安科瑞 陳聰

【摘要】以內蒙古某一實際分布式風電-電池儲能系統的設計和運行效果為基礎,對影響其可用性的關鍵因素進行了分析。結果顯示:能量管理系統的設計需要考慮功率補償控制以抵消儲能系統內部功率損耗;功率轉換系統的響應時間對系統性能具有*要影響,控制算法的功率指令周期需與PCS響應時間匹配;儲能系統的結構和布局也對儲能系統的環境適應性有著*要影響。風電-電池儲能系統可用性對其實際推廣應用具有*要影響,該文對影響風電-電池儲能系統應用過程中出現的問題提出了相應的解決方法,為風儲系統的推廣與應用提供參考。

【關鍵詞】風儲系統:能量管理系統:功率轉換系統(PCS)響應時間;溫度控制設計

0.引言

風能作為一種清潔的可再生能源,越來越受到世界各國的*視。但風能隨機波動的特點,造成風電出力的頻繁波動,使電網的調頻、調峰壓力加大,成為長期困擾風電并網的主要難題。

我國的棄風限電*次出現于2010年,此后棄風從零星現象快速擴散,2012年的情況*為嚴*,棄風率達17%。之后隨著出臺一系列政策鼓勵風電并網消納,我國棄風率2013年上半年降至13.5%，2014年上半年進一步降至8.5%。2015年7月,能源局發布數據顯示,上半年全國平均棄風率為15.2%,風電棄電量達175億kW·h,同比增加101億kw·h,造成經濟損失接近87億元,創3年來同期新高。2015年上半年棄風限電主要集中在蒙西(棄風率20%)、甘肅(棄風率31%)和新疆(棄風率28.82%)。

將電池儲能系統與風電結合,可以平滑機組輸出、提高風電輸出與預測的置信度、提高風電可調度性及實現峰值轉移,有效改善風電對電網的影響國內外對電池儲能技術在風電上的應用均十分關注。

國內,2011年電網在張北投運的20MW電池儲能站(一期)主要定位于配合風電和光伏接人。2013年在國電龍源臥牛石風電場投運的5MW/10(MW·h)全釩液流電池儲能設計實現配合風電接人的功能。國外儲能技術與風電的配合應用更早。2005年日本住友電工開發的4MW/6(MW·h)全釩液流儲能電池系統安裝在北海道的30MW風電場示范運行。2008年日本風電開發公司在Rokksasho5lMw風電場安裝了34MW/1169.6(MW·h)的鈉硫電池以平抑風電場輸出功率。挪威石油公司自2009年開始測試鋰電池配合離岸風電,2015年公布將于2018年在蘇格蘭彼得岬外海,為15臺6MW漂浮式離岸風電場安裝15MW/15(MW·h)的鋰電池儲能系統。2016年美國圣地亞哥電力公司實施2MW/8(MW·h)全釩液流電池儲能項目,以響應加利福尼亞州提出的2020年要導人高達33%可再生能源的目標。

儲能技術與風電的配合方式有集中式和分布式2種,上述儲能電站均屬于集中式儲能,集中采取溫度控制措施、方便管理和維護。但集中式儲能占地大,需要規劃集中的建設場地,其建設涉及征地和審批方面的工作。

分布式儲能則可以在風機旁就地布置,聯會協調控制,具有控制靈活的優點,同時在一定程度上克服了集中儲能需要征地和審批的不足。目前相關的研究和示范工作多針對集中式儲能展開,對分布式儲能的應用及其應用中的問題則鮮見論述。本文針對分布式儲能工程應用中對可用性影響的因素進行分析探討,供相關應用設計參考。

1.分布式風電-電池儲能系統

分布式風電-電池儲能系統是1臺風機配置1套儲能系統,或者幾臺風機配置1套儲能系統,單套儲能系統容量相對要求較小,從物理位置上講屬于分布式儲能。

分布式風電-電池儲能系統以單臺或幾臺風機為直接控制對象,以風電場整體優化為目標,其配置安裝和控制方式較為靈活,通過多系統間的協調控制可以*大程度降低風電場內部線損,在單臺風機或單臺儲能系統發生故障時可以進行協調邏輯的重組，以繼續實現*優運行,但其協調控制較為復雜,整體協調控制要求高。由于每臺儲能系統均需獨立的測量和控制系統,單位容量成本較高。

從原理上講,1機1儲配置的電氣連接既可采用交流側并聯,也可采用直流側并聯。交流側并聯時，風機與儲能系統之間的控制系統相互解耦,實現方便,也是目前技術上較為成熟的方式。1機1儲的分布式儲能系統的安裝既可以采用集裝箱形式在風機旁就近安置,也可以將儲能系統置于風機塔筒內部。其中前者更具有模塊化思路,工程實施方便;后者需要風機廠商與儲能廠商的配會,目前尚未見實用。

在內蒙古某49.5MW風電場選取1臺風機實施的分布式1機1儲項目即采用交流690V側并聯,單臺風機容量為1.5MW,儲能集裝箱在風機旁就近安裝,容量為500kWx2h。項目于2015年5月成功投運。在實施過程中曾遇到因控制策略對實際系統功率損耗考慮不足導致電池荷電狀態(stateofchargeS0C)不斷降低以致于*終無法運行,控制周期設計不合理反致整個系統功率波動增加,溫度控制(簡稱溫控)系統氣流路徑設計不合理造成電池溫差過大等問題,這些控制和設計因素直接影響到風儲系統的可用性,值得相關技術人員加以關注。

2.風儲能量管理系統控制策略對可用性的影響

能量管理系統(energymanagementsystem,EMS)實時采集電網信息并從電池管理系統(battenmanagementsystem，BMs)獲取電池信息以實現風儲系統的頂層控制功能。控制策略包括5個控制策略和電池保護部分,即削峰填谷、計劃跟蹤、平滑功率、調壓、調頻和電池保護。圖1為風儲EMS就地挖制結構框圖。無論風儲EMS的控制目標如何,其通過指令直接調節的僅是功率轉換系統的有功功率和無功功率，直接改變的是風電機組低壓側的有功、無功功率和頻率。

在EMS就地控制系統中,將匯流點三相電壓、電流進行P/Q分解,得到風電機組和儲能系統整體輸出的有功和無功功率,其中測量計算得到的有功功率作為功率平滑,削峰填谷,計劃跟蹤控制的主要依據,無功功率作為無功補償(電壓調整)的主要依據。將三相電壓信號進行頻率提取,作為緊急調頻情況下有功功率輸出控制的主要依據。其控制策略框圖如圖2所示。

上述控制策略原理簡單,但根據理想情況設計的控制策略在實際應用中卻無法正常運行。在各種理想的控制策略中,設計目標是使得交流側并網點的充放電能量保持平衡,即能量積分為0。而儲能系統充放電運行過程中,電池、BMS.PCS.EMS,溫控系統和消防系統等均有能量損耗,上述能量損耗均發生在并網點以下(直流側或者PCS上),能量的損耗體現為內耗。僅考慮理想條件的控制策略無法使得能量的損失從電網得到補充,結果導致隨著運行時間的增加,電池SOC不斷下降。SOC下降速度與電池充放電效率和PS效率直接相關。

項目實施中發現,如控制策略不考慮儲能系統的功率損耗,運行24h后2臺儲能集裝箱內的電池SOC均下降了20%左右。

為確保風電-電池儲能系統能夠長期可靠地運行,同時考慮到SOC估算誤差通常較大的實際情況中,本文采取輔助措施將SOC的運行范圍限制在一個以50%為的較窄區間內以避免電池SOC上下越限。采取的措施如下詳述。

（1） 在理想控制策略輸出指令的基礎上選擇件地附加功率偏置。由于電池充放電和PCS運行的能量損耗對電池SOC大小的影響是單方向的(使得SOC減小),因此當電池SOC在50%以上時,直接將理想控制策略的輸出指令作為控制PCS的指令。此時利用電池和PCS本身的功率損耗使得儲能系統SOC向著50%運行。當電池SOC低于50時,在理想控制策略輸出指令的基礎上附加使電池SOC向上的充電功率偏置,此功率偏置應大于電池和PCS的損耗,以保證SOC向著50%運行。

（2） 對偏置功率大小設置限值。為保證附加的偏置功率不會對原控制策略指令產生嚴重影響,對偏置功率設置了上限值。

3.功率轉換系統響應速度對可用性的影響

PCS接受來自EMS的功率指令并執行,儲能系統的功率輸人輸出均通過PCS進行。EMS系統的控制速度由采樣速度、EMS控制算法速度和PCS的指令響應速度共同決定。在實際工程中,PCS的指令響應速度低于前兩者,對風儲系統控制策略的運行效果有著至關重要的影響。

PCS指令響應時間由EMS與PCS之間的通訊延遲時間、PCS功率控制環執行時間構成。后者通常為幾到幾十ms,EMS與PCS之間的通訊延遲時間遠遠大于后者。

為掌握PCS的響應情況,本文對PCS進行了功率指令跟蹤測試。測試中以通信指令的形式按照正弦變化規律給定有功功率,正弦變化周期為15,3060,90和120s。指令功率的正弦變化周期為30s時,指令功率和測得的PCS實際輸出功率的曲線如圖3所示。

由圖3可知,PCS對EMS的功率指令的響應存在明顯的滯后,滯后時間約為1s左右,且存在一定的抖動。上述滯后導致風儲系統對快速的功率波動無法有效平抑,嚴重時甚至會導致風儲系統總功率波動的增加。在內蒙古某風電場風儲系統調試階段實測得到的風機功率波動情況即是如此。實測得到的風機功率波形和風-儲總功率波動如圖4所示。

圖4中,功率方向以風-儲吸收電能為正,以風-儲向外放出電能為負,故圖中顯示風機輸出功率為負值。圖4對應的測試中,平滑功率控制算法按照濾波時間常數為10min計算出對PCS的功率指令百接發送給PCS,電壓、電流等信號的采樣速率為0kbit/s,時間窗口長度為900s。圖中對比可見運行平滑功率策略后功率波動更加嚴重。

為解決上述不但無法平抑風功率波動反而造成總波動增加的問題,在后續調試過程中,將功率平控制算法的控制周期增加到約PCS響應時間的2倍,約2s,即控制算法的功率指令每間隔2s給PCS發送1次,得到功率平滑效果如圖5所示。

由圖5可知,風機功率波動峰值為900kw,平滑后的功率波動峰值降為425kw,消除波動達52.8%,平抑效果較為明顯。控制算法周期為2s時對應控制環路帶寬為0.5Hz。根據香農定理,可以分析并濾除的功率信號的頻率不高于0.2H。實際工程中可以起到功率平滑效果的頻率要低于該理想情況下的頻率,本文實測顯示,對于0.1Hz的功率波動具有平抑的效果,對于0.1以上的高頻功率波動則無法消除。

儲能系統應用中經常提到緊急調頻和緊急調壓功能,值得注意的是上述2種功能的實現需要儲能系統對電網電壓和頻率的變化具有ms級的響應速度。以本文PCS的響應速度,顯然無法實現緊急調頻和緊急調壓功能。根據本文調研,大多數商業化儲能PCS的響應速度都無法滿足上述功能的要求,這值得儲能系統應用相關人員加以關注。

4.儲能集裝箱結構和布局對可用性的影響

對于集中式儲能而言,儲能系統位于建筑物內空間相對寬松,溫度控制由建筑物的暖通系統實現。本文1機1儲的風電-電池儲能系統采用集裝箱式設計,儲能系統的結構和布局設計不僅影響儲能集裝箱的強度、系統的運輸和維護,也與儲能系統的溫度管理密切相關。

圖6所示為儲能集裝箱俯視圖。儲能電池,FCS和EMS布置于儲能集裝箱內。儲能電池4組并聯,全部布置于集裝箱右側(以進門為正方向),左側空間保留為走道,供巡祝和維修使用。由于儲能電池是儲能系統中體積*大、質量*重的部件,本文中采取的不對稱布局使儲能系統*心偏右、偏高,對儲能系統的運輸安全不利,偏右使得安裝時左右地基受力不均,提高了對地基強度的要求。

內蒙古夏季溫度早晚溫差大,白天*高溫度可達30℃,但時間短,冬季氣溫可低至零下40℃。為針對性地改善儲能集裝箱的溫控效果,該風電場溫度控制采取了夏季空冷,冬季加熱的方式,同時對集裝箱內部的散熱氣流路徑和加熱氣流路徑進行了不同的設計。

夏天散熱模式時,集裝箱側壁上方的帶風嘲可開閉出風口開啟,同時電池底部帶風扇可開閉擋風板關閉,強迫外部空氣向上通過儲能電池的間隙,起到強制散熱的作用,氣流路徑如圖7所示。

冬季加熱模式時,電池下方的帶風扇可開閉擋風板開啟,右下側進風口和左上側的帶風扇可開閉出風口關閉,強迫熱風進行順時針循環,起到強制均勻加熱的效果,氣流路徑如圖8所示。

除此以外,針對我國北方風沙大的特點,對儲能集裝箱進風口采取了多層濾網的防風沙設計。經過在內蒙古某風電場實際運行,經歷了當地夏天近30℃的氣溫,秋天的風沙和冬天零下30℃的嚴寒電池溫度維持在15-35℃,電池問溫差不大于5℃。用,保證了電池儲能系統對環境溫度和條件的適應能力,同時集裝箱式設計地簡化了現場施工,利于設備的維護。

5.Acrel-2000ES儲能柜能量管理系統

5.1系統概述

安科瑞儲能能量管理系統Acrel-2000ES，專門針對工商業儲能柜、儲能集裝箱研發的一款儲能EMS，具有完善的儲能監控與管理功能,涵蓋了儲能系統設備(PCS、BMS、電表、消防、空調等)的詳細信息,實現了數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢與分析、可視化監控、報警管理、統計報表等功能。在高級應用上支持能量調度,具備計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。

5.2系統結構

Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務器將儲能柜或者儲能集裝箱內部的設備接入系統。

5.3系統功能

5.3.1實時監測

系統人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態，實時監測PCS、BMS以及環境參數信息，如電參量、溫度、濕度等。實時顯示有關故障、告警、收益等信息。

5.3.2設備監控

系統能夠實時監測PCS、BMS、電表、空調、消防、除濕機等設備的運行狀態及運行模式。

PCS監控：滿足儲能變流器的參數與限值設置；運行模式設置；實現儲能變流器交直流側電壓、電流、功率及充放電量參數的采集與展示；實現PCS通訊狀態、啟停狀態、開關狀態、異常告警等狀態監測。

BMS監控：滿足電池管理系統的參數與限值設置；實現儲能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監測；實現電池充放電狀態、電壓、電流及溫度異常狀態的告警。

空調監控：滿足環境溫度的監測，可根據設置的閾值進行空調溫度的聯動調節，并實時監測空調的運行狀態及溫濕度數據，以曲線形式進行展示。

UPS監控：滿足UPS的運行狀態及相關電參量監測。

5.3.3曲線報表

系統能夠對PCS充放電功率曲線、SOC變換曲線、及電壓、電流、溫度等歷史曲線的查詢與展示。

5.3.4策略配置

滿足儲能系統設備參數的配置、電價參數與時段的設置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制等。

5.3.5實時報警

儲能能量管理系統具有實時告警功能，系統能夠對儲能充放電越限、溫度越限、設備故障或通信故障等事件發出告警。

5.3.6事件查詢統計

儲能能量管理系統能夠對遙信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

5.3.7遙控操作

可以通過每個設備下面的紅色按鈕對PCS、風機、除濕機、空調控制器、照明等設備進行相應的控制，但是當設備未通信上時，控制按鈕會顯示無效狀態。

5.3.8用戶權限管理

儲能能量管理系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控的操作，數據庫修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

6.相關平臺部署硬件選型清單

7.結束語

在設計和實現風電-電池儲能系統的過程中,除了著眼于基本的控制策略功能實現以外,還需對其他影響系統可用性的因素加以關注。

(1)為避免電池、PCS、BMS、EMS、溫控系統和消防系統的能量損耗導致儲能系統的能量持續降低,在風儲能量管理系統的設計中需要對上述損耗加以補償,選擇性功率偏置可以起到良好的效果。

(2)PCS的指令響應速度對風儲系統控制策略的運行效果有著至關*要的影響。PCS響應速度較低時,功率平滑效果將受到影響,如果與EMS指令周期配合不當甚至會適得其反。EMS指令周期需大于PCS的響應時間。

(3)風電-電池儲能系統采用集裝箱式設計方便了儲能系統運輸、施工和維護。儲能系統的溫控管理設計需要對散熱氣流和加熱氣流路徑分別加以考慮方可起到良好的熱管理效果。

參考文獻

[1］張敏吉，梁嘉，孫洋州.分布式風電-電池儲能系統可用性分析

[2］呂靖峰．我國風能產業發展及政策研究[D]．北京：民族大學，2013

[3] 企業微電網設計與應用手冊2022.05版.