基于光伏/储能的油田机采电气系统的仿真分析

杨彩梅 辛星志 石福浩

（1.中国石油化工股份有限公司中原油田分公司；2.中国石化胜利油田电力分公司；3.中国石化胜利油田公共事业服务中心）

1 背景

油田是产能大户，亦是耗能大户。目前常规式游梁抽油机是油田中应用最广泛的、抽油机。这种抽油机结构简单，运行可靠，操作维护方便，但是效率低，能耗高。据统计，中国石油行业每年生产原油约1.9×108t，向社会提供大量能源的同时年耗电数达百亿千瓦。在采油成本中，抽油机的电费占30%左右，年耗电量占油田总耗电量20%～30%，为油田电耗的第二位[1]。因此为了节能降耗，提高效率，人们也对抽油机进行了一些改进，目前也出现了很多新型结构的抽油机，如双驴头抽油机、直线电动机式抽油机、渐开线抽油机等[2]。

同时，开发清洁的可再生的能源逐渐成为各国的能源发展战略，如风力发电技术、光伏发电技术都已经在油田中得到应用，其中太阳能的利用在我国呈上升趋势，光伏发电系统也逐渐发展完善。此外，储能在另一方面很好的解决了分布式发电电源出力不稳定、不均匀的问题，各国均有不同类型的储能电站在投运[3-4]。用含有储能装置光伏发电电源为抽油机进行供电，极大的减少了电能购买的经济成本，并且通过搭建模型验证了该方案的可行性。

2 抽油机的节能降耗

2.1 节能减耗需求

油田应用最多的游梁式抽油机的节能性能一般用异步电动机的电能消耗量来衡量。由于抽油机负载的复杂性，抽油机在一周期内的运行状况不同，在下冲程时抽油机电动机处于发电状态，称为倒发电现象。抽油机倒发电现象既是对电能的浪费，也会对电网造成干扰。另外，由于抽油机的负载的特殊性，在一个总程中，电动机的额定功率远大于实际功率，即抽油机长时间处于轻载的状态，产生了低负荷现象，造成电动机的效率降低，加大了电能的浪费，已有相关研究针对该问题提出了相应的改进方法[5]。从抽油机本身的性能分析，对抽油机的自动调节能力进行改善也十分关键。

2.2 节能降耗措施

1）合理的调节运行参数。在抽油机运行过程中，运行参数会对能耗产生重要的影响，并决定了举升高度，抽油机的运行效率会随着举升高度的增加而增大，通过设定合理的参数，可以使得抽油机的举升高度取得最优值，这样就能得到最大运行效率。因此需要建立抽油机模型，进行反复的实验，获得最优举升高度下的运行参数。

2）无功补偿器。这种措施是从用电设备方面考虑，在抽油机系统中，主要电器设备有两种，分别是变压器和电动机。在使用变压器的过程中，一般会在高压侧以及低压侧都使用集中形式的补偿，采用该种方式可以使得电网的功率得到降低，电网的功率因数可以得到提高，同时，在电动机上添加补偿设备，进而实现电动机无功补偿的基本目的。

3）内部结构优化。对抽油机内部结构优化是节能减耗的根本性措施，其主要是对内部的连杆结构进行优化设计，使得其运行过程中的平衡力得到改进，通过该种方式可以使得抽油机运行过程中的扭矩降低，运行的周期缩短，进而使得工作效率得到提升。我国近十几年研制的各种新式节能型抽油机主要包括有下偏杠铃游梁复合平衡抽油机、调径变距游梁平衡抽油机、悬挂偏置游梁平衡抽油机等多种改进抽油机[6]。

3 光伏-储能系统应用于抽油机分析

3.1 基本原理

由于可再生能源的波动性，光伏发电存在间歇性、随机性的特点，通过储能装置的协调配合，使得光伏发电的功率波动减小，逆变器直流母线电压稳定，从而改善抽油机运行质量。整体系统的基本流程为光伏阵列将太阳能转化为电能，经过控制器判断光伏发电功率，进而决定蓄电池的工作状态，由光伏发电和蓄电池共同决定直流母线电压，再经DC/AC逆变器，将直流电转换成可供抽油机运行的三相交流电，使抽油机带动负载进行工作。

3.2 控制策略

储能装置经双向DC/DC变换器实现功率双向流动，使储能部分具有充电和放电两种工作状态。采用了结构简单、能量转换直接有效、动态响应快的非隔离式Buck/Boost双向DC/DC变换电路[6]。控制的目标是保持逆变器输入侧电压稳定，并控制充电电流。储能变流器的控制采用电压外环和电流内环的双环控制策略，通过电压外环来控制电流内环，电压调节器和电流调节器均采用PI控制器[7-9]。

4 仿真分析

从抽油机的电动机模型和抽油机负载转矩模型两部分着手，结合电动机模型和负载转矩模型模拟了抽油机的正常工作状态，并利用MATLAB对其仿真，通过仿真绘制了抽油机的电流曲线和功率曲线，由此得到了抽油机的工作状态及倒发电状况的运行特点。

采用电流突变量夹角余弦的直流电网线路纵联保护方法//周家培,赵成勇,李承昱,许建中//(14):165

然后根据抽油机所需供电电压搭建了光伏-储能一体化系统，集发电-储电为一体，对直流母线电压进行充放电控制，再经过逆变环节代替电网电源为抽油机供电。

4.1 抽油机电动机模型

抽油机采用异步电动机模型，从异步电动机的数学模型来进行分析，将三相A、B、C坐标系变换为α、β坐标系，写出该坐标系下电动机的电压方程、磁链方程转矩方程来描述电动机的模型[10]。用Simulink的功能模块搭建各个子模块，然后进行模块之间的连接，异步电动机模型见图1。

图1 异步电动机模型

为验证该电动机正确性，采取如下数组：额定功率P=2.2 kW；额定电流I=4.81 A；额定电压U=380 V；电动机Δ接法；额定转速n=1 440 r/min；定子电阻R1=1.3Ω；转子电阻R2=1.02Ω；电动机定子自感Lr=0.074 H；电动机转子自感Ls=0.071 H；定转子互感Lm=0.067 H；电动机极对数np=2；负载转矩：TL=5 N∙m；转动惯量：J=0.000 4 kg/m2。

由异步电动机模型可得到电动机转矩曲线（图2），电动机转速曲线（图3）。

图2 电动机转矩曲线

图3 电动机转速曲线

4.2 抽油机负载模型

抽油机中曲柄轴的旋转运动通过四连杆机构转化成驴头的上下直线运动[11]。由于平衡重负载力矩和抽油机驴头悬点载荷呈现周期性的波动，造成了抽油机电动机系统负载的复杂性。由驴头悬点载荷的计算及其传递转换两方面探索抽油机的负载转矩的求解。

抽油机异步电动机的负载转矩与减速器的输入轴扭矩有以下公式（1）关系为

式中：Tri为减速器输入轴扭矩，N·m；TL为电动机负载转矩，N·m；ng为抽油机电动机上小皮带转速，r/min；nr为减速器大皮带轮转速，r/min。

式中：Tro为减速器的输出转矩；η2为减速器高速级传动机构的效率；η3为减速器低速级传动机构的传动效率；i2为减速器高速级传动比；i3为减速器低速级传动比。

减速器的输出转矩由两部分组成，分别是油井负荷转矩和曲柄平衡转矩。

式中：Tp为油井负荷转矩；Tc为曲柄平衡转矩。

联立公式（1）、（2）、（3）就可以得到电动机负载转矩与抽油机系统的负载转矩的关系式（4）。

根据以上推导的抽油机负载关系式，用Simulink搭建抽油机负载模型（图4）。

图4 抽油机负载模型

4.3 光伏-储能一体化系统模型

4.3.1 放电控制方法仿真与结果

蓄电池工作在放电状态时，双向DC/DC变换器工作在Boost模式，将化学能转换成电能放电仿真原理见图5。设定光伏发电输出电压为550 V，蓄电池向直流母线提供电能，使直流母线电压上升。

图5 放电仿真原理

由仿真分析可知，放电时，光伏发电输出550 V电压，变流器工作于Boost升压模式，升压全控器件工作在PWM模式，降压全控器件不工作。仿真初期光伏电源迅速给直流母线侧供电，使电压上升到550 V。蓄电池的放电控制根据给定直流母线电压，通过控制升压全控器件的开通与关断，在升压全控器件关断时蓄电池给直流母线侧供电，在升压全控器开通时停止给直流母线侧供电，从而控制直流母线电压的上升。

4.3.2 充电控制方法仿真与结果

蓄电池工作在充电状态时，双向DC/DC变换器工作在Buck模式，具体充电过程仿真原理见图6。设定光伏发电输出电压为600 V，直流母线向蓄电池充电，使直流母线电压下降。

图6 充电仿真原理

由仿真分析可知，充电时，光伏发电输出600 V电压，变流器工作于Buck降压模式，Q2工作在PWM模式，Q1不工作。仿真初期光伏电源迅速给直流母线侧供电，直流母线电压达600V。蓄电池的充电控制根据给定直流母线电压，通过控制Q2的开通与关断，在Q2开通时直流母线侧向蓄电池充电，在Q2关断时停止给蓄电池充电，从而控制直流母线电压的下降与蓄电池的。最终直流母线电压能够维持稳定并达到额定电压。

5 结语

本文介绍了抽油机的节能降耗需求以及常用措施，引入近年发展迅速的光伏发电技术以及储能技术。储能系统使用常规蓄电池，采用结构简单、易控制、易实现的非隔离式Buck/Boost双向DC/DC变换电路对储能装置的工作状态进行控制，组成光伏-储能一体化系统，共同对抽油机进行供电。通过MATLAB仿真进行简单的验证，实现了蓄电池与光伏发电相配合对直流母线进行充放电的控制，根据直流母线电压水平控制蓄电池的充放电状态，使直流母线电压能够稳定在正常水平，一定程度上解决了可再生能源功率波动的问题，并提高了能源利用率。