重塑能源未來：分布式風(fēng)電電池儲能系統(tǒng)的可用性深度剖析與魅力展現(xiàn)

【摘要】以內(nèi)蒙古某一實際分布式風(fēng)電-電池儲能系統(tǒng)的設(shè)計和運行效果為基礎(chǔ),對影響其可用性的關(guān)鍵因素進行了分析。結(jié)果顯示:能量管理系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮功率補償控制以抵消儲能系統(tǒng)內(nèi)部功率損耗;功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(powerconver,PCs)的響應(yīng)時間對系統(tǒng)性能具有*要影響,控制算法的功率指令周期需與PCS響應(yīng)時間匹配;儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和布局也對儲能系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性有著*要影響。風(fēng)電-電池儲能系統(tǒng)可用性對其實際推廣應(yīng)用具有*要影響,該文對影響風(fēng)電-電池儲能系統(tǒng)應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題提出了相應(yīng)的解決方法,為風(fēng)儲系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用提供參考。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)儲系統(tǒng):能量管理系統(tǒng):功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(PCS)響應(yīng)時間;溫度控制設(shè)計

0.引言

風(fēng)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(fēng)能隨機波動的特點,造成風(fēng)電出力的頻繁波動,使電網(wǎng)的調(diào)頻、調(diào)峰壓力加大,成為長期困擾風(fēng)電并網(wǎng)的主要難題。

我國的棄風(fēng)限電*次出現(xiàn)于2010年,此后棄風(fēng)從零星現(xiàn)象快速擴散,2012年的情況*為嚴*,棄風(fēng)率達17%。之后隨著出臺一系列政策鼓勵風(fēng)電并網(wǎng)消納,我國棄風(fēng)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(fā)布數(shù)據(jù)顯示,上半年全國平均棄風(fēng)率為15.2%,風(fēng)電棄電量達175億kW·h,同比增加101億kw·h,造成經(jīng)濟損失接近87億元,創(chuàng)3年來同期新高。2015年上半年棄風(fēng)限電主要集中在蒙西(棄風(fēng)率20%)、甘肅(棄風(fēng)率31%)和新疆(棄風(fēng)率28.82%)。

將電池儲能系統(tǒng)與風(fēng)電結(jié)合,可以平滑機組輸出、提高風(fēng)電輸出與預(yù)測的置信度、提高風(fēng)電可調(diào)度性及實現(xiàn)峰值轉(zhuǎn)移,有效改善風(fēng)電對電網(wǎng)的影響國內(nèi)外對電池儲能技術(shù)在風(fēng)電上的應(yīng)用均十分關(guān)注。

國內(nèi),2011年電網(wǎng)在張北投運的20MW電池儲能站(一期)主要定位于配合風(fēng)電和光伏接人。2013年在國電龍源臥牛石風(fēng)電場投運的5MW/10(MW·h)全釩液流電池儲能設(shè)計實現(xiàn)配合風(fēng)電接人的功能。國外儲能技術(shù)與風(fēng)電的配合應(yīng)用更早。2005年日本住友電工開發(fā)的4MW/6(MW·h)全釩液流儲能電池系統(tǒng)安裝在北海道的30MW風(fēng)電場示范運行。2008年日本風(fēng)電開發(fā)公司在Rokksasho5lMw風(fēng)電場安裝了34MW/1169.6(MW·h)的鈉硫電池以平抑風(fēng)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(fēng)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(fēng)電場安裝15MW/15(MW·h)的鋰電池儲能系統(tǒng)。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(yīng)加利福尼亞州提出的2020年要導(dǎo)人高達33%可再生能源的目標(biāo)。

儲能技術(shù)與風(fēng)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(guī)劃集中的建設(shè)場地,其建設(shè)涉及征地和審批方面的工作。

分布式儲能則可以在風(fēng)機旁就地布置,聯(lián)會協(xié)調(diào)控制,具有控制靈活的優(yōu)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(guān)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(yīng)用及其應(yīng)用中的問題則鮮見論述。本文針對分布式儲能工程應(yīng)用中對可用性影響的因素進行分析探討,供相關(guān)應(yīng)用設(shè)計參考。

1.分布式風(fēng)電-電池儲能系統(tǒng)

分布式風(fēng)電-電池儲能系統(tǒng)是1臺風(fēng)機配置1套儲能系統(tǒng),或者幾臺風(fēng)機配置1套儲能系統(tǒng),單套儲能系統(tǒng)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(fēng)電-電池儲能系統(tǒng)以單臺或幾臺風(fēng)機為直接控制對象,以風(fēng)電場整體優(yōu)化為目標(biāo),其配置安裝和控制方式較為靈活,通過多系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)控制可以*大程度降低風(fēng)電場內(nèi)部線損,在單臺風(fēng)機或單臺儲能系統(tǒng)發(fā)生故障時可以進行協(xié)調(diào)邏輯的重組，以繼續(xù)實現(xiàn)*優(yōu)運行,但其協(xié)調(diào)控制較為復(fù)雜,整體協(xié)調(diào)控制要求高。由于每臺儲能系統(tǒng)均需獨立的測量和控制系統(tǒng),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(cè)并聯(lián),也可采用直流側(cè)并聯(lián)。交流側(cè)并聯(lián)時，風(fēng)機與儲能系統(tǒng)之間的控制系統(tǒng)相互解耦,實現(xiàn)方便,也是目前技術(shù)上較為成熟的方式。1機1儲的分布式儲能系統(tǒng)的安裝既可以采用集裝箱形式在風(fēng)機旁就近安置,也可以將儲能系統(tǒng)置于風(fēng)機塔筒內(nèi)部。其中前者更具有模塊化思路,工程實施方便;后者需要風(fēng)機廠商與儲能廠商的配會,目前尚未見實用。

在內(nèi)蒙古某49.5MW風(fēng)電場選取1臺風(fēng)機實施的分布式1機1儲項目即采用交流690V側(cè)并聯(lián),單臺風(fēng)機容量為1.5MW,儲能集裝箱在風(fēng)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(tǒng)功率損耗考慮不足導(dǎo)致電池荷電狀態(tài)(stateofchargeS0C)不斷降低以致于*終無法運行,控制周期設(shè)計不合理反致整個系統(tǒng)功率波動增加,溫度控制(簡稱溫控)系統(tǒng)氣流路徑設(shè)計不合理造成電池溫差過大等問題,這些控制和設(shè)計因素直接影響到風(fēng)儲系統(tǒng)的可用性,值得相關(guān)技術(shù)人員加以關(guān)注。

2.風(fēng)儲能量管理系統(tǒng)控制策略對可用性的影響

能量管理系統(tǒng)(energymanagementsystem,EMS)實時采集電網(wǎng)信息并從電池管理系統(tǒng)(battenmanagementsystem，BMs)獲取電池信息以實現(xiàn)風(fēng)儲系統(tǒng)的頂層控制功能?？刂撇呗园?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(diào)壓、調(diào)頻和電池保護。圖1為風(fēng)儲EMS就地挖制結(jié)構(gòu)框圖。無論風(fēng)儲EMS的控制目標(biāo)如何,其通過指令直接調(diào)節(jié)的僅是功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(powerconvetem，PCs)的有功功率和無功功率，直接改變的是風(fēng)電機組低壓側(cè)的有功、無功功率和頻率。

在EMS就地控制系統(tǒng)中,將匯流點三相電壓、電流進行P/Q分解,得到風(fēng)電機組和儲能系統(tǒng)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(jù),無功功率作為無功補償(電壓調(diào)整)的主要依據(jù)。將三相電壓信號進行頻率提取,作為緊急調(diào)頻情況下有功功率輸出控制的主要依據(jù)。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(jù)理想情況設(shè)計的控制策略在實際應(yīng)用中卻無法正常運行。在各種理想的控制策略中,設(shè)計目標(biāo)是使得交流側(cè)并網(wǎng)點的充放電能量保持平衡,即能量積分為0。而儲能系統(tǒng)充放電運行過程中,電池、BMS.PCS.EMS,溫控系統(tǒng)和消防系統(tǒng)等均有能量損耗,上述能量損耗均發(fā)生在并網(wǎng)點以下(直流側(cè)或者PCS上),能量的損耗體現(xiàn)為內(nèi)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(wǎng)得到補充,結(jié)果導(dǎo)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(guān)。

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

為確保風(fēng)電-電池儲能系統(tǒng)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(qū)間內(nèi)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(chǔ)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(dāng)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(tǒng)SOC向著50%運行。當(dāng)電池SOC低于50時,在理想控制策略輸出指令的基礎(chǔ)上附加使電池SOC向上的充電功率偏置,此功率偏置應(yīng)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(shè)置限值。為保證附加的偏置功率不會對原控制策略指令產(chǎn)生嚴重影響,對偏置功率設(shè)置了上限值。

3.功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)響應(yīng)速度對可用性的影響

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

PCS指令響應(yīng)時間由EMS與PCS之間的通訊延遲時間、PCS功率控制環(huán)執(zhí)行時間構(gòu)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(yīng)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(guī)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(yīng)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(dǎo)致風(fēng)儲系統(tǒng)對快速的功率波動無法有效平抑,嚴重時甚至?xí)?dǎo)致風(fēng)儲系統(tǒng)總功率波動的增加。在內(nèi)蒙古某風(fēng)電場風(fēng)儲系統(tǒng)調(diào)試階段實測得到的風(fēng)機功率波動情況即是如此。實測得到的風(fēng)機功率波形和風(fēng)-儲總功率波動如圖4所示。

圖4中,功率方向以風(fēng)-儲吸收電能為正,以風(fēng)-儲向外放出電能為負,故圖中顯示風(fēng)機輸出功率為負值。圖4對應(yīng)的測試中,平滑功率控制算法按照濾波時間常數(shù)為10min計算出對PCS的功率指令百接發(fā)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(fēng)功率波動反而造成總波動增加的問題,在后續(xù)調(diào)試過程中,將功率平控制算法的控制周期增加到約PCS響應(yīng)時間的2倍,約2s,即控制算法的功率指令每間隔2s給PCS發(fā)送1次,得到功率平滑效果如圖5所示。

由圖5可知,風(fēng)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?？刂扑惴ㄖ芷跒?s時對應(yīng)控制環(huán)路帶寬為0.5Hz。根據(jù)香農(nóng)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(tǒng)應(yīng)用中經(jīng)常提到緊急調(diào)頻和緊急調(diào)壓功能,值得注意的是上述2種功能的實現(xiàn)需要儲能系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓和頻率的變化具有ms級的響應(yīng)速度。以本文PCS的響應(yīng)速度,顯然無法實現(xiàn)緊急調(diào)頻和緊急調(diào)壓功能。根據(jù)本文調(diào)研,大多數(shù)商業(yè)化儲能PCS的響應(yīng)速度都無法滿足上述功能的要求,這值得儲能系統(tǒng)應(yīng)用相關(guān)人員加以關(guān)注。

4.儲能集裝箱結(jié)構(gòu)和布局對可用性的影響

對于集中式儲能而言,儲能系統(tǒng)位于建筑物內(nèi)空間相對寬松,溫度控制由建筑物的暖通系統(tǒng)實現(xiàn)。本文1機1儲的風(fēng)電-電池儲能系統(tǒng)采用集裝箱式設(shè)計,儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和布局設(shè)計不僅影響儲能集裝箱的強度、系統(tǒng)的運輸和維護,也與儲能系統(tǒng)的溫度管理密切相關(guān)。

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(nèi)。儲能電池4組并聯(lián),全部布置于集裝箱右側(cè)(以進門為正方向),左側(cè)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(tǒng)中體積*大、質(zhì)量*重的部件,本文中采取的不對稱布局使儲能系統(tǒng)*心偏右、偏高,對儲能系統(tǒng)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(nèi)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(fēng)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(nèi)部的散熱氣流路徑和加熱氣流路徑進行了不同的設(shè)計。

夏天散熱模式時,集裝箱側(cè)壁上方的帶風(fēng)嘲可開閉出風(fēng)口開啟,同時電池底部帶風(fēng)扇可開閉擋風(fēng)板關(guān)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(fēng)扇可開閉擋風(fēng)板開啟,右下側(cè)進風(fēng)口和左上側(cè)的帶風(fēng)扇可開閉出風(fēng)口關(guān)閉,強迫熱風(fēng)進行順時針循環(huán),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(fēng)沙大的特點,對儲能集裝箱進風(fēng)口采取了多層濾網(wǎng)的防風(fēng)沙設(shè)計。經(jīng)過在內(nèi)蒙古某風(fēng)電場實際運行,經(jīng)歷了當(dāng)?shù)叵奶旖?0℃的氣溫,秋天的風(fēng)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(tǒng)對環(huán)境溫度和條件的適應(yīng)能力,同時集裝箱式設(shè)計地簡化了現(xiàn)場施工,利于設(shè)備的維護。

5.Acrel-2000ES儲能柜能量管理系統(tǒng)

5.1系統(tǒng)概述

安科瑞儲能能量管理系統(tǒng)Acrel-2000ES，專門針對工商業(yè)儲能柜、儲能集裝箱研發(fā)的一款儲能EMS，具有完善的儲能監(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲能系統(tǒng)設(shè)備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)的詳細信息,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計報表等功能。在高級應(yīng)用上支持能量調(diào)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(tǒng)結(jié)構(gòu)

Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務(wù)器將儲能柜或者儲能集裝箱內(nèi)部的設(shè)備接入系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：

5.3系統(tǒng)功能

5.3.1實時監(jiān)測

系統(tǒng)人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測PCS、BMS以及環(huán)境參數(shù)信息，如電參量、溫度、濕度等。實時顯示有關(guān)故障、告警、收益等信息。

5.3.2設(shè)備監(jiān)控

系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測PCS、BMS、電表、空調(diào)、消防、除濕機等設(shè)備的運行狀態(tài)及運行模式。

PCS監(jiān)控：滿足儲能變流器的參數(shù)與限值設(shè)置；運行模式設(shè)置；實現(xiàn)儲能變流器交直流側(cè)電壓、電流、功率及充放電量參數(shù)的采集與展示；實現(xiàn)PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開關(guān)狀態(tài)、異常告警等狀態(tài)監(jiān)測。

BMS監(jiān)控：滿足電池管理系統(tǒng)的參數(shù)與限值設(shè)置；實現(xiàn)儲能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監(jiān)測；實現(xiàn)電池充放電狀態(tài)、電壓、電流及溫度異常狀態(tài)的告警。

空調(diào)監(jiān)控：滿足環(huán)境溫度的監(jiān)測，可根據(jù)設(shè)置的閾值進行空調(diào)溫度的聯(lián)動調(diào)節(jié)，并實時監(jiān)測空調(diào)的運行狀態(tài)及溫濕度數(shù)據(jù)，以曲線形式進行展示。

UPS監(jiān)控：滿足UPS的運行狀態(tài)及相關(guān)電參量監(jiān)測。

5.3.3曲線報表

系統(tǒng)能夠?qū)CS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(tǒng)設(shè)備參數(shù)的配置、電價參數(shù)與時段的設(shè)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(tǒng)具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)δ艹浞烹娫较?、溫度越限、設(shè)備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

5.3.6事件查詢統(tǒng)計

儲能能量管理系統(tǒng)能夠?qū)b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(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

5.3.7遙控操作

可以通過每個設(shè)備下面的紅色按鈕對PCS、風(fēng)機、除濕機、空調(diào)控制器、照明等設(shè)備進行相應(yīng)的控制，但是當(dāng)設(shè)備未通信上時，控制按鈕會顯示無效狀態(tài)。

5.3.8用戶權(quán)限管理

儲能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

6.相關(guān)平臺部署硬件選型清單

7.結(jié)束語

在設(shè)計和實現(xiàn)風(fēng)電-電池儲能系統(tǒng)的過程中,除了著眼于基本的控制策略功能實現(xiàn)以外,還需對其他影響系統(tǒng)可用性的因素加以關(guān)注。

(1)為避免電池、PCS、BMS、EMS、溫控系統(tǒng)和消防系統(tǒng)的能量損耗導(dǎo)致儲能系統(tǒng)的能量持續(xù)降低,在風(fēng)儲能量管理系統(tǒng)的設(shè)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(yīng)速度對風(fēng)儲系統(tǒng)控制策略的運行效果有著至關(guān)*要的影響。PCS響應(yīng)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(dāng)甚至?xí)m得其反。EMS指令周期需大于PCS的響應(yīng)時間。

(3)風(fēng)電-電池儲能系統(tǒng)采用集裝箱式設(shè)計方便了儲能系統(tǒng)運輸、施工和維護。儲能系統(tǒng)的溫控管理設(shè)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(fēng)電-電池儲能系統(tǒng)可用性分析

[2］呂靖峰．我國風(fēng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展及政策研究[D]．北京：民族大學(xué)，2013

[3] 企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.05版.