風(fēng)電場(chǎng)配套電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

楊瑞睿，石 明

(上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335)

0 引言

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

儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)充、放電控制，能對(duì)風(fēng)電輸出功率的間歇性和波動(dòng)性進(jìn)行有效彌補(bǔ)，有效平滑風(fēng)電輸出的有功功率的波動(dòng)，以提高風(fēng)電輸出功率的可控性，滿(mǎn)足接入電網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，參與電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻，減少“棄風(fēng)”現(xiàn)象，增加風(fēng)電場(chǎng)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(chǔ)能系統(tǒng)還能有效增強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力、增大電力系統(tǒng)的風(fēng)電穿透功率極限值、改善風(fēng)電場(chǎng)的電能質(zhì)量及優(yōu)化其經(jīng)濟(jì)性，可大幅增加風(fēng)能的利用率，符合國(guó)家大力發(fā)展的新能源戰(zhàn)略[2]。

電化學(xué)儲(chǔ)能是當(dāng)前儲(chǔ)能行業(yè)的應(yīng)用熱點(diǎn)，與其他儲(chǔ)能方式相比，電化學(xué)儲(chǔ)能具有儲(chǔ)能容量大、動(dòng)態(tài)有功與無(wú)功支撐能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、能量密度大和循環(huán)效率高等優(yōu)勢(shì)，可用于提升風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的靈活性，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的控制目標(biāo)。因此，本文基于風(fēng)電場(chǎng)配套儲(chǔ)能系統(tǒng)的理論研究和實(shí)際工程案例，提出了一套風(fēng)電場(chǎng)配套電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)方案，包括電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及其電氣接入方案，以期為電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的規(guī)模化工程應(yīng)用提供參考。

1 電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

本文所研究的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括儲(chǔ)能電池系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)(BMS)、電池控制柜、儲(chǔ)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(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最主要的儲(chǔ)能電池的選型、BMS的設(shè)計(jì)、PCS的設(shè)計(jì)、EMS的設(shè)計(jì)這幾部分進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

1.1 儲(chǔ)能電池的選型

根據(jù)能量的形式不同，全球的儲(chǔ)能技術(shù)路線(xiàn)主要分為物理儲(chǔ)能技術(shù)、電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)和電磁儲(chǔ)能技術(shù)這3大類(lèi)。其中，物理儲(chǔ)能技術(shù)包括抽水蓄能技術(shù)、壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)、飛輪儲(chǔ)能技術(shù)等；電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)包括鉛酸電池儲(chǔ)能技術(shù)、鉛碳電池儲(chǔ)能技術(shù)、鈉硫電池儲(chǔ)能技術(shù)、液流電池儲(chǔ)能技術(shù)、鋰離子電池(下文簡(jiǎn)稱(chēng)為“鋰電池”)儲(chǔ)能技術(shù)等；電磁儲(chǔ)能技術(shù)包括超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能技術(shù)、超級(jí)電容器技術(shù)等[2-3]。

在上述儲(chǔ)能技術(shù)中，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)、抽水蓄能技術(shù)會(huì)受到地形限制的影響，且建設(shè)周期長(zhǎng)，因此未在工程中得到廣泛地推廣應(yīng)用；飛輪儲(chǔ)能技術(shù)、超級(jí)電容器技術(shù)及超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能技術(shù)具有利用率高、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)，可在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大功率快速放電，這3種技術(shù)多用于對(duì)電網(wǎng)調(diào)頻，以及對(duì)輸/配電網(wǎng)的電壓、有功功率作支撐等場(chǎng)景，但其作為典型的功率型儲(chǔ)能方式，比能量相對(duì)較低[4]。而電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)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(shè)周期短，以及施工相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，因此該類(lèi)儲(chǔ)能技術(shù)受到了越來(lái)越多的關(guān)注[5]。其中，鋰電池儲(chǔ)能技術(shù)已成為全球儲(chǔ)能市場(chǎng)的主流技術(shù)路線(xiàn)。

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(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，并具備先進(jìn)的制造技術(shù)和嚴(yán)格的制造工藝，可實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)和安裝。當(dāng)前，鋰電池中的磷酸鐵鋰電池已成為風(fēng)電場(chǎng)配套電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的主流配置，因此本文提出的風(fēng)電場(chǎng)配套電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)采用磷酸鐵鋰電池。

1.2 PCS的設(shè)計(jì)

作為電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心組成部分，PCS是連接系統(tǒng)與儲(chǔ)能電池的電力電子接口設(shè)備，其控制儲(chǔ)能系統(tǒng)電壓和電流的交、直流變換，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和儲(chǔ)能電池間能量的雙向流動(dòng)。同時(shí)，通過(guò)控制策略可實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能電池的充放電管理、網(wǎng)側(cè)負(fù)荷功率跟蹤、電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電功率控制，以及風(fēng)電場(chǎng)正常及孤島運(yùn)行方式下網(wǎng)側(cè)電壓的控制[6]。

典型的PCS的結(jié)構(gòu)采用雙向變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)充電或放電時(shí)的雙向功率流動(dòng)。PCS可對(duì)儲(chǔ)能電池進(jìn)行充、放電的控制與管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化管理，達(dá)到對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷“削峰填谷”的效果。典型的PCS的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 典型的PCS的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure diagram of typical PCS

如圖1所示，當(dāng)儲(chǔ)能電池處于充電狀態(tài)時(shí)，PCS工作在整流狀態(tài)，其將系統(tǒng)側(cè)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電后存儲(chǔ)在電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中；當(dāng)儲(chǔ)能電池處于放電狀態(tài)時(shí)，PCS工作在逆變狀態(tài)，其將儲(chǔ)能電池釋放的能量由直流轉(zhuǎn)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(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性。

1.3 EMS的設(shè)計(jì)

EMS是整個(gè)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制及協(xié)調(diào)運(yùn)行的核心部分。在滿(mǎn)足接入電網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，結(jié)合電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行方式，EMS可實(shí)現(xiàn)對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)控和實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)；同時(shí)，EMS集成了針對(duì)儲(chǔ)能電池和PCS的監(jiān)控軟件，可以完成對(duì)儲(chǔ)能電池和PCS的監(jiān)控。

通常，風(fēng)電場(chǎng)配套電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中EMS后臺(tái)屏柜會(huì)放置在風(fēng)電場(chǎng)的升壓站內(nèi)。

1.4 BMS的設(shè)計(jì)

BMS除了可實(shí)現(xiàn)對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)能電池的電力等相關(guān)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外，還可對(duì)儲(chǔ)能電池進(jìn)行熱管理、漏電檢測(cè)、均衡管理及狀態(tài)管理等。根據(jù)BMS對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)時(shí)參數(shù)的收集和分析結(jié)果，利用特定算法實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能電池輸出功率的控制和對(duì)其充放電模式的優(yōu)化，從而提升電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的利用率。BMS通過(guò)RS485/232、串口、CAN總線(xiàn)等接口與電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的上位機(jī)、設(shè)備控制器、EMS、顯示系統(tǒng)等進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。

2 電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的電氣接入方案

2.1 電氣接入方案比選

電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)接入風(fēng)電場(chǎng)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(fēng)電場(chǎng)配套電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)項(xiàng)目中，電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)采用集中式方式接入風(fēng)電場(chǎng)的方案示意圖如圖2所示。該方案中，電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)可直接接入風(fēng)電場(chǎng)升壓變壓器的匯流母線(xiàn)，無(wú)需再占用風(fēng)電場(chǎng)升壓變壓器的容量。

圖2 電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)采用集中式方式接入風(fēng)電場(chǎng)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(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)采用分散式方式接入風(fēng)電場(chǎng)的方案示意圖如圖3所示。該方案中，PCS不經(jīng)過(guò)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的升壓變壓器，與風(fēng)電機(jī)組變流器在原風(fēng)電機(jī)組升壓變壓器低壓側(cè)耦合。

圖3 電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)采用分散式方式接入風(fēng)電場(chǎng)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(diǎn)對(duì)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(diǎn)對(duì)比Table 1 Comparison of advantage and disadvantage between centralized connection mode and decentralized connection mode

在對(duì)2種電氣接入方式進(jìn)行綜合分析后，考慮到風(fēng)電場(chǎng)的整體控制與調(diào)度，以及電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)集中運(yùn)維、檢修時(shí)的運(yùn)行模式，本文提出的風(fēng)電場(chǎng)配套電化學(xué)儲(chǔ)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(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)采用集裝箱一體化設(shè)計(jì)，包括儲(chǔ)能電池集裝箱和PCS升壓變流一體箱。其中，儲(chǔ)能電池集裝箱內(nèi)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(diào)、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(cè)。儲(chǔ)能電池集裝箱的平面布置示意圖如圖4所示。

圖4 儲(chǔ)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(nèi)集成有PCS、升壓變壓器、負(fù)荷開(kāi)關(guān)柜、監(jiān)控配電柜和消防系統(tǒng)(滅火器)等。電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)采用各套PCS 交流側(cè)直接并聯(lián)的方式，通過(guò)升壓變壓器升壓，高壓側(cè)配置有負(fù)荷開(kāi)關(guān)柜，便于電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)接入上級(jí)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(shè)計(jì)的風(fēng)電場(chǎng)配套電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)推薦布置在風(fēng)電場(chǎng)升壓站附近，儲(chǔ)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(xué)儲(chǔ)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(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的集成化程度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可有效減少現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試及后期維護(hù)的工作量。

圖6 電化學(xué)儲(chǔ)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(dāng)安裝電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的空間有限時(shí)，布置在戶(hù)外的儲(chǔ)能電池集裝箱可采用“背靠背”的布置方式，即在上、下2個(gè)儲(chǔ)能電池集裝箱中間設(shè)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(mǎn)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(zhǎng)不小于集裝箱兩側(cè)各1 m[7]。采用“背靠背”布置方式時(shí)儲(chǔ)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(shí)儲(chǔ)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(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中供電系統(tǒng)的供電方式比選

電化學(xué)儲(chǔ)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(xué)儲(chǔ)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(chǔ)能電池集裝箱的用電需求，由配電室內(nèi)的站用電屏向每套儲(chǔ)能電池集裝箱提供交流電源。

2)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)自取電的方式。電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中各電氣設(shè)備均采用自取電的方式下，可在PCS升壓變流一體箱內(nèi)升壓變壓器低壓側(cè)配置1個(gè)自用電變壓器，給對(duì)應(yīng)的PCS升壓變流一體箱和儲(chǔ)能電池集裝箱中各個(gè)電氣設(shè)備供電。

選擇供電系統(tǒng)的供電方式之前，需復(fù)核風(fēng)電場(chǎng)的站用電容量在設(shè)計(jì)時(shí)是否考慮了電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中各個(gè)電氣設(shè)備的用電量。若站用電容量不能滿(mǎn)足電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的用電負(fù)荷，則推薦供電系統(tǒng)采用電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)自取電的方式。

2.4 防雷與接地裝置的設(shè)計(jì)

1)防雷設(shè)計(jì)。為防止戶(hù)外配電裝置遭受雷擊，根據(jù)GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)需復(fù)核風(fēng)電場(chǎng)升壓站中避雷針?lè)乐睋衾椎谋Ｗo(hù)范圍，若其保護(hù)范圍無(wú)法完全覆蓋電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的所有設(shè)備，那么電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)所在場(chǎng)地需考慮另外布置獨(dú)立避雷針。

電化學(xué)儲(chǔ)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(shí)交流進(jìn)線(xiàn)側(cè)均需裝設(shè)氧化鋅避雷器，對(duì)過(guò)電壓進(jìn)行保護(hù)。

2)接地設(shè)計(jì)。按照GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，所有電氣設(shè)備外殼、開(kāi)關(guān)柜接地母線(xiàn)及其他可能發(fā)生事故帶電的金屬構(gòu)件均需可靠接地。

2.5 時(shí)鐘同步系統(tǒng)

本文提出的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的對(duì)時(shí)方式可采用網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)或IRIG-B碼對(duì)時(shí)；若風(fēng)電場(chǎng)升壓站已配置GPS/北斗星時(shí)鐘同步系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)升壓站內(nèi)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置等設(shè)備的時(shí)鐘同步，電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)可以接入升壓站原對(duì)時(shí)設(shè)備。

2.6 不間斷電源(UPS)系統(tǒng)

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

3 實(shí)例驗(yàn)證

本文提出的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)方案目前已在青海省某風(fēng)電場(chǎng)配套的10 MW級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中應(yīng)用，項(xiàng)目建設(shè)的靜態(tài)單位投資約為1.8元/kWh。按經(jīng)營(yíng)期平均上網(wǎng)電價(jià)為0.60元/kWh(含稅)計(jì)算，本項(xiàng)目全部投資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率(稅前)約為10%，具有一定的盈利能力。此外，本文設(shè)計(jì)的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)工期短、施工安裝難度相對(duì)較低，運(yùn)行效果良好，因此具備技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性。

4 結(jié)論

本文基于風(fēng)電場(chǎng)配套儲(chǔ)能系統(tǒng)的理論研究并結(jié)合實(shí)際工程案例，提出了一套風(fēng)電場(chǎng)配套電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)方案，并在青海省某風(fēng)電場(chǎng)中得到了應(yīng)用。該風(fēng)電場(chǎng)中，此電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)所在場(chǎng)地緊鄰風(fēng)電場(chǎng)的配套升壓站，因此該場(chǎng)地的地質(zhì)構(gòu)造也較為穩(wěn)定，施工建設(shè)條件良好，便于工程建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)，且電氣接入方案具備經(jīng)濟(jì)可行性。經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的電化學(xué)儲(chǔ)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(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性，可為后期電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模化工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。