風電場配套電化學儲能系統(tǒng)的設計研究

楊瑞睿，石 明

(上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200335)

0 引言

隨著風電裝機容量的不斷擴增，風電輸出功率的間歇性、波動性和隨機性對電網(wǎng)運行的安全性、穩(wěn)定性和電能質量等造成了巨大的沖擊和影響[1]。我國西北、東北、華北地區(qū)均出現(xiàn)了不同程度的“棄風限電”現(xiàn)象，不僅造成了風電電能的浪費，降低了業(yè)主的發(fā)電收益，同時也制約了風電行業(yè)這一新能源發(fā)電行業(yè)的健康發(fā)展。

儲能系統(tǒng)通過充、放電控制，能對風電輸出功率的間歇性和波動性進行有效彌補，有效平滑風電輸出的有功功率的波動，以提高風電輸出功率的可控性，滿足接入電網(wǎng)相關標準的要求，參與電網(wǎng)的調峰、調頻，減少“棄風”現(xiàn)象，增加風電場業(yè)主的收益，并提高電力系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。此外，合理配置儲能系統(tǒng)還能有效增強風電機組的低電壓穿越能力、增大電力系統(tǒng)的風電穿透功率極限值、改善風電場的電能質量及優(yōu)化其經(jīng)濟性，可大幅增加風能的利用率，符合國家大力發(fā)展的新能源戰(zhàn)略[2]。

電化學儲能是當前儲能行業(yè)的應用熱點，與其他儲能方式相比，電化學儲能具有儲能容量大、動態(tài)有功與無功支撐能力強、響應速度快、能量密度大和循環(huán)效率高等優(yōu)勢，可用于提升風電場運行的靈活性，實現(xiàn)風電場在不同應用場景下的控制目標。因此，本文基于風電場配套儲能系統(tǒng)的理論研究和實際工程案例，提出了一套風電場配套電化學儲能系統(tǒng)的電氣設計方案，包括電化學儲能系統(tǒng)的設計方案及其電氣接入方案，以期為電化學儲能系統(tǒng)的規(guī)?；こ虘锰峁﹨⒖肌?/p>

1 電化學儲能系統(tǒng)的設計方案

本文所研究的電化學儲能系統(tǒng)主要包括儲能電池系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)(BMS)、電池控制柜、儲能變流器(PCS)、升壓變壓器、能量管理系統(tǒng)(EMS)、防雷及接地裝置等。

下文針對電化學儲能系統(tǒng)設計中最主要的儲能電池的選型、BMS的設計、PCS的設計、EMS的設計這幾部分進行詳細說明。

1.1 儲能電池的選型

根據(jù)能量的形式不同，全球的儲能技術路線主要分為物理儲能技術、電化學儲能技術和電磁儲能技術這3大類。其中，物理儲能技術包括抽水蓄能技術、壓縮空氣儲能技術、飛輪儲能技術等；電化學儲能技術包括鉛酸電池儲能技術、鉛碳電池儲能技術、鈉硫電池儲能技術、液流電池儲能技術、鋰離子電池(下文簡稱為“鋰電池”)儲能技術等；電磁儲能技術包括超導電磁儲能技術、超級電容器技術等[2-3]。

在上述儲能技術中，壓縮空氣儲能技術、抽水蓄能技術會受到地形限制的影響，且建設周期長，因此未在工程中得到廣泛地推廣應用；飛輪儲能技術、超級電容器技術及超導電磁儲能技術具有利用率高、響應速度快等優(yōu)勢，可在短時間內實現(xiàn)大功率快速放電，這3種技術多用于對電網(wǎng)調頻，以及對輸/配電網(wǎng)的電壓、有功功率作支撐等場景，但其作為典型的功率型儲能方式，比能量相對較低[4]。而電化學儲能技術具有環(huán)境友好、可節(jié)約用地面積、能量密度較大、利用率較高、建設周期短，以及施工相對簡單等優(yōu)勢，因此該類儲能技術受到了越來越多的關注[5]。其中，鋰電池儲能技術已成為全球儲能市場的主流技術路線。

鋰電池具有能量密度大、平均輸出電壓高、工作溫度范圍(約為-20～60 ℃)較大、循環(huán)性能優(yōu)越、可快速充放電且輸出功率大、使用壽命長的優(yōu)勢，并具備先進的制造技術和嚴格的制造工藝，可實現(xiàn)模塊化設計和安裝。當前，鋰電池中的磷酸鐵鋰電池已成為風電場配套電化學儲能系統(tǒng)的主流配置，因此本文提出的風電場配套電化學儲能系統(tǒng)采用磷酸鐵鋰電池。

1.2 PCS的設計

作為電化學儲能系統(tǒng)的核心組成部分，PCS是連接系統(tǒng)與儲能電池的電力電子接口設備，其控制儲能系統(tǒng)電壓和電流的交、直流變換，以實現(xiàn)系統(tǒng)和儲能電池間能量的雙向流動。同時，通過控制策略可實現(xiàn)對儲能電池的充放電管理、網(wǎng)側負荷功率跟蹤、電化學儲能系統(tǒng)的充放電功率控制，以及風電場正常及孤島運行方式下網(wǎng)側電壓的控制[6]。

典型的PCS的結構采用雙向變流器拓撲結構，以實現(xiàn)充電或放電時的雙向功率流動。PCS可對儲能電池進行充、放電的控制與管理，實現(xiàn)對電化學儲能系統(tǒng)的優(yōu)化管理，達到對電網(wǎng)負荷“削峰填谷”的效果。典型的PCS的結構示意圖如圖1所示。

圖1 典型的PCS的結構示意圖Fig. 1 Structure diagram of typical PCS

如圖1所示，當儲能電池處于充電狀態(tài)時，PCS工作在整流狀態(tài)，其將系統(tǒng)側的交流電轉換為直流電后存儲在電化學儲能系統(tǒng)中；當儲能電池處于放電狀態(tài)時，PCS工作在逆變狀態(tài)，其將儲能電池釋放的能量由直流轉換為交流回饋至外部系統(tǒng)[6]。PCS與升壓變壓器連接，使其具備升壓和電氣隔離的作用，從而提高了電化學儲能系統(tǒng)的安全性。

1.3 EMS的設計

EMS是整個電化學儲能系統(tǒng)協(xié)調控制及協(xié)調運行的核心部分。在滿足接入電網(wǎng)相關標準要求的前提下，結合電化學儲能系統(tǒng)的實際運行方式，EMS可實現(xiàn)對電化學儲能系統(tǒng)中各個設備的自動監(jiān)控和實時調節(jié)；同時，EMS集成了針對儲能電池和PCS的監(jiān)控軟件，可以完成對儲能電池和PCS的監(jiān)控。

通常，風電場配套電化學儲能系統(tǒng)中EMS后臺屏柜會放置在風電場的升壓站內。

1.4 BMS的設計

BMS除了可實現(xiàn)對電化學儲能系統(tǒng)中儲能電池的電力等相關參數(shù)實時監(jiān)測外，還可對儲能電池進行熱管理、漏電檢測、均衡管理及狀態(tài)管理等。根據(jù)BMS對電化學儲能系統(tǒng)實時參數(shù)的收集和分析結果，利用特定算法實現(xiàn)對儲能電池輸出功率的控制和對其充放電模式的優(yōu)化，從而提升電化學儲能系統(tǒng)的利用率。BMS通過RS485/232、串口、CAN總線等接口與電化學儲能系統(tǒng)的上位機、設備控制器、EMS、顯示系統(tǒng)等進行實時通信。

2 電化學儲能系統(tǒng)的電氣接入方案

2.1 電氣接入方案比選

電化學儲能系統(tǒng)接入風電場的電氣接入方式有2種：集中式接入方式和分散式接入方式。

在風電場配套電化學儲能系統(tǒng)項目中，電化學儲能系統(tǒng)采用集中式方式接入風電場的方案示意圖如圖2所示。該方案中，電化學儲能系統(tǒng)可直接接入風電場升壓變壓器的匯流母線，無需再占用風電場升壓變壓器的容量。

圖2 電化學儲能系統(tǒng)采用集中式方式接入風電場的方案示意圖Fig. 2 Schematic diagram of electrochemical energy storage system connected to wind farm in centralized mode

電化學儲能系統(tǒng)采用分散式方式接入風電場的方案示意圖如圖3所示。該方案中，PCS不經(jīng)過電化學儲能系統(tǒng)的升壓變壓器，與風電機組變流器在原風電機組升壓變壓器低壓側耦合。

圖3 電化學儲能系統(tǒng)采用分散式方式接入風電場的方案示意圖Fig. 3 Schematic diagram of electrochemical energy storage system connected to wind farm in decentralized mode

集中式接入方式和分散式接入方式的優(yōu)缺點對比如表1所示。

表1 集中式接入方式和分散式接入方式的優(yōu)缺點對比Table 1 Comparison of advantage and disadvantage between centralized connection mode and decentralized connection mode

在對2種電氣接入方式進行綜合分析后，考慮到風電場的整體控制與調度，以及電化學儲能系統(tǒng)集中運維、檢修時的運行模式，本文提出的風電場配套電化學儲能系統(tǒng)的電氣接入方式采用集中式接入方式。

2.2 電氣的總平面布置

電化學儲能系統(tǒng)采用集裝箱一體化設計，包括儲能電池集裝箱和PCS升壓變流一體箱。其中，儲能電池集裝箱內集成有磷酸鐵鋰電池簇系統(tǒng)、BMS、電池控制柜、消防系統(tǒng)(采用七氟丙烷滅火裝置)、空調、匯流柜等。磷酸鐵鋰電池簇系統(tǒng)經(jīng)電池控制柜匯流，接至PCS升壓變流一體箱中PCS的直流側。儲能電池集裝箱的平面布置示意圖如圖4所示。

圖4 儲能電池集裝箱的平面布置示意圖Fig. 4 Schematic diagram of plane layout of energy storagebattery container

PCS升壓變流一體箱內集成有PCS、升壓變壓器、負荷開關柜、監(jiān)控配電柜和消防系統(tǒng)(滅火器)等。電化學儲能系統(tǒng)采用各套PCS 交流側直接并聯(lián)的方式，通過升壓變壓器升壓，高壓側配置有負荷開關柜，便于電化學儲能系統(tǒng)接入上級電網(wǎng)。PCS升壓變流一體箱的平面布置示意圖如圖5所示。

本文設計的風電場配套電化學儲能系統(tǒng)推薦布置在風電場升壓站附近，儲能電池集裝箱和PCS升壓變流一體箱采用分行、分列的方式布置，每行、每列之間的凈距離不小于3 m。電化學儲能系統(tǒng)的典型平面布置示意圖如圖6所示。該布置方式下，電化學儲能系統(tǒng)的集成化程度高、環(huán)境適應性強，可有效減少現(xiàn)場安裝調試及后期維護的工作量。

圖6 電化學儲能系統(tǒng)的典型平面布置示意圖Fig. 6 Typical plane layout diagram of electrochemical energy storage system

當安裝電化學儲能系統(tǒng)的空間有限時，布置在戶外的儲能電池集裝箱可采用“背靠背”的布置方式，即在上、下2個儲能電池集裝箱中間設置一道防火墻，從而形成一組防火分區(qū)。該布置方式中，防火墻需滿足耐火極限不低于3 h的要求，且防火墻需高出集裝箱頂1 m，墻長不小于集裝箱兩側各1 m[7]。采用“背靠背”布置方式時儲能電池集裝箱的平面布置示意圖如圖7所示。

圖7 采用“背靠背”布置方式時儲能電池集裝箱的平面布置示意圖Fig. 7 Schematic diagram of plane layout of energy storage battery container when“back-to-back”arrangement is adopted

2.3 電化學儲能系統(tǒng)中供電系統(tǒng)的供電方式比選

電化學儲能系統(tǒng)的供電系統(tǒng)有2種供電方式，一種是由站用變壓器提供工作電源的方式，一種是電化學儲能系統(tǒng)自取電的方式。

1)由站用變壓器提供工作電源的方式。根據(jù)每套儲能電池集裝箱的用電需求，由配電室內的站用電屏向每套儲能電池集裝箱提供交流電源。

2)電化學儲能系統(tǒng)自取電的方式。電化學儲能系統(tǒng)中各電氣設備均采用自取電的方式下，可在PCS升壓變流一體箱內升壓變壓器低壓側配置1個自用電變壓器，給對應的PCS升壓變流一體箱和儲能電池集裝箱中各個電氣設備供電。

選擇供電系統(tǒng)的供電方式之前，需復核風電場的站用電容量在設計時是否考慮了電化學儲能系統(tǒng)中各個電氣設備的用電量。若站用電容量不能滿足電化學儲能系統(tǒng)的用電負荷，則推薦供電系統(tǒng)采用電化學儲能系統(tǒng)自取電的方式。

2.4 防雷與接地裝置的設計

1)防雷設計。為防止戶外配電裝置遭受雷擊，根據(jù)GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范》的要求，電化學儲能系統(tǒng)在設計時需復核風電場升壓站中避雷針防直擊雷的保護范圍，若其保護范圍無法完全覆蓋電化學儲能系統(tǒng)的所有設備，那么電化學儲能系統(tǒng)所在場地需考慮另外布置獨立避雷針。

電化學儲能系統(tǒng)采用的所有集裝箱均為金屬箱體，因此可以利用該箱體作為接閃帶，此時交流進線側均需裝設氧化鋅避雷器，對過電壓進行保護。

2)接地設計。按照GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》的要求，所有電氣設備外殼、開關柜接地母線及其他可能發(fā)生事故帶電的金屬構件均需可靠接地。

2.5 時鐘同步系統(tǒng)

本文提出的電化學儲能系統(tǒng)的對時方式可采用網(wǎng)絡對時或IRIG-B碼對時；若風電場升壓站已配置GPS/北斗星時鐘同步系統(tǒng)，用于實現(xiàn)升壓站內計算機監(jiān)控系統(tǒng)、繼電保護及安全自動裝置等設備的時鐘同步，電化學儲能系統(tǒng)可以接入升壓站原對時設備。

2.6 不間斷電源(UPS)系統(tǒng)

電化學儲能系統(tǒng)的控制、保護等系統(tǒng)所需的不間斷電源(UPS)由風電場升壓站一體化電源引接；電化學儲能系統(tǒng)的PCS升壓變流一體箱及儲能電池集裝箱中的控制柜均配有UPS。

3 實例驗證

本文提出的電化學儲能系統(tǒng)的電氣設計方案目前已在青海省某風電場配套的10 MW級電化學儲能系統(tǒng)中應用，項目建設的靜態(tài)單位投資約為1.8元/kWh。按經(jīng)營期平均上網(wǎng)電價為0.60元/kWh(含稅)計算，本項目全部投資財務內部收益率(稅前)約為10%，具有一定的盈利能力。此外，本文設計的電化學儲能系統(tǒng)的建設工期短、施工安裝難度相對較低，運行效果良好，因此具備技術、經(jīng)濟可行性。

4 結論

本文基于風電場配套儲能系統(tǒng)的理論研究并結合實際工程案例，提出了一套風電場配套電化學儲能系統(tǒng)的電氣設計方案，并在青海省某風電場中得到了應用。該風電場中，此電化學儲能系統(tǒng)所在場地緊鄰風電場的配套升壓站，因此該場地的地質構造也較為穩(wěn)定，施工建設條件良好，便于工程建設和運行維護，且電氣接入方案具備經(jīng)濟可行性。經(jīng)過實際驗證，本文設計的電化學儲能系統(tǒng)具有一定的盈利能力。

綜上所述，此方案具備工程、技術、經(jīng)濟可行性，可為后期電化學儲能系統(tǒng)規(guī)?；こ虘锰峁﹨⒖家罁?jù)。