淺析分布式風電電池儲能係統可用性

hth下载地址 陳聰

【摘要】以內(nei) 蒙古某一實際分布式風電-電池儲(chu) 能係統的設計和運行效果為(wei) 基礎,對影響其可用性的關(guan) 鍵因素進行了分析。結果顯示:能量管理係統的設計需要考慮功率補償(chang) 控製以抵消儲(chu) 能係統內(nei) 部功率損耗;功率轉換係統的響應時間對係統性能具有*要影響,控製算法的功率指令周期需與(yu) PCS響應時間匹配;儲(chu) 能係統的結構和布局也對儲(chu) 能係統的環境適應性有著*要影響。風電-電池儲(chu) 能係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(chu) 能係統應用過程中出現的問題提出了相應的解決(jue) 方法,為(wei) 風儲(chu) 係統的推廣與(yu) 應用提供參考。

【關(guan) 鍵詞】風儲(chu) 係統:能量管理係統:功率轉換係統(PCS)響應時間;溫度控製設計

0.引言

風能作為(wei) 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(wei) 長期困擾風電並網的主要難題。

我國的棄風限電*次出現於(yu) 2010年,此後棄風從(cong) 零星現象快速擴散,2012年的情況*為(wei) 嚴(yan) *,棄風率達17%。之後隨著出台一係列政策鼓勵風電並網消納,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(wei) 15.2%,風電棄電量達175億(yi) kW·h,同比增加101億(yi) kw·h,造成經濟損失接近87億(yi) 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(chu) 能係統與(yu) 風電結合,可以平滑機組輸出、提高風電輸出與(yu) 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(nei) 外對電池儲(chu) 能技術在風電上的應用均十分關(guan) 注。

國內(nei) ,2011年電網在張北投運的20MW電池儲(chu) 能站(一期)主要定位於(yu) 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(chu) 能設計實現配合風電接人的功能。國外儲(chu) 能技術與(yu) 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(chu) 能電池係統安裝在北海道的30MW風電場示範運行。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年公布將於(yu) 2018年在蘇格蘭(lan) 彼得岬外海,為(wei) 15台6MW漂浮式離岸風電場安裝15MW/15(MW·h)的鋰電池儲(chu) 能係統。2016年美國聖地亞(ya) 哥電力公司實施2MW/8(MW·h)全釩液流電池儲(chu) 能項目,以響應加利福尼亞(ya) 州提出的2020年要導人高達33%可再生能源的目標。

儲(chu) 能技術與(yu) 風電的配合方式有集中式和分布式2種,上述儲(chu) 能電站均屬於(yu) 集中式儲(chu) 能,集中采取溫度控製措施、方便管理和維護。但集中式儲(chu) 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麵的工作。

分布式儲(chu) 能則可以在風機旁就地布置,聯會(hui) 協調控製,具有控製靈活的優(you) 點,同時在一定程度上克服了集中儲(chu) 能需要征地和審批的不足。目前相關(guan) 的研究和示範工作多針對集中式儲(chu) 能展開,對分布式儲(chu) 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(chu) 能工程應用中對可用性影響的因素進行分析探討,供相關(guan) 應用設計參考。

1.分布式風電-電池儲(chu) 能係統

分布式風電-電池儲(chu) 能係統是1台風機配置1套儲(chu) 能係統,或者幾台風機配置1套儲(chu) 能係統,單套儲(chu) 能係統容量相對要求較小,從(cong) 物理位置上講屬於(yu) 分布式儲(chu) 能。

分布式風電-電池儲(chu) 能係統以單台或幾台風機為(wei) 直接控製對象,以風電場整體(ti) 優(you) 化為(wei) 目標,其配置安裝和控製方式較為(wei) 靈活,通過多係統間的協調控製可以*大程度降低風電場內(nei) 部線損,在單台風機或單台儲(chu) 能係統發生故障時可以進行協調邏輯的重組，以繼續實現*優(you) 運行,但其協調控製較為(wei) 複雜,整體(ti) 協調控製要求高。由於(yu) 每台儲(chu) 能係統均需獨立的測量和控製係統,單位容量成本較高。

從(cong) 原理上講,1機1儲(chu) 配置的電氣連接既可采用交流側(ce) 並聯,也可采用直流側(ce) 並聯。交流側(ce) 並聯時，風機與(yu) 儲(chu) 能係統之間的控製係統相互解耦,實現方便,也是目前技術上較為(wei) 成熟的方式。1機1儲(chu) 的分布式儲(chu) 能係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(chu) 能係統置於(yu) 風機塔筒內(nei) 部。其中前者更具有模塊化思路,工程實施方便;後者需要風機廠商與(yu) 儲(chu) 能廠商的配會(hui) ,目前尚未見實用。

在內(nei) 蒙古某49.5MW風電場選取1台風機實施的分布式1機1儲(chu) 項目即采用交流690V側(ce) 並聯,單台風機容量為(wei) 1.5MW,儲(chu) 能集裝箱在風機旁就近安裝,容量為(wei) 500kWx2h。項目於(yu) 2015年5月成功投運。在實施過程中曾遇到因控製策略對實際係統功率損耗考慮不足導致電池荷電狀態(stateofchargeS0C)不斷降低以致於(yu) *終無法運行,控製周期設計不合理反致整個(ge) 係統功率波動增加,溫度控製(簡稱溫控)係統氣流路徑設計不合理造成電池溫差過大等問題,這些控製和設計因素直接影響到風儲(chu) 係統的可用性,值得相關(guan) 技術人員加以關(guan) 注。

2.風儲(chu) 能量管理係統控製策略對可用性的影響

能量管理係統(energymanagementsystem,EMS)實時采集電網信息並從(cong) 電池管理係統(battenmanagementsystem，BMs)獲取電池信息以實現風儲(chu) 係統的頂層控製功能。控製策略包括5個(ge) 控製策略和電池保護部分,即削峰填穀、計劃跟蹤、平滑功率、調壓、調頻和電池保護。圖1為(wei) 風儲(chu) EMS就地挖製結構框圖。無論風儲(chu) EMS的控製目標如何,其通過指令直接調節的僅(jin) 是功率轉換係統的有功功率和無功功率，直接改變的是風電機組低壓側(ce) 的有功、無功功率和頻率。

在EMS就地控製係統中,將匯流點三相電壓、電流進行P/Q分解,得到風電機組和儲(chu) 能係統整體(ti) 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(wei) 功率平滑,削峰填穀,計劃跟蹤控製的主要依據,無功功率作為(wei) 無功補償(chang) (電壓調整)的主要依據。將三相電壓信號進行頻率提取,作為(wei) 緊急調頻情況下有功功率輸出控製的主要依據。其控製策略框圖如圖2所示。

上述控製策略原理簡單,但根據理想情況設計的控製策略在實際應用中卻無法正常運行。在各種理想的控製策略中,設計目標是使得交流側(ce) 並網點的充放電能量保持平衡,即能量積分為(wei) 0。而儲(chu) 能係統充放電運行過程中,電池、BMS.PCS.EMS,溫控係統和消防係統等均有能量損耗,上述能量損耗均發生在並網點以下(直流側(ce) 或者PCS上),能量的損耗體(ti) 現為(wei) 內(nei) 耗。僅(jin) 考慮理想條件的控製策略無法使得能量的損失從(cong) 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(yu) 電池充放電效率和PS效率直接相關(guan) 。

項目實施中發現,如控製策略不考慮儲(chu) 能係統的功率損耗,運行24h後2台儲(chu) 能集裝箱內(nei) 的電池SOC均下降了20%左右。

為(wei) 確保風電-電池儲(chu) 能係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的運行範圍限製在一個(ge) 以50%為(wei) 的較窄區間內(nei) 以避免電池SOC上下越限。采取的措施如下詳述。

（1） 在理想控製策略輸出指令的基礎上選擇件地附加功率偏置。由於(yu) 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,直接將理想控製策略的輸出指令作為(wei) 控製PCS的指令。此時利用電池和PCS本身的功率損耗使得儲(chu) 能係統SOC向著50%運行。當電池SOC低於(yu) 50時,在理想控製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,此功率偏置應大於(yu) 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(wei) 保證附加的偏置功率不會(hui) 對原控製策略指令產(chan) 生嚴(yan) 重影響,對偏置功率設置了上限值。

3.功率轉換係統響應速度對可用性的影響

PCS接受來自EMS的功率指令並執行,儲(chu) 能係統的功率輸人輸出均通過PCS進行。EMS係統的控製速度由采樣速度、EMS控製算法速度和PCS的指令響應速度共同決(jue) 定。在實際工程中,PCS的指令響應速度低於(yu) 前兩(liang) 者,對風儲(chu) 係統控製策略的運行效果有著至關(guan) 重要的影響。

PCS指令響應時間由EMS與(yu) PCS之間的通訊延遲時間、PCS功率控製環執行時間構成。後者通常為(wei) 幾到幾十ms,EMS與(yu) PCS之間的通訊延遲時間遠遠大於(yu) 後者。

為(wei) 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(wei) 15,3060,90和120s。指令功率的正弦變化周期為(wei) 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後,滯後時間約為(wei) 1s左右,且存在一定的抖動。上述滯後導致風儲(chu) 係統對快速的功率波動無法有效平抑,嚴(yan) 重時甚至會(hui) 導致風儲(chu) 係統總功率波動的增加。在內(nei) 蒙古某風電場風儲(chu) 係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(chu) 總功率波動如圖4所示。

圖4中,功率方向以風-儲(chu) 吸收電能為(wei) 正,以風-儲(chu) 向外放出電能為(wei) 負,故圖中顯示風機輸出功率為(wei) 負值。圖4對應的測試中,平滑功率控製算法按照濾波時間常數為(wei) 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(wei) 0kbit/s,時間窗口長度為(wei) 900s。圖中對比可見運行平滑功率策略後功率波動更加嚴(yan) 重。

為(wei) 解決(jue) 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,在後續調試過程中,將功率平控製算法的控製周期增加到約PCS響應時間的2倍,約2s,即控製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(wei) 900kw,平滑後的功率波動峰值降為(wei) 425kw,消除波動達52.8%,平抑效果較為(wei) 明顯。控製算法周期為(wei) 2s時對應控製環路帶寬為(wei) 0.5Hz。根據香農(nong) 定理,可以分析並濾除的功率信號的頻率不高於(yu) 0.2H。實際工程中可以起到功率平滑效果的頻率要低於(yu) 該理想情況下的頻率,本文實測顯示,對於(yu) 0.1Hz的功率波動具有平抑的效果,對於(yu) 0.1以上的高頻功率波動則無法消除。

儲(chu) 能係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(chu) 能係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(ye) 化儲(chu) 能PCS的響應速度都無法滿足上述功能的要求,這值得儲(chu) 能係統應用相關(guan) 人員加以關(guan) 注。

4.儲(chu) 能集裝箱結構和布局對可用性的影響

對於(yu) 集中式儲(chu) 能而言,儲(chu) 能係統位於(yu) 建築物內(nei) 空間相對寬鬆,溫度控製由建築物的暖通係統實現。本文1機1儲(chu) 的風電-電池儲(chu) 能係統采用集裝箱式設計,儲(chu) 能係統的結構和布局設計不僅(jin) 影響儲(chu) 能集裝箱的強度、係統的運輸和維護,也與(yu) 儲(chu) 能係統的溫度管理密切相關(guan) 。

圖6所示為(wei) 儲(chu) 能集裝箱俯視圖。儲(chu) 能電池,FCS和EMS布置於(yu) 儲(chu) 能集裝箱內(nei) 。儲(chu) 能電池4組並聯,全部布置於(yu) 集裝箱右側(ce) (以進門為(wei) 正方向),左側(ce) 空間保留為(wei) 走道,供巡祝和維修使用。由於(yu) 儲(chu) 能電池是儲(chu) 能係統中體(ti) 積*大、質量*重的部件,本文中采取的不對稱布局使儲(chu) 能係統*心偏右、偏高,對儲(chu) 能係統的運輸安全不利,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(nei) 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(wei) 針對性地改善儲(chu) 能集裝箱的溫控效果,該風電場溫度控製采取了夏季空冷,冬季加熱的方式,同時對集裝箱內(nei) 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(ce) 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(guan) 閉,強迫外部空氣向上通過儲(chu) 能電池的間隙,起到強製散熱的作用,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(ce) 進風口和左上側(ce) 的帶風扇可開閉出風口關(guan) 閉,強迫熱風進行順時針循環,起到強製均勻加熱的效果,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(chu) 能集裝箱進風口采取了多層濾網的防風沙設計。經過在內(nei) 蒙古某風電場實際運行,經曆了當地夏天近30℃的氣溫,秋天的風沙和冬天零下30℃的嚴(yan) 寒電池溫度維持在15-35℃,電池問溫差不大於(yu) 5℃。用,保證了電池儲(chu) 能係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,利於(yu) 設備的維護。

5.Acrel-2000ES儲(chu) 能櫃能量管理係統

5.1係統概述

hth下载地址儲(chu) 能能量管理係統Acrel-2000ES，專(zhuan) 門針對工商業(ye) 儲(chu) 能櫃、儲(chu) 能集裝箱研發的一款儲(chu) 能EMS，具有完善的儲(chu) 能監控與(yu) 管理功能,涵蓋了儲(chu) 能係統設備(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(chu) 、數據查詢與(yu) 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、削峰填穀、需量控製、防逆流等控製功能。

5.2係統結構

Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務器將儲(chu) 能櫃或者儲(chu) 能集裝箱內(nei) 部的設備接入係統。

5.3係統功能

5.3.1實時監測

係統人機界麵友好，能夠顯示儲(chu) 能櫃的運行狀態，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(guan) 故障、告警、收益等信息。

5.3.2設備監控

係統能夠實時監測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(chu) 能變流器的參數與(yu) 限值設置；運行模式設置；實現儲(chu) 能變流器交直流側(ce) 電壓、電流、功率及充放電量參數的采集與(yu) 展示；實現PCS通訊狀態、啟停狀態、開關(guan) 狀態、異常告警等狀態監測。

BMS監控：滿足電池管理係統的參數與(yu) 限值設置；實現儲(chu) 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，並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(guan) 電參量監測。

5.3.3曲線報表

係統能夠對PCS充放電功率曲線、SOC變換曲線、及電壓、電流、溫度等曆史曲線的查詢與(yu) 展示。

5.3.4策略配置

滿足儲(chu) 能係統設備參數的配置、電價(jia) 參數與(yu) 時段的設置、控製策略的選擇。目前支持的控製策略包含計劃曲線、削峰填穀、需量控製等。

5.3.5實時報警

儲(chu) 能能量管理係統具有實時告警功能，係統能夠對儲(chu) 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(chu) 能能量管理係統能夠對遙信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進行存儲(chu) 和管理，方便用戶對係統事件和報警進行曆史追溯，查詢統計、事故分析。

5.3.7遙控操作

可以通過每個(ge) 設備下麵的紅色按鈕對PCS、風機、除濕機、空調控製器、照明等設備進行相應的控製，但是當設備未通信上時，控製按鈕會(hui) 顯示無效狀態。

5.3.8用戶權限管理

儲(chu) 能能量管理係統為(wei) 保障係統安全穩定運行，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(yi) 不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為(wei) 係統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

6.相關(guan) 平台部署硬件選型清單

7.結束語

在設計和實現風電-電池儲(chu) 能係統的過程中,除了著眼於(yu) 基本的控製策略功能實現以外,還需對其他影響係統可用性的因素加以關(guan) 注。

(1)為(wei) 避免電池、PCS、BMS、EMS、溫控係統和消防係統的能量損耗導致儲(chu) 能係統的能量持續降低,在風儲(chu) 能量管理係統的設計中需要對上述損耗加以補償(chang) ,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(chu) 係統控製策略的運行效果有著至關(guan) *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(yu) EMS指令周期配合不當甚至會(hui) 適得其反。EMS指令周期需大於(yu) PCS的響應時間。

(3)風電-電池儲(chu) 能係統采用集裝箱式設計方便了儲(chu) 能係統運輸、施工和維護。儲(chu) 能係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

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