分布式风储系统设计

梁嘉，张敏吉，孙洋洲，李硕，凌志斌

（1.中海油研究总院新能源研究中心，北京 100015；2.上海交通大学电气工程系，上海 200240）

1 概述

风能作为一种清洁的可再生能源，日益受到世界各国的重视。我国风电在建规模高居世界第一的同时，并网问题却始终制约着风电产业的发展。有数据显示，我国风电装机中有30%~40%的风电并未能顺利并网。

将电池储能系统（battery energy storage system-BESS）与风电机组相配合，可以有效抑制或缓解风电的波动性，减小风电对电网的影响[1]。大容量电池储能技术在风电并网中能够实现如下功能：

1）平滑风电场/机组输出。

2）提高风电输出与预测的一致性。

3）风电峰值转移。

4）保证风力发电系统持续可靠供电。

5）提高系统运行可靠性及冗余度。

6）提高风电调度能力。

基于此，国内外许多学者和组织展开了储能与风力发电系统配合的研究与应用示范。美国、日本等国家在多个风电场配置了锂电池、液流电池等电池储能系统[2]，我国国家电网在张北建立了风光储输示范工程，定位为配合大规模（多个风电场和光伏电站）新能源并网，辽宁卧牛石风电场建立了5 MW液流电池储能站配合风电的接入。上述储能与新能源的配合形式均以一个风电场或多个风电场为整体考虑储能的协调配合，建设规模大，投资成本高[3-4]。

中国海洋石油新能源公司联合多家单位正进行储能配合风电接入的研究，以实现功率平滑、削峰填谷、计划跟踪和紧急调频等功能。

2 项目概况和风储方案设计

研究本文所述项目所在地为中海油化德风电场，该风场设计装机容量49.5 MW，采用33台1.5 MW双馈风力发电机组。风机出口电压AC690 V，通过风机旁的690 V/35 kV/1600 kV·A升压变汇入风电场35 kV线路，再经35 kV/110 kV升压变并入当地电网。

按照风机与储能系统的地理相对位置，储能系统设备与风电场风机配置的方式有一机一储、多机一储、场站级储能和多风电场一储等多种方式[5]。按照风力发电机组与储能系统的电气连接点电压性质，储能系统与风力发电机组的配合有交流侧并联和直流侧并联两种形式。不同的配置方式各具特点。

场站级储能和多风电场一储的设备配置方式是指为一个或者多个风电场配置一个储能站。物理位置上属于集中式储能，可以集中采取温控措施，方便管理和维护。因为风机出口电压为交流，故电气连接上属于交流侧并联方式。此两种储能配置方式在控制上以整个风电场或多个风电场整体作为控制目标，关注整体对外特性的改善。

一机一储和多机一储则是为一台风力发电机组或者多台风力发电机组配置就近一套储能系统。单套储能系统容量相对要求较小，物理位置上属于分布式储能。分布式储能以单台或多台风力发电机组为直接控制对象，以风电场整体优化为目标，其配置、安装和控制方式较为灵活，可以最大限度降低风电场内部线损。在单台风机或单台储能系统发生故障的情况下，通过对储能系统与风力发电机组逻辑关联关系的重组，将故障风电机组或者故障储能系统从关联集合中剔除，可以继续实现故障情况下整个风电场级别的最优运行[6]。分布式储能的协调控制较为复杂，整体协调控制要求高。由于每套储能系统均需独立的测控和温控系统，因此该配置方式下储能系统的单位容量成本较高。

其中，一机一储的分布式储能方式应用最为灵活，既可以采用集装箱形式在风力发电机组旁就近布置，也可以将储能系统置于风机塔筒内部，见图1。

图1 一机一储风储配合示意图Fig.1 One storage system for one wind turbine diagram

从原理上讲，一机一储时，风电机组与储能系统的电气连接既可采用交流侧并联，也可采用直流侧并联。交流侧并联时，风电机组与储能系统之间的底层硬件控制完全相互解耦，实现方便，也是目前技术上较为成熟的方式；直流侧并联时，储能系统的底层硬件控制需要与风电机组的底层硬件控制进行深入地、电力电子开关周期级（μs级）的协调控制方能实现。其优势在于在降低风电机组和储能系统的整体成本的同时，还可有效提高风电机组的低电压穿越性能。直流侧并联不仅技术难度较高，且涉及到风电机组厂商与储能厂商配合问题。目前国外风电机组厂商Vestas正在进行相关的研究。

综合比较上述方案，结合本项目目的，储能系统与风机优选一机一储、交流侧并联的配置方式。为了实现和验证储能系统的协调控制功能，本项目在风电场选取了2台1.5 MW风机，分别配置1台250 kW×2 h集装箱式储能系统，箱式储能系统通过690 V/35 kV升压箱变低压侧并入电网。

3 EMS系统控制方案设计

能量管理系统（energy management system）通过指令控制储能系统发出/吸收的有功功率和无功功率来实现对风电机组的配合功能。一机一储的风储配置方式决定了风储EMS系统必然采取分布式控制结构和方式。

整个风储系统的构成如图2所示。

图2 风储系统构成图Fig.2 Constitution of wind power-energy storage system

为保证EMS系统的可靠性，EMS采用就地控制、远程监视的方式。就地控制由位于电池储能系统旁的EMS就地控制器实现，两套储能系统拥有各自独立的就地控制系统，就地控制系统通过对升压变低压侧总的输出功率、电压和频率进行监测，按照设定的运行模式控制储能系统的充放电，达到平滑总风电功率、无功补偿、削峰填谷、紧急调频和计划跟踪等目的[7，8]。即使中控室服务器和工作站因故损坏，或者现场与中控室的通讯由于意外情况发生中断，也不会影响现场储能系统的正常运行，系统可靠性得到良好地保证。

图3为风储EMS系统就地控制结构框图。无论风储EMS系统的控制目标如何，其通过指令直接调节的仅仅是储能系统功率转换系统（power conversion system-PCS）的有功功率和无功功率，直接改变是风电机组低压侧的有功、无功功率和频率[9]。因此，电网侧的反馈采样点选取为风电机组低压侧与储能系统的汇流点。

图3 风储系统控制结构框图Fig.3 Wind power storage system control structure diagram

在EMS就地控制系统中，将汇流点三相电压、电流进行P/Q分解，得到风电机组和储能系统整体输出的有功和无功功率，其中测量计算得到有功功率作为功率平滑、削峰填谷、计划跟踪控制的主要依据，无功功率作为无功补偿（电压调整）的主要依据。将三相电压信号进行频率提取，作为紧急调频情况下的有功输出控制的主要依据[10]。其控制策略框图如图4所示。

图4 EMS控制策略框图Fig.4 Control strategy diagram of EMS

为保证EMS就地控制器的硬件可靠性和通用性，控制平台采用工业控制计算机，对三相电压、电流信号的测量则通过具有隔离功能的PCI接口的数据采集卡实现。为保证数据测量的准确性，数据采集速度不低于每通道5 ksample/s，精度不低于12位。

EMS控制系统的控制周期对风储系统的响应速度和控制性能至关重要。经对控制策略的运算量估算，采用工业控制计算机可确保EMS指令响应速度达到毫秒级，为实现高的控制性能奠定了基础。在电子系统中，运动的机械部件的可靠性远低于静止的电子部件，为进一步保证EMS就地控制器的可靠性，本项目中采用固态硬盘（solid state disk-SSD）取代计算机中传统的机械旋转硬盘，以避免机械旋转部件相对较低的可靠性对控制器整体可靠性的影响。

EMS就地控制器定期将就地数据上传到EMS服务器中，以便于后期的统计分析之用。

EMS工作站位于风电场中控室中，运行人员可通过EMS工作站设定EMS就地控制器运行于风电功率平滑、计划功率跟踪、调压、调频、削峰填谷等模式，工作模式指令以通讯形式下发给就地EMS控制器执行。EMS工作站可实现对EMS服务器上历史数据和事件记录的检索查询、数据分析、生成图形曲线和报表并打印输出。

4 系统通讯方案设计

EMS就地控制器定时向EMS服务器上传PCS、BMS和自身的当前信息，EMS服务器将信息存储以便日后分析。EMS就地控制器与EMS工作站实现双向的信息交互，以在EMS工作站上实现实施信息显示和人机操作。

EMS就地控制器与位于风电场中控室的EMS服务器和EMS工作站之间的距离为3~4 km，距离较长，其通讯的可靠性对于EMS系统的正常工作至关重要。

在工业控制领域，通讯多采用高可靠性的现场总线技术，如Profibus、CAN等。多数现场总线采用金属导线传输信号，但随着距离的增加，共模干扰、差摸干扰和信号的衰减导致通讯可靠性无法满足控制的要求[2]。采用无线传输技术很容易实现较远距离的数据传输，但相对有线通讯而言，无线通讯易受到地理条件和气象条件的影响，可靠性较差。基于光纤的工业以太网可以有效避免传输时各种电磁干扰对传输信道的影响，是实现远距离、高可靠传输的首选。

据统计，储能系统PCS与就地EMS之间通讯信息点不超过50个，按照每个信息点4个字节计算，EMS就地控制器上传给EMS服务器的数据量不大于50×4=200字节。每个BESS配置4个电池组，每个电池组由224个单体串联，共计894个电池单体。EMS就地控制器上传到EMS服务器的信息点包括单体电压、单体温度等信息，另考虑整串、整组的电流、电压、SOC等信息以及故障信息，总信息点不超过2000个。以每个信息点4个字节计算，EMS就地控制器上传给EMS服务器的数据量不超过2000×4=8000字节。

若2台EMS就地控制器每1 s向EMS服务器传输一次数据，每个字节按10比特计算，则EMS就地控制器与EMS服务器数据传输速率不大于16.4 k byte/s，即约164 kbp/s。

考虑到EMS就地控制器与工作站之间的信息交互，采用的通讯方式支持的通讯速率不低于200 kbp/s即可。

以太网通讯基于冲突检测技术，网络负荷率直接影响以太网上数据传输的延时和可靠性。研究表明，当网络负荷率在36%以下，冲突造成的以太网通讯时延可以忽略不计。对于10 Mb/s以太网而言，200 kbp/s对应的负荷率为2%，其影响微乎其微。因此，10 Mb/s以太网可完全胜任EMS系统通讯的要求。

5 结论

储能配合风力发电是提高风电质量，增加风电可控性、可调度性，解决风电并网问题的有效途径。一机一储的分布式风储系统相对集中式储能配置灵活，可采用集装箱式设计，运输、安装和建设方便，利于推广。本文设计的分布式储能系统可实现风电功率平滑、计划功率跟踪、调压、调频、削峰填谷等功能，基于光纤以太网的通讯方式满足了EMS通讯速率和可靠性的要求。该风储系统正在中海油内蒙化德风电场实施，可供相关储能与新能源接入应用进行参考。

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