車久瑋 孫盛平 黃存

近日，我國首座深遠海浮式風電平臺“海油觀瀾號”成功并入文昌油田群電網(wǎng)，通過一根5千米長的動態(tài)海纜，向文昌油田群輸送綠色電力。這標志著我國深遠海風電關鍵技術取得重大進展，也代表海上油氣開發(fā)邁出進軍“綠電時代”的關鍵一步，開創(chuàng)海上風電為海上油氣設施供電的新型供電模式，并為我國海上油田群帶來了一場“綠色”供電革命。

新型供電模式“呼之欲出”

(資料圖片僅供參考)

眾所周知，海上油氣設施扎根于大海深處，無法直接從陸地電網(wǎng)引電，海上油氣設施的供電模式亟須探索與創(chuàng)新。多年來，從最初的海上油氣設施設置發(fā)電機組為油氣平臺孤島供電，到平臺之間通過海底電纜進行電力組網(wǎng)，再到開拓性地引電入海，實施三大岸電工程，海上油氣設施的供電模式逐步邁向高可靠性與清潔化。隨著中海油發(fā)布“雙碳”行動方案，要求“十四五”期間公司產(chǎn)業(yè)碳排放強度下降10%~18%，如何實現(xiàn)油氣生產(chǎn)期間的低碳排放供電成為當務之急。

在此背景下，中海油研究總院新能源研究院清潔電力設計團隊提出利用海上風電接入海上油田群電網(wǎng)，與現(xiàn)有發(fā)電機組組網(wǎng)，打造為海上油氣設施供電的新型供電模式。海上風電設施為零碳排放發(fā)電設施，使用風電供電能夠大幅減少伴生氣和原油的使用量，同時減少碳排放量，實現(xiàn)經(jīng)濟和降碳的雙重收益。

平臺安穩(wěn)供電面臨諸多挑戰(zhàn)

海上風電的源動力為自然界的風，風機的出力隨風速變化而波動，所以風電具有不可控性且波動性大的特點。“海油觀瀾號”漂浮式風電機組出力相比于常規(guī)固定式風電機組，其自身姿態(tài)還受到海洋洋流、波浪等因素的影響，導致其出力更加復雜。而油氣田生產(chǎn)工藝負荷需求相對比較固定。如何將“靠天吃飯”、出力不穩(wěn)定不可控的風機發(fā)出的電能引入油田群實現(xiàn)安全穩(wěn)定供電，設計人員面臨巨大挑戰(zhàn)。

電能需要隨時消納或存儲處理，當發(fā)出電力與負荷消納不平衡時，將影響電網(wǎng)的頻率、電壓等參數(shù)，從而影響油氣田供電穩(wěn)定性。為了實現(xiàn)發(fā)電和用電之間的電力平衡，研究團隊面對電網(wǎng)各種正常和非正常運行情況下的幾十種運行場景，采用電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真系統(tǒng)，利用年度時序測風數(shù)據(jù)，模擬風機實時出力，同時充分分析了油氣田各種燃油、燃氣發(fā)電機組的特性，選擇合適的發(fā)電機組開機和控制策略，快速精確控制燃油、燃氣發(fā)電機組出力隨風電機組出力進行補償調(diào)節(jié)，從而滿足油氣田負荷供電需求。當發(fā)生故障時，分析微秒級的電網(wǎng)電磁暫態(tài)數(shù)據(jù)，分層分級制定合理的應急預案措施，從而滿足油氣田供電。

此外，風力發(fā)電系統(tǒng)中，由于風速的不可控造成風力發(fā)電轉(zhuǎn)速變化大且不可控，因此風電機組一般多采用電子元件將其產(chǎn)生的不規(guī)范的交流電整流成直流電，再轉(zhuǎn)為50赫茲的交流電。而在此交—直—交轉(zhuǎn)化過程中往往伴隨著諧波等電能質(zhì)量問題，特別是當電網(wǎng)參數(shù)與風機產(chǎn)生諧波諧振耦合產(chǎn)生電網(wǎng)振蕩問題，將極大影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，因此需要對風機接入電網(wǎng)的正常和非正常運行情況下幾十種運行場景開展諧波分析，并對電網(wǎng)進行阻抗掃描找出可能存在的諧振點，有針對性地進行設計和規(guī)避。

合抱之木，生于毫末。為了將“海油觀瀾號”的風穩(wěn)穩(wěn)吹入文昌油田群，中海油研究總院新能源研究院電力設計團隊在國內(nèi)外缺乏成熟工程經(jīng)驗與設計方法的基礎上，開展了大量的理論研究和仿真計算工作，形成了海上風電接入油氣田電網(wǎng)的設計方法，同時也總結(jié)形成了《海上風電接入油氣田電網(wǎng)設計指南》，為后續(xù)海上風電接入油氣田電網(wǎng)工程設計開辟了理論道路。

能量管理系統(tǒng)亟須改造升級

除了在前期設計階段對風機接入進行仿真計算及系統(tǒng)分析之外，在風機后期運行時，還需要對其運行狀況、功率調(diào)節(jié)及能量管理進行全方位的監(jiān)控。這就需要對文昌油田群電網(wǎng)的EMS系統(tǒng)（EnergyManagementSystem，即能量管理系統(tǒng)）進行改造升級來滿足風機接入后系統(tǒng)的運行管理。EMS能量管理系統(tǒng)是一個面向發(fā)、輸、變、配用電各個環(huán)節(jié)的綜合自動化控制系統(tǒng)。通過EMS系統(tǒng)的管理控制能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)的快速響應和穩(wěn)定運行，當風電機組接入后，在原系統(tǒng)的基礎上新增風機監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對風力發(fā)電機的自動監(jiān)視和控制，在風電機組出力出現(xiàn)劇烈波動或者系統(tǒng)發(fā)生故障造成電力不平衡的情況下，EMS系統(tǒng)就會根據(jù)實際運行情況和預定的策略進行切機或者切負荷操作，使電力供應再次恢復平衡。

近期，國家能源局發(fā)布《加快油氣勘探開發(fā)與新能源融合發(fā)展行動方案（2023~2025年）》，對海上油氣供電模式提出了新要求，倡導以海上風電替代分散式燃氣燃油為油氣平臺提供綠色電力。

“海油觀瀾號”投產(chǎn)后，預計年發(fā)電量將達到2200萬千瓦時，每年可節(jié)省天然氣近1000萬立方米，每年可減少二氧化碳排放達2.2萬噸，為海上油氣開發(fā)使用“綠電”提供了新思路。隨著技術人員不斷進行技術探索，逐步提升新能源機組海上平臺供電比例，必將使海上綠色勘探開發(fā)成為可能。相信，隨著各大油田堅持綠色發(fā)展理念，海上風電與現(xiàn)有機組融合供電模式勢必迎來蓬勃發(fā)展的局面。（作者單位：中海油研究總院新能源研究院）

責任編輯：吳蘇靈

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