計及風電接入的海上油氣田能源系統分層調控

李志川,楊季平,孫兆恒,李子航,劉靜,劉龍飛,徐憲東

(1.中海油能源發展股份有限公司清潔能源分公司,天津市 300459;2.天津大學電氣自動化與信息工程學院,天津市 300072)

0 引 言

海上油氣產業是目前世界上主要的能源支柱行業之一[1]。海上油氣生產每年消耗約5%的自產油氣,保障海上油氣田生產供能[2]。在消耗大量化石能源的同時,還伴隨著大量二氧化碳等氣體排放[3]。隨著全球氣候變化日益加劇,世界各國均出臺了一系列節能減排法案,促進各行各業低碳轉型[4]。作為全球能源供應的重要一環,海上油氣產業在保障油氣生產供應的同時,還要積極尋求低碳轉型,降低生產過程中的碳排放[5]。海上風電發展迅速,海上油氣運營商正探索將海上油氣田與海上風電聯合開發,降低生產成本和二氧化碳排放[6]。

海上油氣田電網通過燃氣/燃油透平發電機、燃氣壓縮機、輸油泵與燃氣傳輸網、原油傳輸網形成了電力-燃氣-原油密切互動的多異質能流網絡[7]。海上風電具有隨機性和波動性[8-9],為海上油氣田電網安全穩定運行帶來了挑戰。海上風電出力的隨機性和波動性導致電力生產的隨機性和波動性[10-11],燃氣/燃油透平發電機組需要實時調整出力,平抑海上風電的隨機性和波動性。此時,發電機組所消耗的燃氣和原油量也在不斷變化,對燃氣和原油輸送產生影響。此外,不可避免地導致燃氣壓縮機和輸油泵電力負荷的隨機性和波動性地變化。因此,海上風電并網的海上油氣田電網安全穩定運行需要充分考慮海上風電隨機性和波動性的影響。

目前還未有正在運行的海上風電并網的海上油氣田項目,相關研究還很不充分。文獻[12]構建了孤島運行和連接岸電兩種海上油氣田電網運行形式,并通過電磁暫態仿真研究了海上油氣田電網與海上風電集成的可行性。文獻[13]構建了一種海上油田鉆井平臺與海上風電并網的孤島運行系統,基于海上風電功率和油田鉆井平臺負荷預測結果研究了海上風電對海上油田鉆井平臺碳排放的影響,指出海上風電對海上油田鉆井平臺節能減排具有重要意義。文獻[14]從海上油氣田CO2/NOx氣體減排、電網運行穩定性、風電并網的技術實施難度三個方面研究了海上風電場與海上油氣田并網的可行性。文獻[15]重點研究了海上油氣田與海上風電并網的有功功率管理問題,提出通過風電慣量模擬、有功-頻率控制等方式提升海上油氣田電網運行安全性。文獻[16]研究表明儲能系統能很大程度上提升海上風電并網的海上油氣田系統的暫態穩定性。文獻[17]考慮以年為周期的優化調度問題,分析了儲能-風電-透平發電機之間協同的功率和能量匹配關系,并對不同負荷水平、不同風電滲透率場景下的方案進行了技術經濟性分析。文獻[18]提出了一種面向風電消納的海上油氣平臺能源系統低碳運行調度方法,量化了風電最惡劣場景下的爬坡靈活性需求和燃氣發電機的爬坡靈活性供應。然而,上述研究并未能解決海上風電隨機性和波動性對海上油氣田安全穩定運行的影響。

從廣義上來說,海上油氣田電網是屬于一種互聯型孤島運行模式微電網,與此結構相似的含新能源微電網優化運行已有相關研究。風電等新能源接入的微電網的優化運行已有相關研究。文獻[19]通過負荷側需求響應提升微電網運行安全和經濟性。文獻[20]和文獻[21]通過單一尺度到多時間尺度實現新能源并網的優化調度,降低了新能源長時間不確定性和短時間不確定性的影響。文獻[22]和文獻[23]通過日內-日前兩階段魯棒優化有效降低了源荷不確定性對優化調度的影響。然而,上述研究并未消除不確定性新能源出力預測誤差對系統運行的影響。

上述研究并未充分考慮海上油氣田自身特征。一方面,海上油氣田能源結構與傳統微電網和配電網在源網荷與結構特征等方面存在顯著性差異,包括作為用電負荷的燃料生產系統同時也是供電系統的一次能源,以及平臺間相對長距離的海底電纜造成的多電源分散互聯特征;另一方面,不同于以電力電子為主要動態特性的風光儲微電網,海上油氣田微電網在一段時間以內仍然以多臺燃氣透平發電機為主要動態,結合風機變流器和原動機動態特性,體現出典型的多尺度動態特性,有必要在運行調度過程加以考慮,以有效應對風電預測誤差等導致的系統運行波動[20]。由于燃氣/燃油發電機組對短時的功率波動響應速度有限[24],海上風電并網的海上油氣田風電消納成為亟待解決的難題。

鑒于此,本文提出基于燃氣/燃油透平發電機與儲能協同的海上油氣田電網分層協調運行控制策略,解決多時間尺度系統下的海上風電隨機性和波動性平抑問題,提升海上油氣田電網對海上風電的消納水平。首先,本文構建了考慮海上風電并網的海上油氣田綜合能源系統模型。在此基礎上,提出基于飽和濾波器算法的計及透平發電機組和儲能系統動態協同的功率快速分配策略和分層調控框架,以平抑海上風電多時間尺度下的隨機性和波動性。最后,基于我國北部某海上油氣田系統,驗證了所提方法的可行性。

1 互聯海上油氣田綜合能源系統

1.1 結構介紹

海上油氣田系統是集海上油氣生產、匯集、輸送為一體的產集輸系統。為提升油氣生產和輸送的效率,降低運營成本,海上油氣田通常由多個海上油氣平臺通過海底電纜、海底油氣管道互聯,形成一個多平臺互聯的海上油氣平臺群綜合能源系統[25]。傳統保障海上油氣田正常運行的供電系統主要包括燃氣/燃油透平發電機組、燃氣壓縮機、輸油泵等設備。為提升海上油氣田的清潔化水平,目前海上油氣田企業正在探索將海上風電介入到傳統海上油氣田綜合能源系統中,如圖 1所示。

1.2 設備模型與運行約束

1.2.1 透平發電機

在海上油氣田供能系統中,燃氣/燃油透平發電機運行要滿足以下功率約束條件:

(1)

(2)

(3)

(4)

[Pgt,i(t)]2+[Qgt,i(t)]2≤(Sgt,i)2,i∈Ωgt

(5)

[Pdt,i(t)]2+[Qdt,i(t)]2≤(Sdt,i)2,i∈Ωdt

(6)

由于海上油氣田綜合能源系統存在高比例的大容量感應電機[26],它們在啟動的時候通常需要消耗2～3倍額定功率的有功功率。因此,海上油氣田的發電機組要能夠滿足這類大功率負載啟動時的有功功率需求。此外,海上油氣田的透平發電機組還要留出足夠的熱備用功率滿足發電機N-1故障以及風電功率與負荷共同引起的凈負荷波動。海上油氣田中所有透平發電機組還要滿足如下約束條件:

(7)

(8)

式中:PNgt,i(t)和PNdt,i(t)分別為燃氣透平發電機和燃油透平發電機在時刻t的額定有功功率;PL,i(t)和PNL,i(t)分別為電負荷在時刻t的有功功率和額定功率;ΩL為電負荷的集合;β為正常運行時系統熱備用比例。

此外,燃氣透平發電機和燃油透平發電機的燃料消耗與輸出有功功率滿足如下約束條件[27]:

Mgt,i(t)=agtPgt,i(t)+bgtPNgt,i,i∈Ωgt

(9)

Mdt,i(t)=adtPdt,i(t)+bdtPNdt,i,i∈Ωdt

(10)

式中:Mgt,i(t)和Mdt,i(t)分別為燃氣透平發電機和燃油透平發電機在時刻t的耗氣量和耗油量;PNgt,i和PNdt,i為燃氣和燃油透平發電機的額定容量;agt、bgt、adt和bdt為燃料-功率輸出特性方程的系數,可由實驗數據得到。

1.2.2 燃氣壓縮機

在正常運行時,燃氣壓縮機要滿足以下約束條件[28]:

(11)

Qgc,i(t)=Pgc,i(t)tanφgc,i,i∈Ωgc

(12)

[Pgc,i(t)]2+[Qgc,i(t)]2≤(SNgc,i)2,i∈Ωgc

(13)

1.2.3 輸油泵

正常運行時,輸油泵要滿足以下約束條件[29]:

(14)

Qop,i(t)=Pop,i(t)tanφop,i,i∈Ωop

(15)

[Pop,i(t)]2+[Qop,i(t)]2≤(SNop,i)2,i∈Ωop

(16)

1.2.4 海上風電

海上風電運行滿足如下約束:

(17)

(18)

(19)

(20)

式中:Ωwt表示所有海上風電的集合;Pwt,i(t)和Qwt,i(t)分別為風電時刻t的有功功率和無功功率;λlead,wt,i和λlag,wt,i分別為風電的超前功率因數和滯后功率因數邊界。

1.2.5 海上油氣田電網絡

海上油氣田通常由多個油氣平臺組成,如果平臺之間的海纜距離很長,則海纜充電電容效應需要詳細考慮[30]。海上油氣田電網絡需要滿足以下約束條件:

(21)

(22)

式中:Pi(t)和Qi(t)分別為電網絡各節點在時刻t注入的有功功率和無功功率;Vi(t)和Vj(t)為在時刻t支路兩端的節點電壓的幅值;δij(t)為在時刻t支路兩個節點之間的相角差;Gij和Bij為支路電導和電納。

1.2.6 儲能系統

受海上油氣田空間、承重和消防安全限制,儲能容量配置不宜過大,本文選用功率型儲能系統,僅用于平抑海上風電接入后油氣田電網的頻率波動,不參與日前和日內優化調度。儲能系統在參與系統運行的過程中需要滿足以下約束條件[31]:

(23)

(24)

(25)

1.3 模型求解

所提優化調度策略中,式(21)和(22)為非線性約束,采用文獻[32]所提方法進行線性化,轉換后的日前優化調度模型是混合整數線性規劃模型,日內優化模型是線性規劃模型,對于轉換后的優化模型本文采用商業軟件GUROBI進行求解。

2 計及燃機和儲能動態協同的分層調控框架

2.1 分層調控策略架構

為降低海上風電隨機性和波動性對海上油氣田系統調度的影響,本文提出采用日前調度和日內優化修正的協同調度策略平抑風電小時級的長時間波動。

基于日前海上風電日前預測結果的調度策略輸出海上油氣田系統的透平發電機啟停策略,避免海上風電造成頻繁的機組啟停影響正常油氣生產?；诔唐诤Ｉ巷L電預測結果,日內優化修正策略能在一定程度上降低海上風電隨機性和波動性對燃氣或燃油發電機組出力造成頻繁的大幅波動,進而減小海上風電接入對發電機組運行壽命的影響。

進一步,本文提出在優化調度策略的基礎上,利用儲能系統的快速響應特性來解決超短期海上風電預測不能體現的短期海上風電功率波動問題。由于海上油氣平臺的空間和安全限制,不能配置大容量的儲能。因此,本文所提調控策略中,儲能僅參與短時功率調控,不參與優化調度。至此,本文所提出適用于海上風電并網的海上油氣田綜合能源系統分層調控策略如圖 2所示。

2.2 優化調度層

2.2.1 日前優化調度

海上油氣田綜合能源系統的日前優化調度策略,是以實現系統運行最少燃料成本和最小電壓偏差的多目標優化策略。其目標函數如下:

(26)

(27)

(28)

(29)

式中:Cgas和Coil分別為一天內天然氣消耗總成本和燃油消耗總成本;DV為一天內所有母線電壓總偏差;C∑0為天然氣和燃油消耗總成本的基準值,通過以最小燃料成本為目標的日前優化調度求得;V∑0為電壓總偏差的基準值,通過以最小電壓偏差為目標的日前優化調度求得;w1和w2為燃料成本和電壓偏差優化目標的權重,分別取0.5;Δt和NT為日前優化調度的優化步長和段數;cgt和cdt分別為天然氣和燃油的單位成本;Mgt,i,j為燃氣發電機i在第j個Δt時天然氣的消耗速率;Mdt,i,j為燃油發電機i在第j個Δt時的燃油的消耗速率;ne為電力網絡所有母線的集合;Vi,j為母線i在第j個Δt時的電壓幅值。

2.2.2 日內優化調度修正

海上風電具有隨機性和波動性,受限于現有預測技術的準確性,日內優化調度根據超短期風電預測結果對日前優化調度策略進一步修正。一方面有利于提升發電機組對風電隨機性和波動性的平抑能力;另一方面,還能降低海上風電引起的頻繁功率調節對透平發電機組運行壽命的影響。本文在日內調度步長區間內設置了透平發電機與儲能協同策略,共同支撐風電接入后的海上油氣田電網供需平衡。儲能系統不參與日內調度,不同日內調度步長間無相互影響,不需做多步長前瞻優化。因此,海上油氣田日內優化調度的目標函數如下:

(30)

(31)

(32)

(33)

2.3 基于飽和濾波器的風電功率平抑策略

盡管通過日內調度對海上風電的隨機性和波動性進行了修正平抑,但透平發電機組對短時的功率波動響應能力有限。為進一步提升海上油氣田系統運行的電能質量,保障海上油氣田生產設備運行效率,本文提出基于飽和濾波器的風電功率平抑策略。

儲能支撐的透平發電機風電功率調節原理如圖3所示,該策略的主要思想是利用儲能的快速功率響應能力彌補透平發電機短時間功率響應速率較慢的不足。當風電功率增加時,儲能快速充電,并隨著透平發電機出力不斷減小,儲能充電功率逐漸減小。反之,當風電功率減小時,儲能快速放電,并伴隨著透平發電機出力不斷增加,儲能放電功率逐漸減小。

所提策略通過巴特沃斯濾波器將風電預測誤差產生的功率Pwt,err進行分解,低頻信號Pwt2tur分配給燃氣/燃油發電機組響應,高頻信號Pwt2es分配給功率型電儲能響應,如圖4所示。其中,儲能初始功率參考值Pes,target和飽和環節用來保證儲能系統始終運行在最優的荷電狀態;Ptur,set和Pes,set為透平發電機和儲能系統的參考功率。濾波器的時間常數可通過如下方式進行評估[33]:

(34)

(35)

(36)

(37)

3 算例分析

3.1 系統參數

如圖5所示,以我國北方某海上油氣田電網為例進行研究。該海上油氣田電網包含四個海上油氣田平臺,平臺1-A和平臺1-B與平臺2-A和平臺2-B通過一條15 km海底電纜相連。海上油氣田電網主要含有5條母線,其中,母線5和母線5′距離很近,二者視為同一條母線。海上油氣田電網共包含9臺燃氣/燃油透平發電機組。其中,燃氣透平發電機組2臺(G1和G2),單臺額定容量為5 MVA;燃油透平發電機組7臺(G3—G9),單臺額定容量為1.5 MVA。海上油氣田在平臺1-A接入一臺5 MW海上風電,風電24 h出力典型曲線如圖6所示。海上油氣田配置有額定功率分別為0.6 MW和0.3 MW的燃氣壓縮機各2臺,額定功率0.3 MW的輸油泵2臺。海上風電的日出力實時數據如圖7所示。風電的日前預測和日內超短期預測的結果,時間分辨率分別為1 h和15 min。海上油氣田正常負荷約為7 MW,如圖8所示。

3.2 結果分析

3.2.1 日前調度分析

根據海上風電和海上油氣田負荷日前預測結果,通過日前優化調度策略得到海上油氣田電網的各發電機的日前調度結果,如圖9所示。同時,海上油氣田電網日前優化調度中電壓水平如圖10所示。

圖1 海上油氣田綜合能源系統結構Fig.1 Structure of offshore oil and gas field integrated energy system

圖2 海上油氣田綜合能源系統分層調控策略Fig.2 Hierarchical control strategy for offshore oil and gas field integrated energy system

圖3 儲能支撐的透平發電機風電功率調節原理Fig.3 Principe of using energy storge system to support turbine generator to host wind power

圖4 基于飽和濾波器的控制算法示意圖Fig.4 Schematic diagram of control algorithm based on saturated filter

圖5 海上油氣田電網結構Fig.5 Structure of offshore oil and gas field power system

圖6 海上風電24 h出力數據Fig.6 Offshore wind power in 24 hours

圖7 海上風電日前和日內預測結果Fig.7 Day-ahead and intraday forecast results of offshore wind power

圖8 海上油氣田日前和日內負荷預測數據Fig.8 Day-ahead and intraday forecast results of power load in offshore oil and gas field

圖10 電網電壓日前優化調度結果Fig.10 Day-ahead optimal scheduling results of voltage

圖11 透平發電機組日內優化調度結果Fig.11 Intraday optimal scheduling results of turbine generators

圖12 電網電壓日內優化調度結果Fig.12 Intraday optimal scheduling results of voltage

圖13 透平發電機組出力變化情況Fig.13 Power variation of turbine generators

從圖9中可以發現,海上油氣田電網中兩臺燃氣透平發電機(G1和G2)全開,且運行在較高的功率水平。而燃油透平發電機(G6和G7)運行在較低水平。這是因為燃氣透平發電機相對于燃油透平發電機的燃料成本更低。同時,基于所提日前優化調度策略能保證海上油氣田電網電壓始終運行在安全范圍內,電壓偏差始終維持在-3%～2%之內。

3.2.2 日內調度分析

為對日前優化調度中海上風電的隨機性和波動性進行修正,根據海上風電和海上油氣田負荷的日內預測結果,重新對透平發電機組進行調度和對電網電壓科學管理。所得修正后的透平發電機出力狀況和電壓水平分別如圖 11和圖 12所示。

海上風電日內預測結果相比于日前預測更能反映海上風電真實出力狀況?？梢钥闯鲈?2時—24時期間,海上風電出力較大并且功率波動也很大,這部分波動功率基本上都是由兩臺燃氣透平發電機組進行平抑。通過對比圖 9和圖 11,燃油透平發電機組的出力和變化情況相比于日前優化調度差別不大。通過所提日內優化策略對海上風電不確定性帶來的預測誤差的修正,電網電壓依舊能維持在安全的水平,最大電壓偏差都維持在-3%～2%之間。

3.2.3 風電平抑策略分析

根據式(34)選擇濾波器的時間常數為5 s,電儲能最大充放電功率為2 MW?；诤Ｉ巷L電真實的出力曲線,利用所提風電平抑策略對海上風電實時出力曲線進行跟蹤。透平發電機組總有功參考值和實時出力變化曲線如圖 13所示。儲能的出力曲線如圖 14所示。電網頻率的實時變化曲線如圖 15所示。

基于所提風電平抑策略能夠解決海上風電隨機性和波動性的問題,透平發電機組能夠快速跟蹤參考指令,儲能可以快速響應功率參考值變化,最終實現電網頻率實時穩定在安全范圍內,頻率偏差不超過±0.05 Hz。

從圖14中發現,為了響應風電功率短時快速波動,儲能大量頻繁地快速充放電,將顯著影響能量型儲能的運行壽命。本文推薦選取超級電容器等功率型儲能或混合儲能,以兼顧本文所提策略對儲能頻繁充放電能力和長壽命周期的需求。

圖14 儲能出力變化情況Fig.14 Power variation of energy storage system

圖15 電網頻率變化情況Fig.15 Power system frequency variation

4 結 論

1)為解決海上風電并網的海上油氣田風電消納難題,本文提出計及風電接入的海上油氣田能源系統分層調控策略。通過日前-日內協同的調度策略和基于飽和濾波器的透平發電機-儲能快速功率分配策略解決海上風電隨機性和波動性問題。所提策略有效解決了海上風電隨機性和波動性問題,實現了接入海上風電完全消納,頻率偏差不超過±0.05 Hz,電壓偏差不超過±5%,保證了系統功率平衡、頻率和電壓安全,并實現了海上油氣田綜合能源系統燃料成本最小化。

2)基于本文所提分層調控策略,儲能系統將會面臨頻繁充放電。超級電容器等功率型儲能或混合儲能更適用于滿足海上油氣田安全經濟運行對儲能系統頻繁充放電能力和長壽命周期的需求。

為了推動海上風電與海上油氣田并網的落地示范應用,未來還要結合海上油氣田平臺空間、承重、消防安全、透平發電機和儲能全壽命周期投資與運維成本等問題詳細研究海上油氣田儲能優化配置問題。