风电场配套电化学储能系统的设计研究

杨瑞睿，石 明

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335)

0 引言

随着风电装机容量的不断扩增，风电输出功率的间歇性、波动性和随机性对电网运行的安全性、稳定性和电能质量等造成了巨大的冲击和影响[1]。我国西北、东北、华北地区均出现了不同程度的“弃风限电”现象，不仅造成了风电电能的浪费，降低了业主的发电收益，同时也制约了风电行业这一新能源发电行业的健康发展。

储能系统通过充、放电控制，能对风电输出功率的间歇性和波动性进行有效弥补，有效平滑风电输出的有功功率的波动，以提高风电输出功率的可控性，满足接入电网相关标准的要求，参与电网的调峰、调频，减少“弃风”现象，增加风电场业主的收益，并提高电力系统的安全性与稳定性。此外，合理配置储能系统还能有效增强风电机组的低电压穿越能力、增大电力系统的风电穿透功率极限值、改善风电场的电能质量及优化其经济性，可大幅增加风能的利用率，符合国家大力发展的新能源战略[2]。

电化学储能是当前储能行业的应用热点，与其他储能方式相比，电化学储能具有储能容量大、动态有功与无功支撑能力强、响应速度快、能量密度大和循环效率高等优势，可用于提升风电场运行的灵活性，实现风电场在不同应用场景下的控制目标。因此，本文基于风电场配套储能系统的理论研究和实际工程案例，提出了一套风电场配套电化学储能系统的电气设计方案，包括电化学储能系统的设计方案及其电气接入方案，以期为电化学储能系统的规模化工程应用提供参考。

1 电化学储能系统的设计方案

本文所研究的电化学储能系统主要包括储能电池系统、电池管理系统(BMS)、电池控制柜、储能变流器(PCS)、升压变压器、能量管理系统(EMS)、防雷及接地装置等。

下文针对电化学储能系统设计中最主要的储能电池的选型、BMS的设计、PCS的设计、EMS的设计这几部分进行详细说明。

1.1 储能电池的选型

根据能量的形式不同，全球的储能技术路线主要分为物理储能技术、电化学储能技术和电磁储能技术这3大类。其中，物理储能技术包括抽水蓄能技术、压缩空气储能技术、飞轮储能技术等；电化学储能技术包括铅酸电池储能技术、铅碳电池储能技术、钠硫电池储能技术、液流电池储能技术、锂离子电池(下文简称为“锂电池”)储能技术等；电磁储能技术包括超导电磁储能技术、超级电容器技术等[2-3]。

在上述储能技术中，压缩空气储能技术、抽水蓄能技术会受到地形限制的影响，且建设周期长，因此未在工程中得到广泛地推广应用；飞轮储能技术、超级电容器技术及超导电磁储能技术具有利用率高、响应速度快等优势，可在短时间内实现大功率快速放电，这3种技术多用于对电网调频，以及对输/配电网的电压、有功功率作支撑等场景，但其作为典型的功率型储能方式，比能量相对较低[4]。而电化学储能技术具有环境友好、可节约用地面积、能量密度较大、利用率较高、建设周期短，以及施工相对简单等优势，因此该类储能技术受到了越来越多的关注[5]。其中，锂电池储能技术已成为全球储能市场的主流技术路线。

锂电池具有能量密度大、平均输出电压高、工作温度范围(约为-20～60 ℃)较大、循环性能优越、可快速充放电且输出功率大、使用寿命长的优势，并具备先进的制造技术和严格的制造工艺，可实现模块化设计和安装。当前，锂电池中的磷酸铁锂电池已成为风电场配套电化学储能系统的主流配置，因此本文提出的风电场配套电化学储能系统采用磷酸铁锂电池。

1.2 PCS的设计

作为电化学储能系统的核心组成部分，PCS是连接系统与储能电池的电力电子接口设备，其控制储能系统电压和电流的交、直流变换，以实现系统和储能电池间能量的双向流动。同时，通过控制策略可实现对储能电池的充放电管理、网侧负荷功率跟踪、电化学储能系统的充放电功率控制，以及风电场正常及孤岛运行方式下网侧电压的控制[6]。

典型的PCS的结构采用双向变流器拓扑结构，以实现充电或放电时的双向功率流动。PCS可对储能电池进行充、放电的控制与管理，实现对电化学储能系统的优化管理，达到对电网负荷“削峰填谷”的效果。典型的PCS的结构示意图如图1所示。

图1 典型的PCS的结构示意图Fig. 1 Structure diagram of typical PCS

如图1所示，当储能电池处于充电状态时，PCS工作在整流状态，其将系统侧的交流电转换为直流电后存储在电化学储能系统中；当储能电池处于放电状态时，PCS工作在逆变状态，其将储能电池释放的能量由直流转换为交流回馈至外部系统[6]。PCS与升压变压器连接，使其具备升压和电气隔离的作用，从而提高了电化学储能系统的安全性。

1.3 EMS的设计

EMS是整个电化学储能系统协调控制及协调运行的核心部分。在满足接入电网相关标准要求的前提下，结合电化学储能系统的实际运行方式，EMS可实现对电化学储能系统中各个设备的自动监控和实时调节；同时，EMS集成了针对储能电池和PCS的监控软件，可以完成对储能电池和PCS的监控。

通常，风电场配套电化学储能系统中EMS后台屏柜会放置在风电场的升压站内。

1.4 BMS的设计

BMS除了可实现对电化学储能系统中储能电池的电力等相关参数实时监测外，还可对储能电池进行热管理、漏电检测、均衡管理及状态管理等。根据BMS对电化学储能系统实时参数的收集和分析结果，利用特定算法实现对储能电池输出功率的控制和对其充放电模式的优化，从而提升电化学储能系统的利用率。BMS通过RS485/232、串口、CAN总线等接口与电化学储能系统的上位机、设备控制器、EMS、显示系统等进行实时通信。

2 电化学储能系统的电气接入方案

2.1 电气接入方案比选

电化学储能系统接入风电场的电气接入方式有2种：集中式接入方式和分散式接入方式。

在风电场配套电化学储能系统项目中，电化学储能系统采用集中式方式接入风电场的方案示意图如图2所示。该方案中，电化学储能系统可直接接入风电场升压变压器的汇流母线，无需再占用风电场升压变压器的容量。

图2 电化学储能系统采用集中式方式接入风电场的方案示意图Fig. 2 Schematic diagram of electrochemical energy storage system connected to wind farm in centralized mode

电化学储能系统采用分散式方式接入风电场的方案示意图如图3所示。该方案中，PCS不经过电化学储能系统的升压变压器，与风电机组变流器在原风电机组升压变压器低压侧耦合。

图3 电化学储能系统采用分散式方式接入风电场的方案示意图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优缺点对比如表1所示。

表1 集中式接入方式和分散式接入方式的优缺点对比Table 1 Comparison of advantage and disadvantage between centralized connection mode and decentralized connection mode

在对2种电气接入方式进行综合分析后，考虑到风电场的整体控制与调度，以及电化学储能系统集中运维、检修时的运行模式，本文提出的风电场配套电化学储能系统的电气接入方式采用集中式接入方式。

2.2 电气的总平面布置

电化学储能系统采用集装箱一体化设计，包括储能电池集装箱和PCS升压变流一体箱。其中，储能电池集装箱内集成有磷酸铁锂电池簇系统、BMS、电池控制柜、消防系统(采用七氟丙烷灭火装置)、空调、汇流柜等。磷酸铁锂电池簇系统经电池控制柜汇流，接至PCS升压变流一体箱中PCS的直流侧。储能电池集装箱的平面布置示意图如图4所示。

图4 储能电池集装箱的平面布置示意图Fig. 4 Schematic diagram of plane layout of energy storagebattery container

PCS升压变流一体箱内集成有PCS、升压变压器、负荷开关柜、监控配电柜和消防系统(灭火器)等。电化学储能系统采用各套PCS 交流侧直接并联的方式，通过升压变压器升压，高压侧配置有负荷开关柜，便于电化学储能系统接入上级电网。PCS升压变流一体箱的平面布置示意图如图5所示。

本文设计的风电场配套电化学储能系统推荐布置在风电场升压站附近，储能电池集装箱和PCS升压变流一体箱采用分行、分列的方式布置，每行、每列之间的净距离不小于3 m。电化学储能系统的典型平面布置示意图如图6所示。该布置方式下，电化学储能系统的集成化程度高、环境适应性强，可有效减少现场安装调试及后期维护的工作量。

图6 电化学储能系统的典型平面布置示意图Fig. 6 Typical plane layout diagram of electrochemical energy storage system

当安装电化学储能系统的空间有限时，布置在户外的储能电池集装箱可采用“背靠背”的布置方式，即在上、下2个储能电池集装箱中间设置一道防火墙，从而形成一组防火分区。该布置方式中，防火墙需满足耐火极限不低于3 h的要求，且防火墙需高出集装箱顶1 m，墙长不小于集装箱两侧各1 m[7]。采用“背靠背”布置方式时储能电池集装箱的平面布置示意图如图7所示。

图7 采用“背靠背”布置方式时储能电池集装箱的平面布置示意图Fig. 7 Schematic diagram of plane layout of energy storage battery container when“back-to-back”arrangement is adopted

2.3 电化学储能系统中供电系统的供电方式比选

电化学储能系统的供电系统有2种供电方式，一种是由站用变压器提供工作电源的方式，一种是电化学储能系统自取电的方式。

1)由站用变压器提供工作电源的方式。根据每套储能电池集装箱的用电需求，由配电室内的站用电屏向每套储能电池集装箱提供交流电源。

2)电化学储能系统自取电的方式。电化学储能系统中各电气设备均采用自取电的方式下，可在PCS升压变流一体箱内升压变压器低压侧配置1个自用电变压器，给对应的PCS升压变流一体箱和储能电池集装箱中各个电气设备供电。

选择供电系统的供电方式之前，需复核风电场的站用电容量在设计时是否考虑了电化学储能系统中各个电气设备的用电量。若站用电容量不能满足电化学储能系统的用电负荷，则推荐供电系统采用电化学储能系统自取电的方式。

2.4 防雷与接地装置的设计

1)防雷设计。为防止户外配电装置遭受雷击，根据GB/T 50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》的要求，电化学储能系统在设计时需复核风电场升压站中避雷针防直击雷的保护范围，若其保护范围无法完全覆盖电化学储能系统的所有设备，那么电化学储能系统所在场地需考虑另外布置独立避雷针。

电化学储能系统采用的所有集装箱均为金属箱体，因此可以利用该箱体作为接闪带，此时交流进线侧均需装设氧化锌避雷器，对过电压进行保护。

2)接地设计。按照GB/T 50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》的要求，所有电气设备外壳、开关柜接地母线及其他可能发生事故带电的金属构件均需可靠接地。

2.5 时钟同步系统

本文提出的电化学储能系统的对时方式可采用网络对时或IRIG-B码对时；若风电场升压站已配置GPS/北斗星时钟同步系统，用于实现升压站内计算机监控系统、继电保护及安全自动装置等设备的时钟同步，电化学储能系统可以接入升压站原对时设备。

2.6 不间断电源(UPS)系统

电化学储能系统的控制、保护等系统所需的不间断电源(UPS)由风电场升压站一体化电源引接；电化学储能系统的PCS升压变流一体箱及储能电池集装箱中的控制柜均配有UPS。

3 实例验证

本文提出的电化学储能系统的电气设计方案目前已在青海省某风电场配套的10 MW级电化学储能系统中应用，项目建设的静态单位投资约为1.8元/kWh。按经营期平均上网电价为0.60元/kWh(含税)计算，本项目全部投资财务内部收益率(税前)约为10%，具有一定的盈利能力。此外，本文设计的电化学储能系统的建设工期短、施工安装难度相对较低，运行效果良好，因此具备技术、经济可行性。

4 结论

本文基于风电场配套储能系统的理论研究并结合实际工程案例，提出了一套风电场配套电化学储能系统的电气设计方案，并在青海省某风电场中得到了应用。该风电场中，此电化学储能系统所在场地紧邻风电场的配套升压站，因此该场地的地质构造也较为稳定，施工建设条件良好，便于工程建设和运行维护，且电气接入方案具备经济可行性。经过实际验证，本文设计的电化学储能系统具有一定的盈利能力。

综上所述，此方案具备工程、技术、经济可行性，可为后期电化学储能系统规模化工程应用提供参考依据。