大型儲能系統(tǒng)在風電場中的必要性及應用

楊海潮

摘 要：本文在分析儲能系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實例，闡述了10MW級大型儲能系統(tǒng)在風電場中的必要性及其應用方式。

關(guān)鍵詞：10MW儲能系統(tǒng)；風電場；棄風

中圖分類號：TM91 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）12-0176-02

1 風儲能必要性

2017年3月，國家能源局印發(fā)了《關(guān)于促進儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見（征求意見稿）》提出未來10年儲能領(lǐng)域的發(fā)展目標：十三五”期間，主要儲能技術(shù)達到國際先進水平，初步探索可推廣的商業(yè)模式。“十四五”期間，儲能項目廣泛應用，形成較為完整的產(chǎn)業(yè)體系，成為能源領(lǐng)域經(jīng)濟新增長點[1]。實際工程應用中為改善電網(wǎng)平衡，提高電能質(zhì)量效果，促進新能源電力就近消納，緩解棄風限電現(xiàn)狀，實現(xiàn)電網(wǎng)平滑輸出，加入一定比例儲能，可使原先風機變流器被限掉的能量，部分將通過儲能系統(tǒng)存儲下來，在低于風電場限發(fā)值時再饋送至電網(wǎng)。因此在一定程度上減少了“棄風”對風電場收益的影響。另外儲能系統(tǒng)在風電場中應用，使原來基本完全“剛性”的系統(tǒng)變得“柔性”起來，提供電網(wǎng)的錯峰能力，起到可再生能源平滑的作用，電網(wǎng)運行的安全性、靈活性和用戶用電的積極性、可靠性也會因此得到大幅度的提高。

國內(nèi)西北地區(qū)某新建100MW風電場周邊兩個已運行A、B風電場風速情況如表1所示。

該風電場所在區(qū)域風功率預測年平均精度如表2所示：

由于風電等新能源有功功率存在較大的隨機性，從上表可以看出，2016年和2017年該區(qū)域限電是比較高的，功率預測精度也比較低，通過電網(wǎng)公司的發(fā)電曲線和該風電場不帶儲能的發(fā)電曲線進行比較，進行合理的控制策略，為彌補這兩個曲線的差值，起到解決部分限電和調(diào)頻的問題，故在此新建100MW風電場按其10%的容量配置10MW的儲能系統(tǒng)，儲能時長按照1小時考慮設(shè)計。

2 儲能系統(tǒng)電氣接入方案

10MW儲能系統(tǒng)由5個儲能單元組成，每個儲能單元包含2臺1000kWPCS、1個2MWh蓄電池儲能單元、2套蓄電池管理系統(tǒng)和1臺40尺集裝箱。預裝式集裝箱中間隔斷分成儲能蓄電池室和設(shè)備室兩部分。蓄電池儲能單元和蓄電池BMS管理系統(tǒng)安裝在蓄電池室；儲能變流器和儲能控制柜安裝在儲能設(shè)備室；集裝箱內(nèi)配有溫控系統(tǒng)裝置、動環(huán)監(jiān)控裝置和動力配電箱。儲能系統(tǒng)按照1h充電容量考慮，可以滿足10MWh的存儲。可以根據(jù)風場調(diào)度進行充放電控制，實現(xiàn)風場電能的存儲與釋放；電池儲能系統(tǒng)配備先進的監(jiān)控系統(tǒng)作為電池管理單元，可以有效的對電池系統(tǒng)實時狀況進行監(jiān)控；可實現(xiàn)剩余容量和可充容量的監(jiān)測；電池儲能系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)支持多種通訊協(xié)議，支持OPC端口，可以與風場調(diào)度進行通訊[2]。儲能電池單元輸出的直流電經(jīng)變流器變換成頻率50HZ，電壓為380V的交流電，再通過5臺（副邊為雙分裂形式）35kV/0.54kV/0.54kV美式箱變進行升壓，每臺箱式變對應2個儲能單元，將變流器及電池接入35kV系統(tǒng)送至電網(wǎng)。

3 儲能系統(tǒng)配置

（1）儲能蓄電池：儲能電池種類很多，如鉛酸電池、鉛碳電池、鈉硫電池、液流電池、鋰離子電池等，每一種儲能電池都有其自身的特點，任何一種儲能技術(shù)都有一定的應用局限性和應用范圍。其中鋰離子電池能量密度大，平均輸出電壓高，自放電小，每月在2%以下（可恢復），沒有記憶效應，工作溫度范圍寬為-20℃～60℃。循環(huán)性能優(yōu)越、可快速充放電、充電效率高達100%，而且輸出功率大，使用壽命長，模塊化設(shè)計和安裝方式，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省安裝面積和空間，安裝維護方便，適用于大規(guī)模的調(diào)頻調(diào)峰等功能。故大型儲能系統(tǒng)一般推薦采用鋰離子的電池技術(shù)。（2）儲能變流器（PCS）是儲能系統(tǒng)的核心部分，它可以實現(xiàn)電池與電網(wǎng)間的交直流轉(zhuǎn)換，完成兩者間的雙向能量流動，并通過控制策略實現(xiàn)對電池系統(tǒng)的充放電管理、網(wǎng)測負荷功率跟蹤、電池儲能系統(tǒng)充放電功率控制和正常及孤島運行方式下網(wǎng)測電壓的控制；具有高轉(zhuǎn)換效率、寬電壓輸入范圍、快速并離網(wǎng)切換和方便維護等特點，同時具備完善的保護功能，如孤島保護、直流過壓保護和低電壓穿越（可選）等，滿足系統(tǒng)并、離網(wǎng)要求。（3）電池儲能監(jiān)控系統(tǒng)由單元管理系統(tǒng)（BUMS）及電池管理系統(tǒng)（BMS）組成，在儲能集裝箱內(nèi)對儲能系統(tǒng)進行就地監(jiān)控和管理，同時BUM系統(tǒng)配有通訊接口，可與風電場能量管理系統(tǒng)進行信息交互，接受風電場能量管理系統(tǒng)的統(tǒng)籌管理和指揮，并可以通過升壓站遠動通道與電力調(diào)度進行通信，將相關(guān)信息上傳電力調(diào)度及相關(guān)集控中心，并接受指揮。（4）儲能系統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)（BMS）組成：電池模組監(jiān)測裝置（BMU）、電池簇管理單元（BCMS）、直流監(jiān)控單元（DMU）、電池堆管理單元BAMS及顯示、監(jiān)控上位機等組成。BMS用于監(jiān)測、評估及保護電池運行狀態(tài)的電子設(shè)備集合，包括：監(jiān)測并傳遞鋰離子電池、電池組及電池系統(tǒng)單元的運行狀態(tài)信息，如電池電壓、電流、溫度以及保護量等；評估計算電池的荷電狀態(tài)SOC、壽命健康狀態(tài)SOH及電池累計處理能量等；保護電池安全等。（5）能量管理系統(tǒng)。能量管理系統(tǒng)EMS通過工業(yè)以太網(wǎng)與儲能子系統(tǒng)通信、BMS等裝置通信，操作站/工程師站通過以太網(wǎng)接入能量管理系統(tǒng)，能量管理系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與時鐘連接對整個系統(tǒng)進行準確對時。

4 儲能系統(tǒng)工作原理

在常規(guī)風電場中，當風電場接收到AGC下發(fā)的限功率指令時，風電場的監(jiān)控系統(tǒng)會將限功率的指令平均下發(fā)至每臺風機變流器，由風機變流器完成限功率的操作。當加入一定容量的儲能系統(tǒng)后，在風電發(fā)電時間段，風機變流器發(fā)出電量都通過儲能系統(tǒng)存儲起來。在風電場不限發(fā)時間段，則由儲能逆變器將鋰電池中的能量回饋到電網(wǎng)中，從而提高新能源利用率，實現(xiàn)電網(wǎng)平滑輸出。

5 儲能系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響

由于風力發(fā)電具有隨機性、間歇性，出力變化快的特點，大容量的風力發(fā)電裝置直接并網(wǎng)運行會對電網(wǎng)調(diào)度運行與控制帶來較大的影響，當總?cè)萘窟_到一定比例后甚至會給電網(wǎng)帶來穩(wěn)定問題。加入儲能系統(tǒng)可對電網(wǎng)帶來以下影響：

（1）平滑風電輸出，儲能裝置通過合理的充、放電控制，可以有效的抑制輸出功率為分鐘級的短期波動，平滑風電場的有功功率的輸出，滿足接入電網(wǎng)標準的規(guī)定。平滑接入控制方式所需儲能容量較小，配套儲能系統(tǒng)只需具備分鐘級的響應能力及充放電狀態(tài)的迅速切換能力，可應用于減少風力發(fā)電對系統(tǒng)穩(wěn)定以及電能質(zhì)量上的影響。（2）配合發(fā)電預測，風電場需要提前一段時間預測發(fā)電量上報給電網(wǎng)公司，再由電網(wǎng)公司做出發(fā)電計劃。但是實際發(fā)電量與預測發(fā)電量總是存在一定的偏差，進而造成電網(wǎng)發(fā)電計劃與風場實際發(fā)電量之間的缺口。在儲能型風電場中，該缺口可以由儲能系統(tǒng)存儲的能量彌補。（3）滿足電網(wǎng)調(diào)度需求，目前電網(wǎng)對風電場的調(diào)度模式是電網(wǎng)下達調(diào)度指令給風電場，風電場根據(jù)指令安排風電輸出；由于存在中間環(huán)節(jié)，電網(wǎng)的調(diào)度速度及準確性受到限制。儲能型風電場為電網(wǎng)調(diào)度中心設(shè)置了調(diào)度接口，可以靈活方便的和電網(wǎng)的遠程終端裝置和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)進行信息交互，接受電網(wǎng)調(diào)度自動化監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)度，可實現(xiàn)遙信、遙測、遙控和遙調(diào)。（4）低電壓穿越為了提高電網(wǎng)運行的可靠性，儲能型風電場具備低電壓穿越能力，在電網(wǎng)電壓出現(xiàn)異常跌落時不立即脫網(wǎng)，起到支撐電網(wǎng)的作用。

6 結(jié)語

在新能源發(fā)電項目中科學合理的配置一定容量的儲能系統(tǒng)，可以解決當前大規(guī)模新能源項目建設(shè)及運營時遇到的并網(wǎng)安全和有效消納問題，大規(guī)模儲能技術(shù)可調(diào)控風能發(fā)電的不穩(wěn)定、不連續(xù)性，實現(xiàn)安全、穩(wěn)定供電，是實現(xiàn)能源多樣化的核心技術(shù)。

參考文獻

[1]唐宏德，郭家寶，陳文升.風光儲聯(lián)合發(fā)電技術(shù)及其工程應用[J].電力與能源，2011，（1）：61-63.

[2]劉剛，梁燕，胡四全，等.電池儲能系統(tǒng)雙向PCS的研制[J].電力電子技術(shù)，2010，（10）：12-13.