風電—網(wǎng)電并聯(lián)油田供電系統(tǒng)的研制

吳大軍，聶開俊，楊姍姍，張強盛

(1.江蘇省電子產(chǎn)品裝備制造工程技術研究開發(fā)中心，江蘇 淮安 223003;2.淮安市天源科技有限公司，江蘇 淮安 223003)

0 引言

水電、光伏電池、風力發(fā)電、生物質轉換和地熱發(fā)電等可再生能源技術已經(jīng)達到商業(yè)化水平。風能是一種可再生、無污染的綠色能源，使用風能發(fā)電，可以減少二氧化碳等溫室氣體的排放。風力發(fā)電是各國積極發(fā)展的朝陽產(chǎn)業(yè)，有利于改善能源結構、增加優(yōu)質能源、克服能源緊張、消除電力不足的瓶頸。風力發(fā)電已經(jīng)被廣泛應用于風電并網(wǎng)、風電－水電互補、風電－光電互補和風電－燃氣輪機互補等方式中。然而，目前的風力發(fā)電沒有應用在高耗能的采油過程中。中國噸油成本是國外噸油成本的好幾倍，在穩(wěn)產(chǎn)的基礎上，節(jié)能、增效、增產(chǎn)、降耗顯得更為重要。因此，研制和開發(fā)新型、高性能、環(huán)保型的風電－網(wǎng)電并聯(lián)油田供電系統(tǒng)是必要的，采用并聯(lián)的供電方式，風電夠用時用風電，風電不夠用時，則采用網(wǎng)電風電同時供電。利用風電并聯(lián)發(fā)電方式來對抽油機供電，可以充分利用風能，大幅度降低對電力的需求，為實現(xiàn)油田采油環(huán)節(jié)節(jié)能20%的目標做出貢獻。測試結果表明，本文設計的基于PIC18F4331單片機的風電－網(wǎng)電并聯(lián)油田供電系統(tǒng)具有功率因數(shù)大、效率高的特點，特別適合偏遠的地區(qū)。它既可以彌補風力發(fā)電實時性的不足，又可以節(jié)約市電，達到節(jié)能減排的目的。

1 并聯(lián)油田供電系統(tǒng)的結構

風電－網(wǎng)電并聯(lián)供電系統(tǒng)結構框圖如圖1所示，系統(tǒng)結構簡圖如圖2所示。該系統(tǒng)由PIC18F4331單片機、風力發(fā)電機、控制電路板、逆變器、限幅負載、防雷器和三相濾波器等部分構成。當檢測到風電輸出電壓很低時，接觸器2吸合，接觸器1和3斷開，直接采用三相電網(wǎng)供電;反之，當檢測到風電輸出電壓可用時，接觸器1和接觸器3吸合，接觸器2斷開，同時對抽油機供電;若檢測到風力發(fā)電機輸出電壓過高，則要開啟限幅裝置以保護系統(tǒng)。對風電和網(wǎng)電的電流和電壓進行檢測，利用風力發(fā)電機的最大功率跟蹤(MPPT)技術、反孤島技術、遠程監(jiān)控技術和能量回饋技術，充分利用風能、回收抽油機下半程的能量，節(jié)約了電能，解決了“倒發(fā)電”問題，避免“大馬拉小車”現(xiàn)象，提高了泵效，增加了產(chǎn)量。

圖1 風電－網(wǎng)電并聯(lián)供電系統(tǒng)結構框圖

圖2 風電－網(wǎng)電并聯(lián)的油井供電系統(tǒng)結構簡圖

2 硬件電路設計

本文設計的風電－網(wǎng)電并聯(lián)供電系統(tǒng)硬件總體電路包括六路電源電路、風力發(fā)電逆變電路、網(wǎng)電逆變電路、故障檢測與控制電路等單元電路。通過檢測風電、網(wǎng)電的電流和電壓控制的工作方式，以達到節(jié)約電能的目的。CPU最小系統(tǒng)電路圖如圖3所示。

2.1 PIC18F4331單片機簡介

PIC18F4331器件采用40引腳DIP封裝。該器件良好的性能和靈活性體現(xiàn)在它的三個模塊中，功率控制模塊采用三相PWM結構;運動反饋模塊包含一個正交編碼器接口;A/D轉換模塊則由一個高速模數(shù)轉換器組成，可與PWM同步運行，速率可達到200ksps。

圖3 CPU最小系統(tǒng)電路圖

2.2 風力發(fā)電逆變電路

圖4為風力發(fā)電逆變電路。風力發(fā)電三相電經(jīng)過風雷器、熔斷器、濾波器電路、PFC校正電路、隔離整流濾波電路、逆變電路進入變頻設備?？傮w電路包括基于LM358、LM393的檢測報警電路和限幅電路兩個部分。

3 軟件部分

軟件部分采用模糊控制實現(xiàn)風力發(fā)電最大功率點跟蹤。油井專用變頻驅動器包括能量反饋、變頻驅動和油井狀態(tài)檢測三個部分，其響應時間、控制時間和魯棒性比傳統(tǒng)的控制器效果好。

3.1 最大功率跟蹤(MPPT)技術

MPPT跟蹤流程圖如圖5所示。

為了充分利用風能，首先，要采集MPPT主回路的電壓及電流信號;其次，根據(jù)最大功率點跟蹤策略判斷最大功率點的位置，控制系統(tǒng)從風能系統(tǒng)中識別和提取最大功率;最后，采用模糊邏輯控制和矢量控制技術對風力發(fā)電機的最大功率進行跟蹤，分析兩種風能控制系統(tǒng)的魯棒、響應速度和跟蹤性能，找到更有效的適合風電－網(wǎng)電并聯(lián)的最大功率跟蹤技術。

3.2 反孤島技術

孤島效應是指由于電氣故障、誤操作或自然因素等原因造成電網(wǎng)中斷，供電時各個用戶端的風電逆變器仍獨立運行的現(xiàn)象。逆變器持續(xù)供電可能危及電網(wǎng)線路維護人員的生命安全。正弦能量回饋是在5度相角后開始的，在正弦能量回饋時，利用基于逆變器的分布式發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測技術，采用過零點檢測的特殊方法;在相角0＜ψ＜5度時，若檢測到網(wǎng)電上的電壓為零，說明網(wǎng)電斷電，處于故障或檢修狀態(tài)中，否則正?；仞丼PWM，這樣就解決了風電－網(wǎng)電系統(tǒng)的孤島問題。

圖5 MPPT跟蹤流程圖

3.3 遠程監(jiān)控技術

采用計算機網(wǎng)絡技術及無線通訊技術，對風電－網(wǎng)電并聯(lián)供電系統(tǒng)中的每個性能參數(shù)進行檢測、分析，發(fā)生故障時報警。遠程控制系統(tǒng)采用人機界面、GPRS技術。供電系統(tǒng)實時接收調度中心的指令并執(zhí)行，操作員能了解采油現(xiàn)場的情況，如風向、功率因數(shù)、油井產(chǎn)能、洗井周期、泵壓、摻水量油和溫度等;應用GIS技術，可以方便地找到出問題的供電系統(tǒng)或油井的位置，便于系統(tǒng)的維護和管理。

3.4 能量回饋技術

基于風電－網(wǎng)電并聯(lián)的正弦能量回饋技術，采用有源逆變方式把電動機減速制動時產(chǎn)生的再生能量以SPWM波的形式回饋電網(wǎng)，再轉變?yōu)榕c風電和網(wǎng)電兼容的同步電能信號。該方式采用6個晶閘管協(xié)調配合，控制電路僅采用一只晶體管來實現(xiàn)能量的回饋控制，使電路的結構更加簡單，且有效地抑制了低次諧波，同時可濾除再生電能SPWM波中的諧波干擾成分，提高功率因數(shù)，將再生能量反饋回電網(wǎng)，進行優(yōu)化回收。

逆變電路回饋能量時所需的SPWM控制信號是與電網(wǎng)同頻同相的脈寬調制信號。首先，將電網(wǎng)電流電壓信號通過滯回比較電路，在過零時刻產(chǎn)生與電網(wǎng)信號同頻同相的正向脈沖，然后通過PIC18F4331將其正向脈沖捕獲。每一次捕獲正脈沖時，定時器都會對內部時鐘個數(shù)進行存儲。前后兩次時鐘數(shù)存儲結果之差值，即為電網(wǎng)信號的時鐘周期數(shù)，因此，通過對電網(wǎng)信號的實時捕獲，可以使SPWM控制信號實時跟蹤電網(wǎng)信號變化，其信號的同步性和周期性均等同于電網(wǎng)信號，從而達到了預期目的。

3.5 變頻驅動技術

根據(jù)風電－網(wǎng)電并行供電的特點和抽油機的工作特性，采用能量反饋、變頻驅動和油井狀態(tài)檢測結合的油井專用變頻驅動技術，自動調整抽油機的沖次及上下沖程速度比。當出現(xiàn)異常情況時，自動將系統(tǒng)切換到電網(wǎng)工頻電源驅動，使變頻器的輸出電壓對基波呈現(xiàn)低電抗、對諧波呈現(xiàn)高阻抗，改善變頻器輸出電壓波形，使功率因數(shù)接近1。通過對油井專用變頻器現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)進行分析，可進一步優(yōu)化變頻器，以解決“倒發(fā)電”問題，避免“大馬拉小車”現(xiàn)象，提高了泵效，增加了產(chǎn)量。

4 結論

本文設計了基于PIC18F4331的風電－網(wǎng)電并聯(lián)油田供電系統(tǒng)，風力發(fā)電的電壓V3在V1～V2之間時，風電和網(wǎng)電同時對抽油機供電;當V3＜V1時，網(wǎng)電對抽油機供電;當V3＞V1時，風電對抽油機供電。通過計算和試驗得到V1=200V、V2=531V。網(wǎng)電三相電整流濾波后電壓V4=532V，當V3＞V4時，負載所需的能量完全由V3通過逆變來提供。當風速達到6m/s以上時，網(wǎng)電的電流降到原來的20%，而風電的輸出功率上升到總功率的80%，負載80%左右的功率均由風力發(fā)電提供。

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