直流母线群控与光伏自发自用技术的应用研究

李景营

中国石化集团胜利油田新能源开发中心 山东东营 257091

1 现场情况

随着社会环保意识的增强,新能源开发需求与日俱增。胜利油田污水余热、地热、太阳能、风能等清洁能源优势显著[1-2]。胜利油田青南管理区莱87区块地处东营市经济开发区,位于广南水库以东,濒临莱州湾。青南管理区区块地质储量为239.37万t,标定采收率为16.9%,采出程度为11%。目前该区块共计有21口油井,供电线路电压为10 kV,线路总长约17 km。井场采用传统供电模式,每座井场设一两台变压器,降压至交流380 V驱动抽油机运行。

目前,莱87区块油井生产负载的变化较大,造成供配电设施冗余量大,平均机采效率只有23.02%,功率因数为0.55。区块内多为低产低液油井,抽油机平衡率最低只有13.6%,调整困难,倒发电现象严重。区块采用一井场一变压器传统供电模式,冗余量大。区块内目前共有九台变压器,实际容量合计为1 165 kVA,每年缴纳容量费39.14万元。变频柜谐波污染大,造成网侧电能质量差。由此可见,急需对油井供配电系统进行改造,减少变压器数量,减小容量,提高变压器负载率,改善电能质量,进而实现节能降耗。

2 直流母线群控技术

电机功率数据见表1。

对表1数据统计分析,油井平均总有功功率约100 kW。注水泵站改造后,电机功率为90 kW,井场天然气压缩机等其它用电设备功率约30 kW,共计220 kW。注水站原有315 kVA容量变压器可以满足整个区块的生产用电需求。

依据莱87区块21口油井的应用现状和油井分布特点,遵循节能降耗、减变降容的原则,用一台变压器和一个整流单元,完成交直转换,直流电以一条共用直流母线的形式输送到井场,每口单井配备专用的直交逆变单元,并联挂接在母线上,完成电机拖动,由此实现油井的直流母线群控[3-5]。

表1 电机功率数据

采用直流母线群控系统,可以减少变压器的使用数量,降低建设成本,减少能耗。通过对抽油机负载进行矢量控制和动态跟踪,直流母线群控系统可以同时具备调速控制、监测、保护功能,进而改善常规供电模式易污染电网的缺点[4]。直流母线群控系统如图1所示。

3 光伏自发自用技术

太阳能具有能量巨大、清洁无污染、获取简单的特点,被广泛应用于电力系统。采用Meteonorm软件对莱87区块所在地日照资源进行分析,确认区块所在地适合建设光伏电站。日照资源分析界面如图2所示。

井组用电负荷持续时间较长,一年中很少有停产或半停产的情况,足以消纳光伏电站发出的绝大部分电力,因此采用光伏自发自用技术[6]。

图1 直流母线群控系统

图2 日照资源分析界面

通过Pvsyst软件测量分析,以安装固定支架倾角31°、方位角0°为最佳角度。根据组件安装倾角的不同,投影弧面直径为5 295 mm时采用固定安装,可以保证方阵在冬至日上午9点到下午3点的真太阳时段内不出现任何形式的遮挡[7]。综合考虑装机规模、系统效率,以及设备后期维修和可靠性等因素,采用100 kW组串式逆变器。

按照自发自用原则,设计光伏发电系统峰值功率为197.6 kW,采用配重块基础形式布置峰值功率为380 W的单晶硅组件520块,并将13串光伏组件接入一台100 kW组串式逆变器。100 kW组串式逆变器通过ZC-YJV22-0.6/1 kV 3×70 mm2+2×35 mm2型电力电缆接入井场低压配电柜,将配电柜内两台断路器更换为CM3-250L/3300型,额定电流为225 A。

4 直流母线群控+光伏自发自用

在油井采用直流母线群控供电方式的基础上增加光伏供电,光伏组件安装在距离整流柜较近的莱871井场内。选用峰值功率为380 W的单晶硅组件,安装520块,总功率为197.6 kW。光伏组件通过汇流箱、直流-直流稳压器后,接入直流母线系统。

光伏发电系统峰值功率为197.6 kW,由两个光伏发电单元构成。光伏发电单元包括太阳能电池组串、组串式逆变器等。20块峰值功率为380 W的光伏组件一串,利用PV1-F-0.6/1 kV 1×4 mm2型光伏专用电缆串联。13串光伏组件接入一台100 kW组串式逆变器。对于100 kW组串式逆变器,通过ZC-YJV22-0.6/1 kV 3×70 mm2+2×35 mm2型电力电缆接入井场低压配电柜,配电柜内两台断路器更换为CM3-250L/3300型,额定电流为225 A。

5 直流母线群控供电安全措施

整流柜内含同功率整流备用模块,提高直流母线群控系统的供电可靠性[4]。采用针对多台抽油机的分时最佳软起动控制方式,可以避免多台抽油机同时起动对电网造成的冲击和电压跌落[5,8]。消谐之后,电压谐波总畸变率小于2.5%,轻载时电流谐波含量不高于10%,优于国家标准GB/T 14549—1993《电能质量 公用电网谐波》的要求。对于增加光伏发电单元的直流母线群控系统,整流装置实时检测网电电压、频率、相位等参数[8-9]。当参数出现异常时,整流装置保护停机[8,10]。由此通过直流母线群控技术保障油田安全生产。

6 效益分析

以直流母线群控为方案一,以光伏自发自用为方案二,以直流母线群控+光伏自发自用为方案三,对三种直流微电网新型供电技术应用方案进行效益分析[11]。在考虑容量费的条件下,直流母线群控技术收益最好,财务内部收益率可达28.3%,财务净现值为180.31万元,投资回收期为4.3 a。在不考虑容量费的条件下,光伏供电方案收益最好,财务内部收益率可达15.2%,财务净现值为50.64万元,投资回收期为6.9 a。三种方案的效益分析见表2。

表2 三种方案效益分析

7 结束语

对于直流母线群控+光伏自发自用方案,财务内部收益率在考虑容量费时为25.86%,在不考虑容量费时为12.94%,均高于油田基准收益率8%的指标。油田采用直流微电网新型供电技术,具有绿色低碳、节能降耗、智能调控等特点[4,12],光伏发电技术可以进一步提高油田绿电占比。建议莱87区块采用直流母线群控+光伏自发自用方案,全面实施一体化提质增效战略。