風電接入中原油田電網(wǎng)的節(jié)能研究

邢子豪

（華北電力大學）

在原油生產成本中，電費的使用占生產成本的三分之一，其中抽油機用電量占了大部分的比重，約為80%以上，而且隨著油田的進一步發(fā)展，在保障達標的產量上，提高生產效率，降低生產能耗顯得更為重要。因此，研究風電接入到油田電網(wǎng)對于油田的節(jié)能性能有著重要的意義，可以在油田中充分利用風能，進一步降低對電力的需求，從而實現(xiàn)“綠色油田”[1-3]。采用中原油田配電網(wǎng)模型，在部分變電系統(tǒng)中接入風電電源，應用電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD/EMTDC 對風力發(fā)電機接入中原油田電網(wǎng)進行建模和仿真，從而驗證了風電接入油田電網(wǎng)之后節(jié)能環(huán)保的正確性[4-6]。

1 風力發(fā)電現(xiàn)狀

我國的風力發(fā)電具有非常雄厚的風能資源基礎，其中陸地風能發(fā)電資源的風量達到260 GW 以上，而海洋風能資源則更高出陸地部分的3 倍以上。近年來，有國家能源政策的支持與扶持，已經有八個“千萬千瓦級風電基地”建立完成，極大地解決了我國部分地區(qū)用電壓力。隨著風電建設步伐快速發(fā)展，在未來會有越來越多的風電容量接入電網(wǎng)，但由于受到各方面因素影響，就目前而言，我國的風電產業(yè)在技術應用與綜合管理方面都還不夠完善，仍然處于起步階段，其中存在許多技術問題仍然需要解決[7-9]。

2 風力發(fā)電原理

風力發(fā)電系統(tǒng)將風的動能轉化成電能。這兩種能量形式不是直接轉化的，而是風力機吸收空氣的動能，將其轉化為軸上帶動發(fā)電機旋轉的機械能，這部分機械能再被發(fā)電機轉化為電能。

風力機從自然風中獲取風中的能量是有一定限制的。大部分的功率以尾流中的旋轉動能形式損失。能量的轉換將導致功率的下降，風力機的實際風能利用系數(shù)應小于0.593。風力機的實際有功功率：

式中：pm為風電發(fā)出的有功功率，MW；Cp為風能利用系數(shù)，ρ為空氣密度，kg/m3；υ3為風力機葉片掃過的面積，m2；葉尖速比和槳矩角β的函數(shù)。風能利用系數(shù)、葉尖速比、槳距角關系見圖1。

圖1 風能利用系數(shù)、葉尖速比、槳距角關系

葉尖速比為

式中：λ為葉尖速比；ω為風機旋轉角度，rad；R為風力機葉半徑，m；υ為風速，m/s。

在某一確定風速下，最大風能利用系數(shù)有唯一的風力機最佳轉速對應。不同風速下，最佳轉速是不同的。

3 中原油田電網(wǎng)模型搭建

中原油田以居民生活區(qū)為主，也供電給一些油田輔助生產單位和商業(yè)活動區(qū)域，并且油田中有很多電動機設備。為進一步研究風電接入油田節(jié)能，采用PSCAD 軟件對中原油田配電網(wǎng)進行建模，資料來源于設計以及現(xiàn)場數(shù)據(jù)，主要包括中原油田配電網(wǎng)的AutoCAD 電力接線圖、線路阻抗表和負荷統(tǒng)計表等數(shù)據(jù)。中原油田電網(wǎng)含有37 個變電站。其中有趙村變、柳屯變、呼沱變等7 個110 kV 變電站，胡狀變、煉廠變、中心變等30 個35 kV 變電站以及二號、四號、五號等電壓開閉所。中原油田的配電網(wǎng)絡系統(tǒng)已經正常仿真運行[10-12]。

4 仿真驗證分析

算例采用的是中原油田中由柳屯變電站和呼沱變電站等組成的柳屯呼沱變系統(tǒng)，以及由趙村變電站與盟城變電站組成的趙村變系統(tǒng)。其中，柳屯呼沱變系統(tǒng)包括柳屯變電站與呼沱變電站兩個110 kV變電站，馬寨變電站、煉廠變電站以及三氣變電站三個35 kV 變電站；趙村變系統(tǒng)包含110 kV 的趙村變電站和35 kV 的盟城變電站。風力發(fā)電機采用由風力渦輪機驅動的同步發(fā)電機。渦輪機是由風力調節(jié)器控制的，風源被用來模擬風速的波動。

4.1 柳屯呼沱變系統(tǒng)

加入風電前發(fā)電廠輸出有功功率波形見圖2，僅由傳統(tǒng)發(fā)電廠為系統(tǒng)提供電能，發(fā)電廠需要輸出約45 MW 的功率以保證系統(tǒng)電壓維持在正常水平。以柳屯變?yōu)槔^察接入風電前的系統(tǒng)電壓，三個電壓等級的母線電壓分別為109.5 kV、37.8 kV、6.2 kV，均在正常電壓范圍內，加入風電前柳屯變電壓波形見圖3。

圖2 加入風電前發(fā)電廠輸出有功功率波形

圖3 加入風電前柳屯變電壓波形

在柳屯變與呼沱變上方加入風電，與發(fā)電廠一起為系統(tǒng)提供電能，加入風電后發(fā)電廠輸出有功功率波形見圖4，發(fā)電廠只需要輸出約20 MW 的功率就可以保證系統(tǒng)電壓維持在正常水平，與接入風電之前的45 MW 下降了55.6%。同樣以柳屯變?yōu)槔^察接入風電后的系統(tǒng)電壓，三個電壓等級的母線電壓分別為109.7 kV、38 kV、6.2 kV，可知在加入風電后電壓有所上升，且均維持在正常電壓范圍內，加入風電后柳屯變電壓波形見圖5。

圖4 加入風電后發(fā)電廠輸出有功功率波形

圖5 加入風電后柳屯變電壓波形

同時，對比圖2 和圖4 可以發(fā)現(xiàn)，加入風電前發(fā)電廠的輸出有功功率波形平滑，而加入風電后有較為明顯的波動。這是由于風力發(fā)電機模擬了風速的波動性，使得發(fā)電廠的輸出需要與風力發(fā)電機的輸出相配合，從而造成了發(fā)電廠輸出功率的波動，圖5 的電壓波形平穩(wěn)，說明發(fā)電廠與風機共同輸出功率平穩(wěn)，系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行。

4.2 趙村變系統(tǒng)

再以趙村變系統(tǒng)為例進行驗證，在濮陽變電站110 kV 側接入風力發(fā)電系統(tǒng)，與電網(wǎng)電壓一起匯入母線。

接入測量元件，觀測接入風電前后系統(tǒng)母線電壓變化以及電網(wǎng)的輸出功率。在接入風電前后，母線電壓分別為109.57 kV、109.78 kV，幾乎沒有變化，說明電壓可以穩(wěn)定在110 kV 左右，在正常范圍內，加入風電前、后發(fā)電廠母線電壓波形見圖6、圖7。

圖6 加入風電前發(fā)電廠母線電壓波形

圖7 加入風電后發(fā)電廠母線電壓波形

在加入風電后，同樣所需發(fā)電廠的功率由原來的60 MW 降低到了35 MW，有功功率較接入之前下降了41.67%，加入風電前后發(fā)電廠輸出有功功率波形見圖8。說明在一定程度上風電可以替代火電為負載提供有功功率，大大減少了對傳統(tǒng)火電的依賴性。

圖8 加入風電前后發(fā)電廠輸出有功功率波形

通過對仿真結果進行分析，可以得出，加入風電后，在系統(tǒng)正常運行的前提下，針對柳屯呼沱變電系統(tǒng)，發(fā)電廠需要提供的輸出功率從45 MW 左右降低到20 MW 左右，風電的加入使發(fā)電廠出力降低了約55.6%，而趙村變系統(tǒng)中發(fā)電廠出力由60 MW降低到了35 MW，發(fā)電廠的出力降低了41.67%。剩余的系統(tǒng)所需功率則由風力發(fā)電機來提供，從而大大減少了利用傳統(tǒng)化石能源來發(fā)電的比例，達到了較為明顯的節(jié)能減排的效果。模擬風速的波動，實現(xiàn)了發(fā)電廠出力與風力發(fā)電的協(xié)調配合，更加符合真實情況。同時，加入風電后母線電壓有所上升，電壓偏差不超過額定電壓的±10%，維持在系統(tǒng)正常運行的范圍內。

5 結論與認識

通過PSCAD 搭建中原油田電網(wǎng)的基本模型并實現(xiàn)正常運行，并以中原油田的部分電網(wǎng)柳屯呼沱變?yōu)槔?，將風電接入該小系統(tǒng)，實現(xiàn)了傳統(tǒng)化石能源以及新能源共同發(fā)電來為電網(wǎng)供電，在電網(wǎng)正常運行的情況下，明顯降低了傳統(tǒng)化石能源的發(fā)電量，達到了油田電網(wǎng)節(jié)能降耗的目的，實現(xiàn)了風速波動情況下發(fā)電廠的輸出功率隨之波動的實際場景模擬，降低了發(fā)電成本，為風力發(fā)電在油田電網(wǎng)中的應用提供了思路。后續(xù)可以進一步考慮發(fā)電廠與風電配合的穩(wěn)定性與經濟性問題，進一步提高模型在實際應用中的效果。