风电优先风网互补技术在长庆油田的适用性研究

王辉 唐春娟 常振武 梁海锋（长庆油田公司第六采油厂）

风电优先风网互补技术在长庆油田的适用性研究

王辉 唐春娟 常振武 梁海锋（长庆油田公司第六采油厂）

风能作为永不枯竭的能源，大大超过水流能量，也大于固体、液体燃料能量的总和，由此预示着风电产业将有良好的发展前景。长庆油田地域辽阔，风能资源丰富，从长远来看，开发利用风能为油田的节能工作提出一个新的思路。长庆油田第六采油厂进行了风电技术适用性研究，通过论证分析和现场试验得出，地处陕北的长庆油田较适宜风力发电项目的开发利用。

风电优先风网互补 节能减排 智能控制 变频

风能资源作为一种可再生的新能源近年来受到广 泛 的 重 视 与 关 注[1]， 而 且 风 电 技 术 开 发 成 熟 、 成本低廉，具有永不枯竭、无污染等特点。根据“十一五”国家风电发展规划，2010年全国风电装机容量达到 500×104kW，2020年全国风电装机容量达到 3000×104kW。风能作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。长庆油田地域辽阔，风能资源有利用价值，生产现场多处在偏远缺电地区，充分利用风能就近发电、自产自用，开展风力发电技术适用性研究对节能减排、发展低碳经济有着重要的意义。

1 风力测试

1.1中国有效风功率密度分布

通过图1、图2可以看到陕西省定边县位于风能较好区域。定边县有效风功率密度为 50～150W/m2，风能可利用小时数4000h左右。

根据风能分布图和风能区域划分原则 （表1），可以看出，定边县处在风能可利用区，部分地域位于风能较丰富区。

表1 风能区域划分原则

图1 中国有效风功率密度分布

图2 中国全年风速大于 3m/s小时数分布

1.2风能测试点及其基本概况

经过查阅定边县气象局相关资料及现场风力测试，选取地处定边县中部的长庆油田第六采油厂元120 站盆 18-17 井组作为风力测试点 （表2），该井组共有抽油机井3口，水井2口，污油池1口；抽油机电动机功率为15kW，抽油机呈一字排开。井组所处区域风资源较好，周围无树木、山峰遮挡，年平均风速在 3m/s以上，为风能可利用区域，气候条件最低为-35 ℃，最高为35 ℃。

表2 元 120站风能观测点2009年测试统计结果

通过图3至图6可以看出，观测点年风速呈明显的季节性变化，风速较大在3月至5月。

图3 2009年实测风向

图4 近10年气象局统计风向

图5 2009年实测风速

图6 近10年气象局统计风速

2 方案设计

2.1风能应用技术发展现状

风能是不稳定的，如果没有储能装置或与其他发电装置互补运行，风力发电装置本身难以提供稳定的电能输出。目前，国内外常见的风力发电系统的供电方式主要有独立运行、并网运行和分布式风网 联 合互补型[2]。

独立运行又称离网型，需要采取相应的储能措施。

并网运行就是采用风力发电机与电网连接，由电网输送电能。

分布式风网联合互补供电方式，是指直接将风力发电设施布置在负载附近，并与电网同时向负载供电的方式，无需上网。

2.2供电模式选择

油田的抽油机理论上不允许停机，而风机是靠风发电，因而它的发电必然是时断时续，时大时小。但该系统必须保证抽油机不停机，且必须保证只要风机发电，不管发电量的大小、发电电压的高低，均优先使用风电，不足部分才由网电补充。譬如，抽油机电动机实际功率为 25kW，风电发电功率为 15kW，那么网电补充的功率就是 10kW，这种形式即本方案所谓的互补。只有这种互补，风电才不会造成浪费。

2.3风机功率选择

第六采油厂盆 18-17井组抽油机电动机功率为15kW，正常运行平均耗电功率为 7～9kW，可选风机功率有 25kW 和 30kW2种。为了提高风力发电系统的性价比，不使珍贵的风电造成浪费，所以配置的原则是风机的功率接近且小于等于3台抽油机正常运行功率之和。根据这个原则，风机的功率为25kW，后拖 3台抽油机。

3 一拖多风电优先风网互补供电系统

一拖多风电优先风网互补供电系统(以下简称风电系统)是专为油田抽油机有效利用风能进行节能减排而专门开发生产的新型风电供电系统，它不同于传统的离网型供电和并网型供电模式，既能保证风电优先利用，又能保证抽油机连续运转，是一种新型、先进、独特的供电模式。

3.1系统构成

整套系统由风力发电机、风机智能升压控制器、卸荷电阻箱、风网互补智能控制柜组成，通过抽油机变频控制柜对抽油机进行操作 （图7）。

图7 风电优先网电补充系统原理

3.2系统各部分主要功能介绍

3.2.1 风力发电机

将风能转化为电能的设备，上风向带尾舵，具有自动对风、自动偏航、自动刹车保护功能。

3.2.2 风机智能升压控制器

本机控制技术由整流模块和智能升压模块组成，先将风力发电机发出的交流电整流为直流电，并将其电压通过智能升压模块始终钳制在 DC550V，对系统后端输出电压稳定为DC550V 的直流电，恒压输出，中低风速下的风电功率都能有效利用。

3.2.3 卸荷电阻箱

是用来消耗多余风电的电阻性负载，当风电输出电压超过设定值后，系统自动启动卸荷电阻进行工作，增大风力机的负载，使其在一个安全的转速下运行。

3.2.4 风网互补智能控制柜

将网电进行整流，网电与风电电压（整流后的直流电压）同时并联接入系统，优先使用风电对后端负载供电，在风电发电功率不够时，网电自动进行补充；在风机无风时全部用网电供电。

3.2.5 抽油机变频控制柜

由于抽油机不同运行状态下，其负载大小有很大差别，用变频器对其运动状态起平稳过度的作用，使其瞬间电流趋于平稳。有3种启停模式：风电变频启停、网电变频启停、网电工频启停，同时配置能量反馈单元，将抽油机发电状态时的电能回馈至电网。

3.3风网互补智能供电系统关键技术

一是风机安全保护技术；二是优先使用风电，网电作为补充，确保风电全部被利用技术；三是抽油机倒发电回馈技术；四是风电、网电计量技术等。

该系统构思新颖，巧妙地解决了风电、网电自动互补的技术难关。充分利用风能可再生能源、就近发电、自产自用，与一般上网型风机相比较减小了上网输送等设备投资和中间环节。与一般离网型风机相比不需要蓄电池电能储存，降低了投资成本。

3.4运行原理

控制技术是风力发电机组安全高效运行的关键技 术[3,4]， 该 系 统 中 主 要 技 术 是 风 电 优 先 网 电 补 充 控制，具有风电优先使用的功能，可以最大限度地利用风电，节省网电。当风机运转所发出的电经智能稳压控制器整流后，再经风网互补控制柜优先使用风电。该系统开始使用风电后，如果风机发出的电量不能满足后端负载的使用，系统则将缺少部分的电量自动利用网电进行补充，从而达到稳定供电的要求。当风机发出的电量能够满足后端负载使用时，系统停止网电输入，负载完全由风电供给。当风机转速继续上升，风机功率继续增加时，风机控制器将进行卸荷保护，以保证该系统正常运行。

3.5风电优先网电互补技术适用条件

根据不同型号机组，假设风机旋转半径为d，风机整机运行最高点位为h。

◇ 以 d为半径 h为高的圆柱体积内无障碍物；

◇ 以风机塔架中心点为圆点 1.2h 为半径的地面内，无生产设备；

◇ 风网转换柜和抽油机变频控制柜周边2m内无障碍物；

◇ 启动风速 2m/s，切出风速 25m/s；

◇根据风能资源评估及设备耗电情况，选择风力发电机要与负载用电量的大小相匹配；

◇选址应在开阔地带，避免山间“狭管效应”对风机造成损害。

4 盆18-17井组风机运行情况

2010年经过近 2个月的施工建设，盆 18-17井组风电系统于 5月 4日正式开始运行，连续运行720h 无故障，抽油机变频控制柜变频、工频均运行正常，风电优先升压控制柜运行平稳，卸荷箱卸荷正常。表3 对 2010 年 11 月的风电机组运行数据进行了统计。

表3 2010年 11月1—20日风电机组运行数据

整个风力发电机组主机运行正常，风电优先，风网互补系统控制系统工作正常，连续无故障运行720h，截至 6月 4日已累计发电2400kWh。现场运行表明，风速为 4m/s时，日发电量为 80～100kWh。

5 效果评估

从表3可以看出，采用一拖三风电优先网电互补风力发电装置，日发电量80kWh左右；由于风电系统自带变频控制装置，3台15kW抽油机日耗电仅为220kWh 左右，平均单台抽油机日耗电 73kWh，比厂平均单井日耗电 94.32kWh 减少 21.32kWh。计算风电系统整体日节能量在140kWh左右。

目前，该风电机组已运行2年时间，累计发电量10×104kWh，变频控制系统累计节电 4×104kWh。

6 结论

长庆油田勘探区域主要在陕甘宁地区，风力资源丰富，在风资源充足的丛式井组应用风电将大大降低网电用电量，而且减少大量有毒有害气体的排放，节能减排效果明显。

随着国家政策扶持力度的加大、技术不断成熟完善和成本的降低，该技术将为长庆油田新能源利用开拓更加广阔的前景。

[1]mullerS,deickeM,DeDonckerRW.Doublyfedinduction generator systems for wind turbines [J].Industry Applications Magazine,IEEE,2002,8 (3):26-33.

[2]李俊峰，高虎，王仲颖,等.2008中国风电发展报告[M].北京：中国环境科学出版社，2008.

[3]王超,张怀宇,王辛慧,等.风力发电技术及其发展方向[J].电站系统工程,2006,22(2):11-13.

[4]许洪华,郭金东.世界风电技术发展趋势和我国未来风电发展探讨[J].电力设备,2005,6(10):106-108.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.002.018

2012-09-05）

王辉，2007 年毕业于东北石油大学 （石油工程专业）， 从 事 质 量 、 节 能 、 计 量 、 标 准 化 管 理 工 作 ， E-mail： brillian7@qq.com，地 址 ： 陕 西 省榆林 市 定 边 县 砖 井镇闫 塘 村 第 六 采油厂质量安全环保科，718606。