基于光伏/儲(chǔ)能的油田機(jī)采電氣系統(tǒng)的仿真分析

楊彩梅 辛星志 石福浩

（1.中國石油化工股份有限公司中原油田分公司；2.中國石化勝利油田電力分公司；3.中國石化勝利油田公共事業(yè)服務(wù)中心）

1 背景

油田是產(chǎn)能大戶，亦是耗能大戶。目前常規(guī)式游梁抽油機(jī)是油田中應(yīng)用最廣泛的、抽油機(jī)。這種抽油機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，操作維護(hù)方便，但是效率低，能耗高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國石油行業(yè)每年生產(chǎn)原油約1.9×108t，向社會(huì)提供大量能源的同時(shí)年耗電數(shù)達(dá)百億千瓦。在采油成本中，抽油機(jī)的電費(fèi)占30%左右，年耗電量占油田總耗電量20%～30%，為油田電耗的第二位[1]。因此為了節(jié)能降耗，提高效率，人們也對抽油機(jī)進(jìn)行了一些改進(jìn)，目前也出現(xiàn)了很多新型結(jié)構(gòu)的抽油機(jī)，如雙驢頭抽油機(jī)、直線電動(dòng)機(jī)式抽油機(jī)、漸開線抽油機(jī)等[2]。

同時(shí)，開發(fā)清潔的可再生的能源逐漸成為各國的能源發(fā)展戰(zhàn)略，如風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、光伏發(fā)電技術(shù)都已經(jīng)在油田中得到應(yīng)用，其中太陽能的利用在我國呈上升趨勢，光伏發(fā)電系統(tǒng)也逐漸發(fā)展完善。此外，儲(chǔ)能在另一方面很好的解決了分布式發(fā)電電源出力不穩(wěn)定、不均勻的問題，各國均有不同類型的儲(chǔ)能電站在投運(yùn)[3-4]。用含有儲(chǔ)能裝置光伏發(fā)電電源為抽油機(jī)進(jìn)行供電，極大的減少了電能購買的經(jīng)濟(jì)成本，并且通過搭建模型驗(yàn)證了該方案的可行性。

2 抽油機(jī)的節(jié)能降耗

2.1 節(jié)能減耗需求

油田應(yīng)用最多的游梁式抽油機(jī)的節(jié)能性能一般用異步電動(dòng)機(jī)的電能消耗量來衡量。由于抽油機(jī)負(fù)載的復(fù)雜性，抽油機(jī)在一周期內(nèi)的運(yùn)行狀況不同，在下沖程時(shí)抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，稱為倒發(fā)電現(xiàn)象。抽油機(jī)倒發(fā)電現(xiàn)象既是對電能的浪費(fèi)，也會(huì)對電網(wǎng)造成干擾。另外，由于抽油機(jī)的負(fù)載的特殊性，在一個(gè)總程中，電動(dòng)機(jī)的額定功率遠(yuǎn)大于實(shí)際功率，即抽油機(jī)長時(shí)間處于輕載的狀態(tài)，產(chǎn)生了低負(fù)荷現(xiàn)象，造成電動(dòng)機(jī)的效率降低，加大了電能的浪費(fèi)，已有相關(guān)研究針對該問題提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法[5]。從抽油機(jī)本身的性能分析，對抽油機(jī)的自動(dòng)調(diào)節(jié)能力進(jìn)行改善也十分關(guān)鍵。

2.2 節(jié)能降耗措施

1）合理的調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)。在抽油機(jī)運(yùn)行過程中，運(yùn)行參數(shù)會(huì)對能耗產(chǎn)生重要的影響，并決定了舉升高度，抽油機(jī)的運(yùn)行效率會(huì)隨著舉升高度的增加而增大，通過設(shè)定合理的參數(shù)，可以使得抽油機(jī)的舉升高度取得最優(yōu)值，這樣就能得到最大運(yùn)行效率。因此需要建立抽油機(jī)模型，進(jìn)行反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，獲得最優(yōu)舉升高度下的運(yùn)行參數(shù)。

2）無功補(bǔ)償器。這種措施是從用電設(shè)備方面考慮，在抽油機(jī)系統(tǒng)中，主要電器設(shè)備有兩種，分別是變壓器和電動(dòng)機(jī)。在使用變壓器的過程中，一般會(huì)在高壓側(cè)以及低壓側(cè)都使用集中形式的補(bǔ)償，采用該種方式可以使得電網(wǎng)的功率得到降低，電網(wǎng)的功率因數(shù)可以得到提高，同時(shí)，在電動(dòng)機(jī)上添加補(bǔ)償設(shè)備，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)無功補(bǔ)償?shù)幕灸康摹?/p>

3）內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化。對抽油機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化是節(jié)能減耗的根本性措施，其主要是對內(nèi)部的連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得其運(yùn)行過程中的平衡力得到改進(jìn)，通過該種方式可以使得抽油機(jī)運(yùn)行過程中的扭矩降低，運(yùn)行的周期縮短，進(jìn)而使得工作效率得到提升。我國近十幾年研制的各種新式節(jié)能型抽油機(jī)主要包括有下偏杠鈴游梁復(fù)合平衡抽油機(jī)、調(diào)徑變距游梁平衡抽油機(jī)、懸掛偏置游梁平衡抽油機(jī)等多種改進(jìn)抽油機(jī)[6]。

3 光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于抽油機(jī)分析

3.1 基本原理

由于可再生能源的波動(dòng)性，光伏發(fā)電存在間歇性、隨機(jī)性的特點(diǎn)，通過儲(chǔ)能裝置的協(xié)調(diào)配合，使得光伏發(fā)電的功率波動(dòng)減小，逆變器直流母線電壓穩(wěn)定，從而改善抽油機(jī)運(yùn)行質(zhì)量。整體系統(tǒng)的基本流程為光伏陣列將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)過控制器判斷光伏發(fā)電功率，進(jìn)而決定蓄電池的工作狀態(tài)，由光伏發(fā)電和蓄電池共同決定直流母線電壓，再經(jīng)DC/AC逆變器，將直流電轉(zhuǎn)換成可供抽油機(jī)運(yùn)行的三相交流電，使抽油機(jī)帶動(dòng)負(fù)載進(jìn)行工作。

3.2 控制策略

儲(chǔ)能裝置經(jīng)雙向DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)功率雙向流動(dòng)，使儲(chǔ)能部分具有充電和放電兩種工作狀態(tài)。采用了結(jié)構(gòu)簡單、能量轉(zhuǎn)換直接有效、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的非隔離式Buck/Boost雙向DC/DC變換電路[6]。控制的目標(biāo)是保持逆變器輸入側(cè)電壓穩(wěn)定，并控制充電電流。儲(chǔ)能變流器的控制采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略，通過電壓外環(huán)來控制電流內(nèi)環(huán)，電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器均采用PI控制器[7-9]。

4 仿真分析

從抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)模型和抽油機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩模型兩部分著手，結(jié)合電動(dòng)機(jī)模型和負(fù)載轉(zhuǎn)矩模型模擬了抽油機(jī)的正常工作狀態(tài)，并利用MATLAB對其仿真，通過仿真繪制了抽油機(jī)的電流曲線和功率曲線，由此得到了抽油機(jī)的工作狀態(tài)及倒發(fā)電狀況的運(yùn)行特點(diǎn)。

采用電流突變量夾角余弦的直流電網(wǎng)線路縱聯(lián)保護(hù)方法//周家培,趙成勇,李承昱,許建中//(14):165

然后根據(jù)抽油機(jī)所需供電電壓搭建了光伏-儲(chǔ)能一體化系統(tǒng)，集發(fā)電-儲(chǔ)電為一體，對直流母線電壓進(jìn)行充放電控制，再經(jīng)過逆變環(huán)節(jié)代替電網(wǎng)電源為抽油機(jī)供電。

4.1 抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)模型

抽油機(jī)采用異步電動(dòng)機(jī)模型，從異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行分析，將三相A、B、C坐標(biāo)系變換為α、β坐標(biāo)系，寫出該坐標(biāo)系下電動(dòng)機(jī)的電壓方程、磁鏈方程轉(zhuǎn)矩方程來描述電動(dòng)機(jī)的模型[10]。用Simulink的功能模塊搭建各個(gè)子模塊，然后進(jìn)行模塊之間的連接，異步電動(dòng)機(jī)模型見圖1。

圖1 異步電動(dòng)機(jī)模型

為驗(yàn)證該電動(dòng)機(jī)正確性，采取如下數(shù)組：額定功率P=2.2 kW；額定電流I=4.81 A；額定電壓U=380 V；電動(dòng)機(jī)Δ接法；額定轉(zhuǎn)速n=1 440 r/min；定子電阻R1=1.3Ω；轉(zhuǎn)子電阻R2=1.02Ω；電動(dòng)機(jī)定子自感Lr=0.074 H；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子自感Ls=0.071 H；定轉(zhuǎn)子互感Lm=0.067 H；電動(dòng)機(jī)極對數(shù)np=2；負(fù)載轉(zhuǎn)矩：TL=5 N?m；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J=0.000 4 kg/m2。

由異步電動(dòng)機(jī)模型可得到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線（圖2），電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線（圖3）。

圖2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線

圖3 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線

4.2 抽油機(jī)負(fù)載模型

抽油機(jī)中曲柄軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過四連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化成驢頭的上下直線運(yùn)動(dòng)[11]。由于平衡重負(fù)載力矩和抽油機(jī)驢頭懸點(diǎn)載荷呈現(xiàn)周期性的波動(dòng)，造成了抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)負(fù)載的復(fù)雜性。由驢頭懸點(diǎn)載荷的計(jì)算及其傳遞轉(zhuǎn)換兩方面探索抽油機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的求解。

抽油機(jī)異步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與減速器的輸入軸扭矩有以下公式（1）關(guān)系為

式中：Tri為減速器輸入軸扭矩，N·m；TL為電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m；ng為抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)上小皮帶轉(zhuǎn)速，r/min；nr為減速器大皮帶輪轉(zhuǎn)速，r/min。

式中：Tro為減速器的輸出轉(zhuǎn)矩；η2為減速器高速級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率；η3為減速器低速級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率；i2為減速器高速級(jí)傳動(dòng)比；i3為減速器低速級(jí)傳動(dòng)比。

減速器的輸出轉(zhuǎn)矩由兩部分組成，分別是油井負(fù)荷轉(zhuǎn)矩和曲柄平衡轉(zhuǎn)矩。

式中：Tp為油井負(fù)荷轉(zhuǎn)矩；Tc為曲柄平衡轉(zhuǎn)矩。

聯(lián)立公式（1）、（2）、（3）就可以得到電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩與抽油機(jī)系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系式（4）。

根據(jù)以上推導(dǎo)的抽油機(jī)負(fù)載關(guān)系式，用Simulink搭建抽油機(jī)負(fù)載模型（圖4）。

圖4 抽油機(jī)負(fù)載模型

4.3 光伏-儲(chǔ)能一體化系統(tǒng)模型

4.3.1 放電控制方法仿真與結(jié)果

蓄電池工作在放電狀態(tài)時(shí)，雙向DC/DC變換器工作在Boost模式，將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能放電仿真原理見圖5。設(shè)定光伏發(fā)電輸出電壓為550 V，蓄電池向直流母線提供電能，使直流母線電壓上升。

圖5 放電仿真原理

由仿真分析可知，放電時(shí)，光伏發(fā)電輸出550 V電壓，變流器工作于Boost升壓模式，升壓全控器件工作在PWM模式，降壓全控器件不工作。仿真初期光伏電源迅速給直流母線側(cè)供電，使電壓上升到550 V。蓄電池的放電控制根據(jù)給定直流母線電壓，通過控制升壓全控器件的開通與關(guān)斷，在升壓全控器件關(guān)斷時(shí)蓄電池給直流母線側(cè)供電，在升壓全控器開通時(shí)停止給直流母線側(cè)供電，從而控制直流母線電壓的上升。

4.3.2 充電控制方法仿真與結(jié)果

蓄電池工作在充電狀態(tài)時(shí)，雙向DC/DC變換器工作在Buck模式，具體充電過程仿真原理見圖6。設(shè)定光伏發(fā)電輸出電壓為600 V，直流母線向蓄電池充電，使直流母線電壓下降。

圖6 充電仿真原理

由仿真分析可知，充電時(shí)，光伏發(fā)電輸出600 V電壓，變流器工作于Buck降壓模式，Q2工作在PWM模式，Q1不工作。仿真初期光伏電源迅速給直流母線側(cè)供電，直流母線電壓達(dá)600V。蓄電池的充電控制根據(jù)給定直流母線電壓，通過控制Q2的開通與關(guān)斷，在Q2開通時(shí)直流母線側(cè)向蓄電池充電，在Q2關(guān)斷時(shí)停止給蓄電池充電，從而控制直流母線電壓的下降與蓄電池的。最終直流母線電壓能夠維持穩(wěn)定并達(dá)到額定電壓。

5 結(jié)語

本文介紹了抽油機(jī)的節(jié)能降耗需求以及常用措施，引入近年發(fā)展迅速的光伏發(fā)電技術(shù)以及儲(chǔ)能技術(shù)。儲(chǔ)能系統(tǒng)使用常規(guī)蓄電池，采用結(jié)構(gòu)簡單、易控制、易實(shí)現(xiàn)的非隔離式Buck/Boost雙向DC/DC變換電路對儲(chǔ)能裝置的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，組成光伏-儲(chǔ)能一體化系統(tǒng)，共同對抽油機(jī)進(jìn)行供電。通過MATLAB仿真進(jìn)行簡單的驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了蓄電池與光伏發(fā)電相配合對直流母線進(jìn)行充放電的控制，根據(jù)直流母線電壓水平控制蓄電池的充放電狀態(tài)，使直流母線電壓能夠穩(wěn)定在正常水平，一定程度上解決了可再生能源功率波動(dòng)的問題，并提高了能源利用率。