风电场内电化学储能系统的应用设计研究

季石宇 徐展鹏 冯玉始 汪赞斌

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司）

0 引言

随着能源转型的加快推进，接入高比例可再生能源已成为电网发展的必然趋势，先进储能技术成为电网适应高比例可再生能源接入的重要选择。与此同时，新的先进储能技术不断涌现，技术经济性在不断提升，储能技术在电网的应用领域日益广泛［1，2］。

在诸多储能形式中，电化学储能发展迅速，成为最具应用潜力的一类储能技术，其凭借高安全性、MW／MWH规模的容量、数千次以上的高循环寿命、灵活配置、响应迅速和便于集成的设备形态的优点适用于改善大规模可再生能源出力特性受到了行业内外的广泛关注［3，4］。

近年，我国陆续出台《关于提升电力系统调节能力的指导意见》等多项政策，积极推进储能在电力系统中的应用。在可再生能源发电侧应用领域，宁夏物价局在《自治区物价局关于我区清洁供暖用电价格有关问题的通知》中鼓励清洁供暖用电电量积极参与电力市场交易，按照有关规定完成保障性收购的前提下，鼓励储热、储能企业与风电、光伏发电企业开展直接交易，建立长期稳定且价格较低的供用电关系［5，6］。

鉴于电化学储能处于蓬勃发展的趋势，尤其是在光伏、风电等可再生能源发电侧的应用将会愈加广泛，本文以风电场内电化学储能系统的应用设计为例，探讨电化学储能系统的关键设计要点，给出一种风电场内电化学储能系统设计方案。

1 风电场并网现状分析

由于风力资源的波动性，风电场很难保证发电质量，一方面风力发电的波动性会使得与电网负荷的匹配度较差，从而存在弃风现象；另一方面也会对电网的供电可靠性产生影响。

风电场的弃风是由于风力发电的波动性与电力负荷的不匹配性引起的，当电网负荷需求量较少时，风电可能会造成弃风现象。据报道，2018年，全国新增装机容量达到2114.3万kW，同比增长7.5%；累计装机容量约2.1亿kW，同比增长11.2%。虽然目前风电规模庞大，但是全国范围内的弃风现象仍然十分严重。2018年全国风电平均利用小时数2095h；全年弃风电量277亿kWh，平均弃风率7%。

风电场由于波动性较大，对电网可靠性影响较大，随着风电渗透率的提高，国家也出台了对风电场发电功率的考核政策，国家能源局西北监管局发布了《西北区域发电厂并网运行管理实施细则》及《西北区域并网发电厂辅助服务管理实施细则》，细则提出对并网运行的风电场功率预测、超短期功率预测准确度进行考核，当考核不合格时将会对风电场罚款。目前，部分电场的月平均准确率仅为80%。

从上述分析可以看出，风电场内由于风电波动性的原因，会造成风电场内存在较为严重的弃风现象；另外，国内对电网预测精度考核更加严格，预测精度不足会带来较重的惩罚。为此，风电场内通过布置电化学储能系统平滑风电场内波动，从而既可以减少风电场弃风，也可以减少预测精度低所带来的影响。

2 电化学储能系统设计

电化学储能系统的设计主要包括电池设备的选型设计、电气设计以及能量管理系统设计。

2.1 电池选型设计

储能电池种类多，性能特点各不同。当前主流电化学储能技术有铅酸电池（铅炭电池）、锂离子电池、液流电池和钠硫电池等，其性能特点和经济性各不相同，目前尚未有某一种技术能够完全满足循环寿命、可规模化、安全性、经济性和高效性五项储能关键技术指标。下面对储能应用中主流的几种储能介质进行对比如表1所示。

表1 各电池类型设计方案比较

从上述指标来看，没有一项技术能够在各个方面都占据优势，而从目前市场上的应用来看，铅炭电池、锂电池是当前发展较快、有望率先带动储能商业化的电化学储能技术。其中铅炭电池属于能量型电池，锂电池属于功率型电池。以风电场储能需求而言，由于风电场需要能够在短时间内实现对风功率预测偏差的补偿，需要具有快速的放电能力，因此选择采用功率型电池，从而保证能够快速地补偿预测偏差，而作为功率型电池中使用规模较大，技术较为成熟的锂电池，其技术路线多，储能更注重安全性和长期成本。与动力锂电池相比，储能用锂电池对能量密度的要求较为宽松，但对安全性、循环寿命和成本要求较高。从这方面看，磷酸铁锂电池是现阶段各类锂离子电池中较为适合用于储能的技术路线，目前已投建的锂电储能项目中大多也都采用这一技术。此外，钛酸锂电池因其超长的循环寿命也受到广泛关注，随着未来技术成本降低，有望在储能领域实现规模化应用，但目前由于其成本太高，而且规模化程度较低，目前储能系统项目设计不采用钛酸锂电池。相比其他锂电池来说，磷酸铁锂电池至少具有以下五大优点：

（1）更高的安全性

锂材料都会在到达一定温度时发生分解，如其他锂材料 （镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂）会在更低的200℃左右发生分解，而磷酸铁锂材料是在300℃左右。并且其他锂电池等锂材料的化学反应更加剧烈，会释放氧分子，在高温作用下电解液迅速燃烧，发生连锁反应。说简单点，就是锂材料比磷酸铁锂材料更容易着火。图1为不同材料热分解温度和释放的能量，从横坐标可看出磷酸铁锂材料分解温度高，纵坐标可看出磷酸铁锂材料释放的能量低，所以磷酸铁锂材料更加安全。

图1 不同材料热分解温度和释放的能量

（2）更长的使用寿命

磷酸铁锂电极材料是目前最安全的锂离子电池正极材料，其循环寿命达到2000次以上。

（3）不含任何重金属和稀有金属（原材料成本低）

不含钴等贵重元素，原料价格低且磷、铁存在于地球的资源含量丰富，不会有供料问题。

（4）支持快速充放电

磷酸铁锂产业成熟度更高，支持快速的充放电。

（5）工作温度范围广

磷酸铁锂电池相比其他锂电池，工作温度范围更广，尤其是高温下充放电性能更好。

2.2 电气设计

对于在已有风电场内增加储能电站的设计，储能系统一般需要接入35kV等级。目前，风电场配备储能的主要需求是为了实现对其预测精度不准确而造成的罚款考核。根据风电场现有的发电数据及预测发电曲线来看，风电场预测曲线与发电数据误差多在5MW 以内，为此储能系统准备配置5MW 系统，而考虑到目前储能系统的稳定性和经济性，采用1C充放电倍率的电池，即准备配置5MW／5MWh系统。由于工程规划需求，第一期系统接入2MW／2MWh储能系统，为此本文展开对2MW／2MWh储能系统电气接入方案的研究。

对于2MW／2MWh的储能系统，根据现有技术成熟度，可以分为四个储能单元，每个储能单元的额定容量为500kW／500kWh，每个储能单元通过500kW 的PCS接入到风电场系统之中，对于2MW／2MWh的储能系统其接入方案主要包括以下三种，如图2所示。

1）储能单元串联后直接通过35kV变压器后接入到风电场内，该方案只需要在原有的风电场内增加一面35kV开关柜，对配电房的改造较少，该方案接线简明清晰，布置简单方便，易于扩展，经济性较好，除35kV汇流电缆及35kV环网柜外储能单元任何元件故障或检修，仅引起该单元停运，故障或检修影响范围小，运行可靠性及灵活性高。

2）储能单元首先通过10kV变压器变压后串接，并通过35kV变压器接入风电场母线，该方案采用10kV电缆将储能电源链接起来，降低了环网柜和电缆及储能升压变的电压等级，节约了集装箱内空间及设备造价，同时可靠性与方案一相同。但却增加了一台35kV／6300kVA的户外油浸变压器，同时风电场增加了10kV电压等级的设备。

3）储能单元分别接入到风电场内，该方案接线简明清晰，布置简单方便，易于扩展，一期和二期储能单元互不影响，相比方案一减少2回35kV联络线，同时能降低35kV汇流电缆和35kV环网柜故障影响范围；储能单元的可靠性与方案一相同。但是需要有两回35kV电缆接入风电场母线，电缆较长，且由于需要增加两面开关柜，对现有配电房改造牵扯面大。

从技术角度分析，方案一可靠性及灵活性较优，35kV接入风电场母线方便，也并没有给原有风电场带来较大的改造难度，因此方案一作为风电场内储能电站接线方案较为合适。

从经济性角度而言，三个方案的经济性主要差别在于设备投资，具体的投资情况如表2所示。从表中可以看出，储能单元之间的设备投资差异不大，方案二相对较为经济性，但考虑到方案二在技术上需要增加一个电压等级，从而会给运维人员带来后期的运维难度，因此综合考虑技术性和经济性，采用方案一作为储能系统接入方案。

表2 储能单元接线方案可比投资比较表

图2 电气接线方案对比

2.3 能量管理系统设计

风电场内储能系统的能量管理系统是一套具有发电优化调度、负荷管理、实时检测并自动实现微电网内源和负荷同步等功能的能量管理软件，实现对电化学储能单元的控制管理和优化调度，从而实现储能系统与风电场联合工作，保证风电出力的平稳。因此需要具备以下功能。

1）分层控制，集中管理，对各储能单元数据进行全面、多维度统计对比分析，从而确保能够给风电场提供调度依据。

2）实现储能系统的无人值守，电化学储能系统数据自动上传，实现数据无缝对接，减少人工上报数据工作量，降低误报、错报、漏报概率。

3）各系统各模块之间具有相对的独立性，可自由配置，同时又可以无缝对接，整个系统具有很强的可扩展性，方便增加新的系统功能。

4）EMS可远程和本地对设备进行设置，峰谷模式、备电模式、指令模式、定制模式多种模式可选。

EMS系统对上与风电场内调度系统通信，对下通过本地能量管理系统与电池的BMS系统连接，获取BMS系统提供的电池监测数据，从而能够迅速根据风电场的调度命令和监测数据完成各个储能单元的能量分配，具体的结构如图3所示。

图3 EMS通信结构

3 结束语

随着电池成本的不断降低、风电等新能源利用率的提升，电网越来越迫切需要风电场能够平稳地发电，电化学储能是解决这一难题的最优方法之一。本文给出了一种风电场内电化学储能的设计方案，考虑到储能系统运行经济性、安全性选择了适合的电池，并且对比多种电气接线方案，选择较为适合风电场布置、接线要求的电气接线方案，将给风电场内储能系统的设计提供良好的借鉴。但是本文的设计方案尚缺乏对电池系统消防系统设计的研究，后续将对电化学储能消防系统设计进行更深入的研究。