石油钻机光储柴供电系统运行控制策略

孙晓哲

石油钻机光储柴供电系统运行控制策略

孙晓哲

(中石化胜利石油工程有限公司塔里木分公司，新疆维吾尔自治区 库尔勒市 841000)

石油钻机市场的繁荣发展使其供电问题越来越受到人们的关注。为了提高石油钻机的供电可靠性，采用光储柴的供电模式以替代单一柴油发电机的供电模式。首先，建立石油钻机光储柴供电系统拓扑结构，并进行相应单元的建模；其次，构建光储柴供电系统的经济性模型，同时兼顾储能荷电状态(state of charge，SOC)及其功率、柴油发电机功率等约束，以实现系统的经济运行；最后，通过案例分析了运行控制策略的有效性。研究结果为石油钻机的供电模式提供了参考。

石油钻机；光储柴供电系统；运行控制策略

0 引言

现阶段，国内主要应用柴油发电机组向钻场区域供电，钻场区域的负荷主要为电动钻机和生活用电等[1-2]。但在实际运行中，柴油发电机会产生噪声、排放污染物，且经济成本较高，而分布式能源的发展给石油钻机的供电提供了可选择方案[3]。将柴油发电机、分布式光伏和储能进行有机的结合，构建独立的微电网供电系统[4-6]，可以大幅度提高石油钻机供电的可靠性和经济性，且能够减少对环境的污染[7-9]。

随着分布式能源的快速发展，微电网得到了大规模的应用，对其开展的研究也越来越多。张辉等[10]提出了一种采用集中控制方式的微电网频率和电压二次调节方法，按照容量比的分配公式，将二次控制器产生的频率和电压调节量分配给各台虚拟同步发电机的功频和电压控制器，提供所需的功率缺额，实现多台虚拟同步发电机频率和电压的二次控制。马艺玮等[11]提出了一种基于对等控制和集中控制相结合的独立微电网混合控制策略，改进了柴油发电机组的有功频率特性，且对风力发电机组、柴油发电机组、蓄电池储能系统进行了控制优化。赵婵娟等[12]提出了一种基于分布式两级控制的孤岛微电网网络化控制方法，采用初级控制实现了负荷分配，同时增加了分布式次级控制弥补电压和频率偏差，以提高孤岛微电网负荷分配精度并维持微电网稳定。魏繁荣等[13]在考虑制淡水设备功率特性、蓄电池寿命、柴油机工作效率等因素的基础上，以燃料及蓄电池使用成本最少为目标，提出了一种风/光/柴/蓄微电网系统的日运行能量控制优化策略。吕朋蓬等[14]给出了孤岛微电网信息物理系统的架构，建立了一种有功功率的实时调度模型，以一致性理论为核心，提出了一种完全分布式协同算法，并通过不同环境和扰动验证了该算法的有效性。Sheng等[15]基于改进的二进制蝙蝠算法，建立了一种适用于风光柴储的独立微电网容量配置优化策略，以实现微电网多目标多约束的优化 运行。

上述研究主要侧重于应用微电网对常规或其他负荷进行供电，而对石油钻机的供电研究较少。目前，石油钻机主要依靠柴油发电机单独供电，但存在运维成本较高、污染较大等问题。由于石油钻机供电区域具有丰富的光照资源，因此本文建立石油钻机的光储柴供电系统，以提高其运行经济性和环保性。

1 石油钻机光储柴供电系统

1.1 光储柴供电系统拓扑结构

石油钻机的光储柴供电系统拓扑结构如图1所示。该系统采用柴油发电机组和光伏、储能相结合的方式进行供电，其中营房负荷主要为生活区负荷，包括夏季空调、冬季电热器、做饭设备、供热水锅炉等。

图1 石油钻机的光储柴供电系统拓扑结构

1.2 柴油发电机模型

柴油发电机的能耗与功率的关系为

1.3 光伏出力模型

光伏的输出功率方程如下：

1.4 蓄电池储能模型

蓄电池充放电时的建模如下。

电池充电时，

电池放电时，

2 光储柴供电系统经济性模型

光储柴供电系统经济性建模主要考虑初始投资成本、运行维护成本和其他成本[16-19]。

2.1 柴油发电机经济性模型

柴油发电机经济性建模主要考虑初始投资成本、运行维护成本和污染的惩罚费用。

由于柴油发电机在运行过程中会产生CO2、SO2和各种氮化物等，因此需要对其进行惩罚处理，惩罚费用计算如下：

考虑到多台柴油发电机并联供电的可能性，因此柴油发电机组的总投资成本为

式中为投入使用的柴油发电机台数。

2.2 光伏经济性模型

光伏经济性建模主要考虑初始投资成本、运行维护成本和补贴费用。

为了更好地促进光伏等可再生能源的发展，政府会给予一定的发电补贴，补贴费用计算如下：

因此，光伏发电的总投资成本为

2.3 储能经济性模型

储能经济性建模主要考虑初始投资成本和运行维护成本。

2.4 系统经济性运行

为保证光储柴系统的经济性运行，应尽可能地降低系统的综合成本费用，因此其目标函数为

相应的约束条件如下：

采用遗传算法对该经济性模型进行求解，其具体步骤如下：1）初始化种群；2）计算种群上每个个体的适应度；3）按由个体适应度值所决定的某个规则选择将进入下一代的个体；4）按概率c进行交叉操作；5）按概率m进行变异操作；6）若没有满足某种停止条件，则转入步骤2），否则进入下一步；7）输出种群中适应度最优的染色体作为问题的满意解或最优解。

3 案例分析

以新疆库尔勒某油田的石油钻机负荷为例，构建光储柴的供电系统。其中石油钻机的峰值负荷为2000kW，光伏装机容量为2500kW，蓄电池储能的容量为2000kW·4h，由于负荷较大，柴油发电机采用三机并联的供电模式，每台装机容量为700kW。

石油钻机和营房用电的负荷功率曲线如图2所示，光伏功率曲线如图3所示，采样率均为1min，时长均为1 d。

图2 负荷功率曲线

图3 光伏功率曲线

各类电源的参数如表1所示，柴油发电机的污染物参数如表2所示。

按照2.4节构建经济性模型，通过遗传算法求解可以得到系统的综合成本费用为2 003.06万元，由此得到的柴油发电机组功率曲线如图4所示，蓄电池储能功率曲线如图5所示，蓄电池储能SOC曲线如图6所示，可见其对应的SOC处在设定的运行范围0.2~0.8之间，满足运行要求。

表1 电源参数

Tab.1 Power supply parameters

表2 柴油发电机污染物参数

Tab.2 Diesel generator pollutant parameters

为了说明光储柴供电系统的经济性，将光柴和柴的供电系统与之对比。当光柴系统供电时，优先应用光伏对负荷进行供电，如果光伏功率不足，则由柴油发电机组补充差额功率；如果光伏功率有剩余，则光伏进行限功率运行。当只有柴油发电机组供电时，则由柴油发电机组提供负荷所需的所有电能。

光柴系统供电时，仿真计算所得的光伏功率和柴油发电机组功率分别如图7、8所示，其中光伏的最大功率由2420.64kW下降到1967.61kW，由此表明光伏进行了限功率运行。

图4 柴油发电机组功率曲线

图5 蓄电池储能功率曲线

图6 蓄电池储能SOC曲线

图7 光柴系统中的光伏功率

在相同负荷下，光储柴、光柴和柴3种供电模式所需的经济性成本对比如表3所示。从表3可以看出光储柴供电模式的成本最低，比柴供电模式节约成本47.79%，因此光储柴供电模式更具有优势。

图8 光柴系统中的柴油发电机组功率

表3 3种供电模式的经济性成本对比

Tab.3 Economic cost comparision of three electric power supply modes

4 结论

应用光储柴供电模式对石油钻机进行供电，以克服单一柴油发电机供电的不足。根据石油钻机的负荷需求，建立了光储柴供电系统拓扑结构，构建了光储柴供电系统经济性模型，通过案例对比分析了光储柴、光柴和柴3种供电模式的经济性，结果表明，在相同的边界条件下，光储柴供电系统的成本费用最低，具有较好的经济性，为石油钻机的规模化推广起到了积极的促进作用。

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Operation Control Strategy of Oil Drilling Rig PV/Storage/Diesel Power Supply System

SUN Xiaozhe

(Sinopec Oilfield Service Shengli Corporation Tarim Branch Company, Korla 841000, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China)

The power supply of oil drilling rig has drawn more and more attention with its prosperous development. In order to improve the power supply reliability of oil drilling rig, the PV/storage/diesel system was adopted to replace that of single diesel generator. Firstly, the power supply topology of oil drilling rig was established, and the corresponding units were modelled. In addition, the economic model of PV/storage/diesel system was constructed. The constraints of energy storagestate of charge (SOC), storage power and diesel generator power were considered to realize the economic operation of the system. Finally, an example was given to analyze the effectiveness of the operation control strategy. The research results can provide a reference for the power supply mode of oil drilling rig.

oil drilling rig; PV/storage/diesel power supply system; operation control strategy

10.12096/j.2096-4528.pgt.18176

2018-12-10。

孙晓哲(1986)，男，硕士，工程师，主要从事石油钻采设备的研发、运维与管理等工作，Tarim_sun@163.com。

孙晓哲

(责任编辑 尚彩娟)