3.3 远程监控技术

采用计算机网络技术及无线通讯技术，对风电－网电并联供电系统中的每个性能参数进行检测、分析，发生故障时报警。远程控制系统采用人机界面、GPRS技术。供电系统实时接收调度中心的指令并执行，操作员能了解采油现场的情况，如风向、功率因数、油井产能、洗井周期、泵压、掺水量油和温度等;应用GIS技术，可以方便地找到出问题的供电系统或油井的位置，便于系统的维护和管理。

3.4 能量回馈技术

基于风电－网电并联的正弦能量回馈技术，采用有源逆变方式把电动机减速制动时产生的再生能量以SPWM波的形式回馈电网，再转变为与风电和网电兼容的同步电能信号。该方式采用6个晶闸管协调配合，控制电路仅采用一只晶体管来实现能量的回馈控制，使电路的结构更加简单，且有效地抑制了低次谐波，同时可滤除再生电能SPWM波中的谐波干扰成分，提高功率因数，将再生能量反馈回电网，进行优化回收。

逆变电路回馈能量时所需的SPWM控制信号是与电网同频同相的脉宽调制信号。首先，将电网电流电压信号通过滞回比较电路，在过零时刻产生与电网信号同频同相的正向脉冲，然后通过PIC18F4331将其正向脉冲捕获。每一次捕获正脉冲时，定时器都会对内部时钟个数进行存储。前后两次时钟数存储结果之差值，即为电网信号的时钟周期数，因此，通过对电网信号的实时捕获，可以使SPWM控制信号实时跟踪电网信号变化，其信号的同步性和周期性均等同于电网信号，从而达到了预期目的。

3.5 变频驱动技术

根据风电－网电并行供电的特点和抽油机的工作特性，采用能量反馈、变频驱动和油井状态检测结合的油井专用变频驱动技术，自动调整抽油机的冲次及上下冲程速度比。当出现异常情况时，自动将系统切换到电网工频电源驱动，使变频器的输出电压对基波呈现低电抗、对谐波呈现高阻抗，改善变频器输出电压波形，使功率因数接近1。通过对油井专用变频器现场试验数据进行分析，可进一步优化变频器，以解决“倒发电”问题，避免“大马拉小车”现象，提高了泵效，增加了产量。

4 结论

本文设计了基于PIC18F4331的风电－网电并联油田供电系统，风力发电的电压V3在V1～V2之间时，风电和网电同时对抽油机供电;当V3＜V1时，网电对抽油机供电;当V3＞V1时，风电对抽油机供电。通过计算和试验得到V1=200V、V2=531V。网电三相电整流滤波后电压V4=532V，当V3＞V4时，负载所需的能量完全由V3通过逆变来提供。当风速达到6m/s以上时，网电的电流降到原来的20%，而风电的输出功率上升到总功率的80%，负载80%左右的功率均由风力发电提供。

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