基于电池储能系统的风电机组极端工况备用电源的设计

韩 坚，王亚楠，顾伟峰

基于电池储能系统的风电机组极端工况备用电源的设计

韩 坚，王亚楠，顾伟峰

（中国舰船研究院，北京 100020）

出于台风等极端天气致使电网失电的工况场景下风电机组的运行安全考虑，研究电池储能系统作为风机用电备用电源，针对实际应用场景与用电负载，分别对储能系统的容量、结构和运行模式进行了设计，并对其未来开发利用前景进行了展望。

风电机组 电池储能系统 备用电源

0 引言

全球风电市场规模在过去十年几乎翻了一番，成为最具成本竞争力和韧性的电力来源之一[1]。2020年北京国际风能大会提出“开发30亿风电引领绿色发展落实‘30·60’目标”，推动风电产业高质量发展，为后疫情时代全球经济绿色复苏、构建零碳社会夯实基础[2]。沿海及海上风能资源丰富，但台风等极端天气较为频繁。当受台风等极端天气影响电网失电时，风机由于断电无法主动偏航可能导致载荷过大问题，对风机运行安全造成一定隐患。因此，如何保障电网失电情况下风电机组偏航系统的正常运转，是摆在风电行业面前的重要问题。

应对台风灾害天气，在前期加强机组设计并结合控制策略优化提高机组抗台风性能是基础和关键，而配置备用电源则可以在电网失电的极端工况下确保偏航系统与控制系统的正常运行，降低机组极限载荷[3～5]。目前风电场一般将柴油发电机作为其机组的应急备用电源。但柴油发电机作为风电机组的备用电源存在以下问题：

1）认证要求高，成本较大。柴油发电机需要放置在机组塔筒外部，需要额外的集装箱类设备安装空间和风机周边征地。海上应用时，系统标准要求高，通常需要符合中国船级社认证要求，费用造价高。

2）非在线式供电，日常维护量大。风电机组正常运行时，柴油发电机处于冷备用状态，无法实现自动的状态监测和反馈，需要对设备进行定期启动测试与维护保养[6]，运维工作量大。

3）柴油发电机采用柴油作为能源，存在排气、废油、漏油、储油、噪音带来的环境污染和安全隐患问题。因此，有必要为风电机组开发设计一种经济性好、运行可靠且安全环保的备用电源，来保证风机运行安全。

电池储能系统控制灵活，技术成熟，将其作为风电场备用电源是当前新能源技术的重要应用方向[7～9]。电池储能系统包括电池系统、储能变流器（PCS）、电池管理系统（BMS）、监控系统等组成。系统可采用高度集成设计技术，保证散热的情况，做到高防腐、小尺寸，可以布置在风机塔筒内部，有效减少基础建设成本。特别的，近几年随着锂电池技术的发展，出现了工作温度范围-20℃～60℃、能量密度达到140 Wh/kg以上、常温1C条件下循环寿命达到3000次以上，且自放电小，没有记忆效应，可快速充放电的磷酸铁锂电池产品[9～10]，可以满足风机内部应用的环境温度要求，且安全性高，基本无起火、爆炸等安全事故风险，可以为储能变流器提供高功率密度的储能单元。另外，电池储能系统可在线式供电，并离网切换时间短，具有自动的状态监测和反馈，定期维护工作量小。

本文以金风4S平台机组为例，针对其风机备用电源的应用场景与设计需求，提出一个较为成熟的电池储能系统作为风电机组极端工况备用电源的设计方案。

1 备用电源的选型与电气结构设计

1.1 容量与功率配置

风电机组的备用电源主要作用是在电网失电的极端工况下为风机提供电能，保证风机控制系统与偏航系统的短时持续可靠运行。本文备用电源的容量与功率配置设计主要参考台风型风力发电机组设计标准，保证机组至少6小时备用供电[4]。

备用电源的负载包括控制系统的长期工作负荷和偏航系统电机成组启动负荷两类。参考金风4S平台机组，负载数据见下：

1）控制系统长期工作负荷测试数据为10 kW/13 kVA；

2）偏航系统电机成组启动负荷参数如下：

①电机额定工况下，额定输入功率为23.28 kW；额定容量30 kVA；

②电机堵转工况下，瞬态功率为96 kW；瞬态容量为155 kVA；注：偏航电机为全电压直接启动，启动瞬间可以视为电机堵转工况。

参考文献[11]计算长期连续运行所需容量见公式（1）～（3）：

其中，c为有功功率，kW；c为无功功率，kvar；c为视在功率，kVA；∑M为连续运行的电动机额定功率之和，kW；∑m为连续运行的静止负荷之和，kW；1为运算系数，取0.9；2为运算系数，取0.32～0.52；tanM为电动机正常运行时的功率因数，取0.86；tanm为静止负荷的功率因数，取0.8。

根据实际负荷数据和式（1）～（3）计算得到：

P=26.15 kW，Q=22.18 kVar，S=34.29 kVA

确定备用电源的额定容量：

其中，fe为额定有功功率，kW；fe为额定无功功率，kvar；fe为额定视在功率，kVA。

如果使用柴油发电机作为备用电源，需要检验柴油发电机短时过载能力：

其中，Qm为成组启动时负荷的最大值，kVA；GF为发电机短时过负荷系数，取1.5。

因此柴油发电机的容量应不小于104 kVA。

如果采用UPS、EPS和储能变流器等电力电子型备用电源时，

1）电动机直接启动情况下，电源容量应为同时工作的电机容量5倍以上考虑，备用电源容量应不小117 kW；

2）电动机变频启动情况下，电源容量应为同时工作的电机总容量的1.1倍，备用电源容量应不小于26 kW。

表1 空气温度相对湿度对照表

本文考虑的备用电源采用磷酸铁锂电池+储能变流器的方案，机组偏航电机采用全电压直接启动方式，因此储能变流器的额定功率选择120 kW。根据机组测试数据，偏航持续时间按照每1小时2次180°（2×16分钟）偏航计算，备用电源需满足不小于6小时供电，锂电池能量计算为84 kWh。

考虑系统放电效率（含制冷散热等自用电）与电池放电深度，本文设计的备用电源容量为100 kWh，额定功率150 kW。

1.2 电气结构设计

基于电池储能系统设计的备用电源的一大优势为可以放置在风机塔筒内部。参考金风4S平台机组钢制塔架的尺寸与平台布局，考虑国内外安规设计的逃生与维护空间要求，以及海运集装箱的尺寸限制，设备的尺寸（宽×深×高）需控制在2.3 m×1.0 m×2.2 m以内。电池采用多个电池单元串联，电池电压宽范围可调。为了更好的延长电池寿命，设备柜体采用全封闭结构，内部空调温湿度控制，防护等级高，可适用在沿海/海上恶劣环境。备用电源的模型见图1。

图1 备用电源模型图

目前风电机组采用半年检与年检的运维方案，由于空调的配置，需要额外考虑空调冷凝水的排放问题。下面简要分析计算冷凝水量。考虑空调启停温湿度分别设置在35℃、90%与25℃、60%，参考下表空气温度相对湿度对照表，计算得出产生的冷凝水总量约为50 g。

由于空调配置了蒸发器，根据所选型的蒸发器蒸发曲线（见图2），蒸发器1小时的蒸发量≥120 g，远大于柜内凝露水量50.14 g，因此推断塔筒内不会存在冷凝水的积存问题。通过理论计算，空调的冷凝水量较少，但前提为柜体的密封性较好。柜体有较好的密封性，蒸发器是完全可以解决冷凝水的问题。如柜体没有密封或密封性很差，柜内有源源不断的湿空气进入，那冷凝水也就源源不断，当每小时水量≥120 g时，蒸发器的作用也将失效。因此设备柜体要有可靠的密封性。密封措施考虑如下：①柜板、柜门与骨架之间的密封处理；②电池柜与PCS柜骨架之间的密封；③空调与柜板侧板安装孔之间的密封处理；④进出线孔处的防火密封处理。

图2 蒸发器蒸发量曲线图

2 备用电源的总体设计

作为风电机组的备用电源，最重要的功能是需要考虑电网掉电后的快速切换，因此需要备用电源具有黑启动功能，且通过合理的配电回路和监控设计，实现电网状态监控、掉电后备用电源的启动给风机偏航系统与控制系统供电等操作。为了实现这一功能，备用电源为风机负载供电的总体设计如图3所示。

备用电源的运行模式主要有并网模式与离网模式。通过电网状态的实时监控与风机主控系统的通讯，备用电源自动切换运行模式。

1）并网模式：当风电机组正常运行时，备用电源运行在并网模式。此时与机组串联的开关器件（如断路器）闭合，电网给备用电源供电，给电池组充电。运行原理图如图4。

图3 备用电源为风机负载供电的总体设计图

图4 并网运行原理图

2）离网模式：当风机预警系统通过远程通信，给机组下发极端工况运行指令，此时备用电源自检并实时监控电网状态获取是否掉电信息，电网掉电后断开与机组串联的开关器件，运行状态切换至离网模式，根据风况与风机状态给偏航或机组其他设备供电。运行原理图如图5。

图5 离网运行原理图

采用电池储能系统作为机组备用电源，在非极端工况期间可以视作机组具有在线UPS功能，当低电压穿越期间可以为风机控制系统提供稳定的控制电源，这样可以节省机组内部的交流和直流UPS电源，节省部分成本；另外还可以给机组提供小风待机时的自用电功能，同时在用电低谷期充电，用电高峰期发电，进一步减少风电场的自用电成本。

3 结论

本文研究了电池储能系统作为风电机组备用电源的设计方案。本文以金风4S平台机组为例，首先进行了备用电源容量和功率的配置选型，然后通过设备尺寸与结构的分析设计，使其满足风机内部布置要求，可良好匹配各类沿海与海上风电机组，最后介绍了备用电源的总体控制设计以及其他开发应用前景。

[1] 全球风能理事会. 2021年全球风能报告[R]. 2021.

[2] 风能北京宣言开发30亿风电, 引领绿色发展, 落实“30·60”目标[J]. 2020(11): 34-35.

[3] 黄冬明, 张铁, 曹人靖, 等. 风电机组抗台风技术策略与应急管理[J]. 风能, 2017(08): 72-76.

[4] GB/T 31519-2015, 台风型风力发电机组[S].

[5] 刘星. 飓风对离岸风场影响巨大, 需进一步优化风机极限设计[J]. 电气技术, 2019, 20(05): 6.

[6] 郑明, 杨源, 沈云, 等. 海上风电场孤网状态下的备用柴油发电机方案研究[J]. 南方能源建设, 2019, 6(01): 24-30.

[7] 赵静, 万瑞妮, 郭敏, 朱月. 电池储能系统在并网风电场运行中的协调控制研究[J]. 电器与能效管理技术, 2020(10): 71-76.

[8] 白桦, 王正用, 李晨, 许寅. 面向电网侧、新能源侧及用户侧的储能容量配置方法研究[J]. 电气技术, 2021, 22(01): 8-13.

[9] 周芳, 刘思, 侯敏. 锂电池技术在储能领域的应用与发展趋势[J]. 电源技术, 2019, 43(02): 348-350.

[10] 梅成林, 赵伟. 磷酸铁锂电池在变电站的应用安全性分析及其系统设计[J].电气技术, 2019, 20(06): 70-73.

[11] 中国航空规划设计研究总院有限公司. 工业与民用供配电设计手册[M]. 北京: 中国电力出版社, 2016.

Design of Backup Power Supply System for Wind Turbine Units Based on Battery Energy Storage

Han Jian, Wang Yanan, Gu Weifeng

(China Ship Research and Development Academy, Beijing 100020, China)

TM614

A

1003-4862（2021）07-0027-04

2021-04-15

韩坚（1979-），男，硕士研究生，工程师，研究方向：电气工程及控制系统设计。E-mail：shjjsh@qq.com