基于電池儲能系統的風電機組極端工況備用電源的設計

韓 堅，王亞楠，顧偉峰

基于電池儲能系統的風電機組極端工況備用電源的設計

韓 堅，王亞楠，顧偉峰

（中國艦船研究院，北京 100020）

出于臺風等極端天氣致使電網失電的工況場景下風電機組的運行安全考慮，研究電池儲能系統作為風機用電備用電源，針對實際應用場景與用電負載，分別對儲能系統的容量、結構和運行模式進行了設計，并對其未來開發利用前景進行了展望。

風電機組 電池儲能系統 備用電源

0 引言

全球風電市場規模在過去十年幾乎翻了一番，成為最具成本競爭力和韌性的電力來源之一[1]。2020年北京國際風能大會提出“開發30億風電引領綠色發展落實‘30·60’目標”，推動風電產業高質量發展，為后疫情時代全球經濟綠色復蘇、構建零碳社會夯實基礎[2]。沿海及海上風能資源豐富，但臺風等極端天氣較為頻繁。當受臺風等極端天氣影響電網失電時，風機由于斷電無法主動偏航可能導致載荷過大問題，對風機運行安全造成一定隱患。因此，如何保障電網失電情況下風電機組偏航系統的正常運轉，是擺在風電行業面前的重要問題。

應對臺風災害天氣，在前期加強機組設計并結合控制策略優化提高機組抗臺風性能是基礎和關鍵，而配置備用電源則可以在電網失電的極端工況下確保偏航系統與控制系統的正常運行，降低機組極限載荷[3～5]。目前風電場一般將柴油發電機作為其機組的應急備用電源。但柴油發電機作為風電機組的備用電源存在以下問題：

1）認證要求高，成本較大。柴油發電機需要放置在機組塔筒外部，需要額外的集裝箱類設備安裝空間和風機周邊征地。海上應用時，系統標準要求高，通常需要符合中國船級社認證要求，費用造價高。

2）非在線式供電，日常維護量大。風電機組正常運行時，柴油發電機處于冷備用狀態，無法實現自動的狀態監測和反饋，需要對設備進行定期啟動測試與維護保養[6]，運維工作量大。

3）柴油發電機采用柴油作為能源，存在排氣、廢油、漏油、儲油、噪音帶來的環境污染和安全隱患問題。因此，有必要為風電機組開發設計一種經濟性好、運行可靠且安全環保的備用電源，來保證風機運行安全。

電池儲能系統控制靈活，技術成熟，將其作為風電場備用電源是當前新能源技術的重要應用方向[7～9]。電池儲能系統包括電池系統、儲能變流器（PCS）、電池管理系統（BMS）、監控系統等組成。系統可采用高度集成設計技術，保證散熱的情況，做到高防腐、小尺寸，可以布置在風機塔筒內部，有效減少基礎建設成本。特別的，近幾年隨著鋰電池技術的發展，出現了工作溫度范圍-20℃～60℃、能量密度達到140 Wh/kg以上、常溫1C條件下循環壽命達到3000次以上，且自放電小，沒有記憶效應，可快速充放電的磷酸鐵鋰電池產品[9～10]，可以滿足風機內部應用的環境溫度要求，且安全性高，基本無起火、爆炸等安全事故風險，可以為儲能變流器提供高功率密度的儲能單元。另外，電池儲能系統可在線式供電，并離網切換時間短，具有自動的狀態監測和反饋，定期維護工作量小。

本文以金風4S平臺機組為例，針對其風機備用電源的應用場景與設計需求，提出一個較為成熟的電池儲能系統作為風電機組極端工況備用電源的設計方案。

1 備用電源的選型與電氣結構設計

1.1 容量與功率配置

風電機組的備用電源主要作用是在電網失電的極端工況下為風機提供電能，保證風機控制系統與偏航系統的短時持續可靠運行。本文備用電源的容量與功率配置設計主要參考臺風型風力發電機組設計標準，保證機組至少6小時備用供電[4]。

備用電源的負載包括控制系統的長期工作負荷和偏航系統電機成組啟動負荷兩類。參考金風4S平臺機組，負載數據見下：

1）控制系統長期工作負荷測試數據為10 kW/13 kVA；

2）偏航系統電機成組啟動負荷參數如下：

①電機額定工況下，額定輸入功率為23.28 kW；額定容量30 kVA；

②電機堵轉工況下，瞬態功率為96 kW；瞬態容量為155 kVA；注：偏航電機為全電壓直接啟動，啟動瞬間可以視為電機堵轉工況。

參考文獻[11]計算長期連續運行所需容量見公式（1）～（3）：

其中，c為有功功率，kW；c為無功功率，kvar；c為視在功率，kVA；∑M為連續運行的電動機額定功率之和，kW；∑m為連續運行的靜止負荷之和，kW；1為運算系數，取0.9；2為運算系數，取0.32～0.52；tanM為電動機正常運行時的功率因數，取0.86；tanm為靜止負荷的功率因數，取0.8。

根據實際負荷數據和式（1）～（3）計算得到：

P=26.15 kW，Q=22.18 kVar，S=34.29 kVA

確定備用電源的額定容量：

其中，fe為額定有功功率，kW；fe為額定無功功率，kvar；fe為額定視在功率，kVA。

如果使用柴油發電機作為備用電源，需要檢驗柴油發電機短時過載能力：

其中，Qm為成組啟動時負荷的最大值，kVA；GF為發電機短時過負荷系數，取1.5。

因此柴油發電機的容量應不小于104 kVA。

如果采用UPS、EPS和儲能變流器等電力電子型備用電源時，

1）電動機直接啟動情況下，電源容量應為同時工作的電機容量5倍以上考慮，備用電源容量應不小117 kW；

2）電動機變頻啟動情況下，電源容量應為同時工作的電機總容量的1.1倍，備用電源容量應不小于26 kW。

表1 空氣溫度相對濕度對照表

本文考慮的備用電源采用磷酸鐵鋰電池+儲能變流器的方案，機組偏航電機采用全電壓直接啟動方式，因此儲能變流器的額定功率選擇120 kW。根據機組測試數據，偏航持續時間按照每1小時2次180°（2×16分鐘）偏航計算，備用電源需滿足不小于6小時供電，鋰電池能量計算為84 kWh。

考慮系統放電效率（含制冷散熱等自用電）與電池放電深度，本文設計的備用電源容量為100 kWh，額定功率150 kW。

1.2 電氣結構設計

基于電池儲能系統設計的備用電源的一大優勢為可以放置在風機塔筒內部。參考金風4S平臺機組鋼制塔架的尺寸與平臺布局，考慮國內外安規設計的逃生與維護空間要求，以及海運集裝箱的尺寸限制，設備的尺寸（寬×深×高）需控制在2.3 m×1.0 m×2.2 m以內。電池采用多個電池單元串聯，電池電壓寬范圍可調。為了更好的延長電池壽命，設備柜體采用全封閉結構，內部空調溫濕度控制，防護等級高，可適用在沿海/海上惡劣環境。備用電源的模型見圖1。

圖1 備用電源模型圖

目前風電機組采用半年檢與年檢的運維方案，由于空調的配置，需要額外考慮空調冷凝水的排放問題。下面簡要分析計算冷凝水量。考慮空調啟停溫濕度分別設置在35℃、90%與25℃、60%，參考下表空氣溫度相對濕度對照表，計算得出產生的冷凝水總量約為50 g。

由于空調配置了蒸發器，根據所選型的蒸發器蒸發曲線（見圖2），蒸發器1小時的蒸發量≥120 g，遠大于柜內凝露水量50.14 g，因此推斷塔筒內不會存在冷凝水的積存問題。通過理論計算，空調的冷凝水量較少，但前提為柜體的密封性較好。柜體有較好的密封性，蒸發器是完全可以解決冷凝水的問題。如柜體沒有密封或密封性很差，柜內有源源不斷的濕空氣進入，那冷凝水也就源源不斷，當每小時水量≥120 g時，蒸發器的作用也將失效。因此設備柜體要有可靠的密封性。密封措施考慮如下：①柜板、柜門與骨架之間的密封處理；②電池柜與PCS柜骨架之間的密封；③空調與柜板側板安裝孔之間的密封處理；④進出線孔處的防火密封處理。

圖2 蒸發器蒸發量曲線圖

2 備用電源的總體設計

作為風電機組的備用電源，最重要的功能是需要考慮電網掉電后的快速切換，因此需要備用電源具有黑啟動功能，且通過合理的配電回路和監控設計，實現電網狀態監控、掉電后備用電源的啟動給風機偏航系統與控制系統供電等操作。為了實現這一功能，備用電源為風機負載供電的總體設計如圖3所示。

備用電源的運行模式主要有并網模式與離網模式。通過電網狀態的實時監控與風機主控系統的通訊，備用電源自動切換運行模式。

1）并網模式：當風電機組正常運行時，備用電源運行在并網模式。此時與機組串聯的開關器件（如斷路器）閉合，電網給備用電源供電，給電池組充電。運行原理圖如圖4。

圖3 備用電源為風機負載供電的總體設計圖

圖4 并網運行原理圖

2）離網模式：當風機預警系統通過遠程通信，給機組下發極端工況運行指令，此時備用電源自檢并實時監控電網狀態獲取是否掉電信息，電網掉電后斷開與機組串聯的開關器件，運行狀態切換至離網模式，根據風況與風機狀態給偏航或機組其他設備供電。運行原理圖如圖5。

圖5 離網運行原理圖

采用電池儲能系統作為機組備用電源，在非極端工況期間可以視作機組具有在線UPS功能，當低電壓穿越期間可以為風機控制系統提供穩定的控制電源，這樣可以節省機組內部的交流和直流UPS電源，節省部分成本；另外還可以給機組提供小風待機時的自用電功能，同時在用電低谷期充電，用電高峰期發電，進一步減少風電場的自用電成本。

3 結論

本文研究了電池儲能系統作為風電機組備用電源的設計方案。本文以金風4S平臺機組為例，首先進行了備用電源容量和功率的配置選型，然后通過設備尺寸與結構的分析設計，使其滿足風機內部布置要求，可良好匹配各類沿海與海上風電機組，最后介紹了備用電源的總體控制設計以及其他開發應用前景。

[1] 全球風能理事會. 2021年全球風能報告[R]. 2021.

[2] 風能北京宣言開發30億風電, 引領綠色發展, 落實“30·60”目標[J]. 2020(11): 34-35.

[3] 黃冬明, 張鐵, 曹人靖, 等. 風電機組抗臺風技術策略與應急管理[J]. 風能, 2017(08): 72-76.

[4] GB/T 31519-2015, 臺風型風力發電機組[S].

[5] 劉星. 颶風對離岸風場影響巨大, 需進一步優化風機極限設計[J]. 電氣技術, 2019, 20(05): 6.

[6] 鄭明, 楊源, 沈云, 等. 海上風電場孤網狀態下的備用柴油發電機方案研究[J]. 南方能源建設, 2019, 6(01): 24-30.

[7] 趙靜, 萬瑞妮, 郭敏, 朱月. 電池儲能系統在并網風電場運行中的協調控制研究[J]. 電器與能效管理技術, 2020(10): 71-76.

[8] 白樺, 王正用, 李晨, 許寅. 面向電網側、新能源側及用戶側的儲能容量配置方法研究[J]. 電氣技術, 2021, 22(01): 8-13.

[9] 周芳, 劉思, 侯敏. 鋰電池技術在儲能領域的應用與發展趨勢[J]. 電源技術, 2019, 43(02): 348-350.

[10] 梅成林, 趙偉. 磷酸鐵鋰電池在變電站的應用安全性分析及其系統設計[J].電氣技術, 2019, 20(06): 70-73.

[11] 中國航空規劃設計研究總院有限公司. 工業與民用供配電設計手冊[M]. 北京: 中國電力出版社, 2016.

Design of Backup Power Supply System for Wind Turbine Units Based on Battery Energy Storage

Han Jian, Wang Yanan, Gu Weifeng

(China Ship Research and Development Academy, Beijing 100020, China)

TM614

A

1003-4862（2021）07-0027-04

2021-04-15

韓堅（1979-），男，碩士研究生，工程師，研究方向：電氣工程及控制系統設計。E-mail：shjjsh@qq.com