風電場內電化學儲能系統的應用設計研究

季石宇 徐展鵬 馮玉始 汪贊斌

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司）

0 引言

隨著能源轉型的加快推進，接入高比例可再生能源已成為電網發展的必然趨勢，先進儲能技術成為電網適應高比例可再生能源接入的重要選擇。與此同時，新的先進儲能技術不斷涌現，技術經濟性在不斷提升，儲能技術在電網的應用領域日益廣泛［1，2］。

在諸多儲能形式中，電化學儲能發展迅速，成為最具應用潛力的一類儲能技術，其憑借高安全性、MW／MWH規模的容量、數千次以上的高循環壽命、靈活配置、響應迅速和便于集成的設備形態的優點適用于改善大規模可再生能源出力特性受到了行業內外的廣泛關注［3，4］。

近年，我國陸續出臺《關于提升電力系統調節能力的指導意見》等多項政策，積極推進儲能在電力系統中的應用。在可再生能源發電側應用領域，寧夏物價局在《自治區物價局關于我區清潔供暖用電價格有關問題的通知》中鼓勵清潔供暖用電電量積極參與電力市場交易，按照有關規定完成保障性收購的前提下，鼓勵儲熱、儲能企業與風電、光伏發電企業開展直接交易，建立長期穩定且價格較低的供用電關系［5，6］。

鑒于電化學儲能處于蓬勃發展的趨勢，尤其是在光伏、風電等可再生能源發電側的應用將會愈加廣泛，本文以風電場內電化學儲能系統的應用設計為例，探討電化學儲能系統的關鍵設計要點，給出一種風電場內電化學儲能系統設計方案。

1 風電場并網現狀分析

由于風力資源的波動性，風電場很難保證發電質量，一方面風力發電的波動性會使得與電網負荷的匹配度較差，從而存在棄風現象；另一方面也會對電網的供電可靠性產生影響。

風電場的棄風是由于風力發電的波動性與電力負荷的不匹配性引起的，當電網負荷需求量較少時，風電可能會造成棄風現象。據報道，2018年，全國新增裝機容量達到2114.3萬kW，同比增長7.5%；累計裝機容量約2.1億kW，同比增長11.2%。雖然目前風電規模龐大，但是全國范圍內的棄風現象仍然十分嚴重。2018年全國風電平均利用小時數2095h；全年棄風電量277億kWh，平均棄風率7%。

風電場由于波動性較大，對電網可靠性影響較大，隨著風電滲透率的提高，國家也出臺了對風電場發電功率的考核政策，國家能源局西北監管局發布了《西北區域發電廠并網運行管理實施細則》及《西北區域并網發電廠輔助服務管理實施細則》，細則提出對并網運行的風電場功率預測、超短期功率預測準確度進行考核，當考核不合格時將會對風電場罰款。目前，部分電場的月平均準確率僅為80%。

從上述分析可以看出，風電場內由于風電波動性的原因，會造成風電場內存在較為嚴重的棄風現象；另外，國內對電網預測精度考核更加嚴格，預測精度不足會帶來較重的懲罰。為此，風電場內通過布置電化學儲能系統平滑風電場內波動，從而既可以減少風電場棄風，也可以減少預測精度低所帶來的影響。

2 電化學儲能系統設計

電化學儲能系統的設計主要包括電池設備的選型設計、電氣設計以及能量管理系統設計。

2.1 電池選型設計

儲能電池種類多，性能特點各不同。當前主流電化學儲能技術有鉛酸電池（鉛炭電池）、鋰離子電池、液流電池和鈉硫電池等，其性能特點和經濟性各不相同，目前尚未有某一種技術能夠完全滿足循環壽命、可規模化、安全性、經濟性和高效性五項儲能關鍵技術指標。下面對儲能應用中主流的幾種儲能介質進行對比如表1所示。

表1 各電池類型設計方案比較

從上述指標來看，沒有一項技術能夠在各個方面都占據優勢，而從目前市場上的應用來看，鉛炭電池、鋰電池是當前發展較快、有望率先帶動儲能商業化的電化學儲能技術。其中鉛炭電池屬于能量型電池，鋰電池屬于功率型電池。以風電場儲能需求而言，由于風電場需要能夠在短時間內實現對風功率預測偏差的補償，需要具有快速的放電能力，因此選擇采用功率型電池，從而保證能夠快速地補償預測偏差，而作為功率型電池中使用規模較大，技術較為成熟的鋰電池，其技術路線多，儲能更注重安全性和長期成本。與動力鋰電池相比，儲能用鋰電池對能量密度的要求較為寬松，但對安全性、循環壽命和成本要求較高。從這方面看，磷酸鐵鋰電池是現階段各類鋰離子電池中較為適合用于儲能的技術路線，目前已投建的鋰電儲能項目中大多也都采用這一技術。此外，鈦酸鋰電池因其超長的循環壽命也受到廣泛關注，隨著未來技術成本降低，有望在儲能領域實現規模化應用，但目前由于其成本太高，而且規模化程度較低，目前儲能系統項目設計不采用鈦酸鋰電池。相比其他鋰電池來說，磷酸鐵鋰電池至少具有以下五大優點：

（1）更高的安全性

鋰材料都會在到達一定溫度時發生分解，如其他鋰材料 （鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰）會在更低的200℃左右發生分解，而磷酸鐵鋰材料是在300℃左右。并且其他鋰電池等鋰材料的化學反應更加劇烈，會釋放氧分子，在高溫作用下電解液迅速燃燒，發生連鎖反應。說簡單點，就是鋰材料比磷酸鐵鋰材料更容易著火。圖1為不同材料熱分解溫度和釋放的能量，從橫坐標可看出磷酸鐵鋰材料分解溫度高，縱坐標可看出磷酸鐵鋰材料釋放的能量低，所以磷酸鐵鋰材料更加安全。

圖1 不同材料熱分解溫度和釋放的能量

（2）更長的使用壽命

磷酸鐵鋰電極材料是目前最安全的鋰離子電池正極材料，其循環壽命達到2000次以上。

（3）不含任何重金屬和稀有金屬（原材料成本低）

不含鈷等貴重元素，原料價格低且磷、鐵存在于地球的資源含量豐富，不會有供料問題。

（4）支持快速充放電

磷酸鐵鋰產業成熟度更高，支持快速的充放電。

（5）工作溫度范圍廣

磷酸鐵鋰電池相比其他鋰電池，工作溫度范圍更廣，尤其是高溫下充放電性能更好。

2.2 電氣設計

對于在已有風電場內增加儲能電站的設計，儲能系統一般需要接入35kV等級。目前，風電場配備儲能的主要需求是為了實現對其預測精度不準確而造成的罰款考核。根據風電場現有的發電數據及預測發電曲線來看，風電場預測曲線與發電數據誤差多在5MW 以內，為此儲能系統準備配置5MW 系統，而考慮到目前儲能系統的穩定性和經濟性，采用1C充放電倍率的電池，即準備配置5MW／5MWh系統。由于工程規劃需求，第一期系統接入2MW／2MWh儲能系統，為此本文展開對2MW／2MWh儲能系統電氣接入方案的研究。

對于2MW／2MWh的儲能系統，根據現有技術成熟度，可以分為四個儲能單元，每個儲能單元的額定容量為500kW／500kWh，每個儲能單元通過500kW 的PCS接入到風電場系統之中，對于2MW／2MWh的儲能系統其接入方案主要包括以下三種，如圖2所示。

1）儲能單元串聯后直接通過35kV變壓器后接入到風電場內，該方案只需要在原有的風電場內增加一面35kV開關柜，對配電房的改造較少，該方案接線簡明清晰，布置簡單方便，易于擴展，經濟性較好，除35kV匯流電纜及35kV環網柜外儲能單元任何元件故障或檢修，僅引起該單元停運，故障或檢修影響范圍小，運行可靠性及靈活性高。

2）儲能單元首先通過10kV變壓器變壓后串接，并通過35kV變壓器接入風電場母線，該方案采用10kV電纜將儲能電源鏈接起來，降低了環網柜和電纜及儲能升壓變的電壓等級，節約了集裝箱內空間及設備造價，同時可靠性與方案一相同。但卻增加了一臺35kV／6300kVA的戶外油浸變壓器，同時風電場增加了10kV電壓等級的設備。

3）儲能單元分別接入到風電場內，該方案接線簡明清晰，布置簡單方便，易于擴展，一期和二期儲能單元互不影響，相比方案一減少2回35kV聯絡線，同時能降低35kV匯流電纜和35kV環網柜故障影響范圍；儲能單元的可靠性與方案一相同。但是需要有兩回35kV電纜接入風電場母線，電纜較長，且由于需要增加兩面開關柜，對現有配電房改造牽扯面大。

從技術角度分析，方案一可靠性及靈活性較優，35kV接入風電場母線方便，也并沒有給原有風電場帶來較大的改造難度，因此方案一作為風電場內儲能電站接線方案較為合適。

從經濟性角度而言，三個方案的經濟性主要差別在于設備投資，具體的投資情況如表2所示。從表中可以看出，儲能單元之間的設備投資差異不大，方案二相對較為經濟性，但考慮到方案二在技術上需要增加一個電壓等級，從而會給運維人員帶來后期的運維難度，因此綜合考慮技術性和經濟性，采用方案一作為儲能系統接入方案。

表2 儲能單元接線方案可比投資比較表

圖2 電氣接線方案對比

2.3 能量管理系統設計

風電場內儲能系統的能量管理系統是一套具有發電優化調度、負荷管理、實時檢測并自動實現微電網內源和負荷同步等功能的能量管理軟件，實現對電化學儲能單元的控制管理和優化調度，從而實現儲能系統與風電場聯合工作，保證風電出力的平穩。因此需要具備以下功能。

1）分層控制，集中管理，對各儲能單元數據進行全面、多維度統計對比分析，從而確保能夠給風電場提供調度依據。

2）實現儲能系統的無人值守，電化學儲能系統數據自動上傳，實現數據無縫對接，減少人工上報數據工作量，降低誤報、錯報、漏報概率。

3）各系統各模塊之間具有相對的獨立性，可自由配置，同時又可以無縫對接，整個系統具有很強的可擴展性，方便增加新的系統功能。

4）EMS可遠程和本地對設備進行設置，峰谷模式、備電模式、指令模式、定制模式多種模式可選。

EMS系統對上與風電場內調度系統通信，對下通過本地能量管理系統與電池的BMS系統連接，獲取BMS系統提供的電池監測數據，從而能夠迅速根據風電場的調度命令和監測數據完成各個儲能單元的能量分配，具體的結構如圖3所示。

圖3 EMS通信結構

3 結束語

隨著電池成本的不斷降低、風電等新能源利用率的提升，電網越來越迫切需要風電場能夠平穩地發電，電化學儲能是解決這一難題的最優方法之一。本文給出了一種風電場內電化學儲能的設計方案，考慮到儲能系統運行經濟性、安全性選擇了適合的電池，并且對比多種電氣接線方案，選擇較為適合風電場布置、接線要求的電氣接線方案，將給風電場內儲能系統的設計提供良好的借鑒。但是本文的設計方案尚缺乏對電池系統消防系統設計的研究，后續將對電化學儲能消防系統設計進行更深入的研究。