風電場配套電化學儲能系統的設計研究

楊瑞睿，石 明

(上海勘測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運行的安全性、穩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、華北地區均出現了不同程度的“棄風限電”現象，不僅造成了風電電能的浪費，降低了業主的發電收益，同時也制約了風電行業這一新能源發電行業的健康發展。

儲能系統通過充、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，滿足接入電網相關標準的要求，參與電網的調峰、調頻，減少“棄風”現象，增加風電場業主的收益，并提高電力系統的安全性與穩定性。此外，合理配置儲能系統還能有效增強風電機組的低電壓穿越能力、增大電力系統的風電穿透功率極限值、改善風電場的電能質量及優化其經濟性，可大幅增加風能的利用率，符合國家大力發展的新能源戰略[2]。

電化學儲能是當前儲能行業的應用熱點，與其他儲能方式相比，電化學儲能具有儲能容量大、動態有功與無功支撐能力強、響應速度快、能量密度大和循環效率高等優勢，可用于提升風電場運行的靈活性，實現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的電氣設計方案，包括電化學儲能系統的設計方案及其電氣接入方案，以期為電化學儲能系統的規模化工程應用提供參考。

1 電化學儲能系統的設計方案

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

下文針對電化學儲能系統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、響應速度快等優勢，可在短時間內實現大功率快速放電，這3種技術多用于對電網調頻，以及對輸/配電網的電壓、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境友好、可節約用地面積、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、循環性能優越、可快速充放電且輸出功率大、使用壽命長的優勢，并具備先進的制造技術和嚴格的制造工藝，可實現模塊化設計和安裝。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的主流配置，因此本文提出的風電場配套電化學儲能系統采用磷酸鐵鋰電池。

1.2 PCS的設計

作為電化學儲能系統的核心組成部分，PCS是連接系統與儲能電池的電力電子接口設備，其控制儲能系統電壓和電流的交、直流變換，以實現系統和儲能電池間能量的雙向流動。同時，通過控制策略可實現對儲能電池的充放電管理、網側負荷功率跟蹤、電化學儲能系統的充放電功率控制，以及風電場正常及孤島運行方式下網側電壓的控制[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，實現對電化學儲能系統的優化管理，達到對電網負荷“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時，PCS工作在整流狀態，其將系統側的交流電轉換為直流電后存儲在電化學儲能系統中；當儲能電池處于放電狀態時，PCS工作在逆變狀態，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[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的安全性。

1.3 EMS的設計

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

通常，風電場配套電化學儲能系統中EMS后臺屏柜會放置在風電場的升壓站內。

1.4 BMS的設計

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

2 電化學儲能系統的電氣接入方案

2.1 電氣接入方案比選

電化學儲能系統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項目中，電化學儲能系統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不經過電化學儲能系統的升壓變壓器，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、BMS、電池控制柜、消防系統(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經電池控制柜匯流，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、監控配電柜和消防系統(滅火器)等。電化學儲能系統采用各套PCS 交流側直接并聯的方式，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接入上級電網。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，電化學儲能系統的集成化程度高、環境適應性強，可有效減少現場安裝調試及后期維護的工作量。

圖6 電化學儲能系統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。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 電化學儲能系統中供電系統的供電方式比選

電化學儲能系統的供電系統有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自取電的方式。

1)由站用變壓器提供工作電源的方式。根據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)電化學儲能系統自取電的方式。電化學儲能系統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的用電負荷，則推薦供電系統采用電化學儲能系統自取電的方式。

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GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范》的要求，電化學儲能系統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的所有設備，那么電化學儲能系統所在場地需考慮另外布置獨立避雷針。

電化學儲能系統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生事故帶電的金屬構件均需可靠接地。

2.5 時鐘同步系統

本文提出的電化學儲能系統的對時方式可采用網絡對時或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，用于實現升壓站內計算機監控系統、繼電保護及安全自動裝置等設備的時鐘同步，電化學儲能系統可以接入升壓站原對時設備。

2.6 不間斷電源(UPS)系統

電化學儲能系統的控制、保護等系統所需的不間斷電源(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級電化學儲能系統中應用，項目建設的靜態單位投資約為1.8元/kWh。按經營期平均上網電價為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、經濟可行性。

4 結論

本文基于風電場配套儲能系統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濟可行性。經過實際驗證，本文設計的電化學儲能系統具有一定的盈利能力。

綜上所述，此方案具備工程、技術、經濟可行性，可為后期電化學儲能系統規模化工程應用提供參考依據。