【摘要】以?xún)让晒拍骋粚?shí)際分布式風(fēng)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(guān)鍵因素進(jìn)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(powerconver,PCs)的響應時(shí)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(shí)間匹配;儲能系統的結構和布局也對儲能系統的環(huán)境適應性有著(zhù)*要影響。風(fēng)電-電池儲能系統可用性對其實(shí)際推廣應用具有*要影響,該文對影響風(fēng)電-電池儲能系統應用過(guò)程中出現的問(wèn)題提出了相應的解決方法,為風(fēng)儲系統的推廣與應用提供參考。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)儲系統:能量管理系統:功率轉換系統(PCS)響應時(shí)間;溫度控制設計

0.引言

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

我國的棄風(fēng)限電*次出現于2010年,此后棄風(fēng)從零星現象快速擴散,2012年的情況*為嚴*,棄風(fēng)率達17%。之后隨著(zhù)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(jìn)一步降至8.5%。2015年7月,能源局發(fā)布數據顯示,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(lái)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%)。

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

國內,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(chǎng)投運的5MW/10(MW·h)全釩液流電池儲能設計實(shí)現配合風(fēng)電接人的功能。國外儲能技術(shù)與風(fēng)電的配合應用更早。2005年日本住友電工開(kāi)發(fā)的4MW/6(MW·h)全釩液流儲能電池系統安裝在北海道的30MW風(fēng)電場(chǎng)示范運行。2008年日本風(fēng)電開(kāi)發(fā)公司在Rokksasho5lMw風(fēng)電場(chǎng)安裝了34MW/1169.6(MW·h)的鈉硫電池以平抑風(fēng)電場(chǎng)輸出功率。挪威石油公司自2009年開(kāi)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(chǎng)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(shí)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(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,需要規劃集中的建設場(chǎng)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(fēng)機旁就地布置,聯(lián)會(huì )協(xié)調控制,具有控制靈活的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)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(kāi),對分布式儲能的應用及其應用中的問(wèn)題則鮮見(jiàn)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(jìn)行分析探討,供相關(guān)應用設計參考。

1.分布式風(fēng)電-電池儲能系統

分布式風(fēng)電-電池儲能系統是1臺風(fēng)機配置1套儲能系統,或者幾臺風(fēng)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(fēng)電-電池儲能系統以單臺或幾臺風(fēng)機為直接控制對象,以風(fēng)電場(chǎng)整體優(yōu)化為目標,其配置安裝和控制方式較為靈活,通過(guò)多系統間的協(xié)調控制可以*大程度降低風(fēng)電場(chǎng)內部線(xiàn)損,在單臺風(fēng)機或單臺儲能系統發(fā)生故障時(shí)可以進(jìn)行協(xié)調邏輯的重組，以繼續實(shí)現*優(yōu)運行,但其協(xié)調控制較為復雜,整體協(xié)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(lián),也可采用直流側并聯(lián)。交流側并聯(lián)時(shí)，風(fēng)機與儲能系統之間的控制系統相互解耦,實(shí)現方便,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,也可以將儲能系統置于風(fēng)機塔筒內部。其中前者更具有模塊化思路,工程實(shí)施方便;后者需要風(fēng)機廠(chǎng)商與儲能廠(chǎng)商的配會(huì ),目前尚未見(jiàn)實(shí)用。

在內蒙古某49.5MW風(fēng)電場(chǎng)選取1臺風(fēng)機實(shí)施的分布式1機1儲項目即采用交流690V側并聯(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(shí)施過(guò)程中曾遇到因控制策略對實(shí)際系統功率損耗考慮不足導致電池荷電狀態(tài)(stateofchargeS0C)不斷降低以致于*終無(wú)法運行,控制周期設計不合理反致整個(gè)系統功率波動(dòng)增加,溫度控制(簡(jiǎn)稱(chēng)溫控)系統氣流路徑設計不合理造成電池溫差過(guò)大等問(wèn)題,這些控制和設計因素直接影響到風(fēng)儲系統的可用性,值得相關(guān)技術(shù)人員加以關(guān)注。

2.風(fēng)儲能量管理系統控制策略對可用性的影響

能量管理系統(energymanagementsystem,EMS)實(shí)時(shí)采集電網(wǎng)信息并從電池管理系統(battenmanagementsystem，BMs)獲取電池信息以實(shí)現風(fēng)儲系統的頂層控制功能?？刂撇呗园?個(gè)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(fēng)儲EMS就地挖制結構框圖。無(wú)論風(fēng)儲EMS的控制目標如何,其通過(guò)指令直接調節的僅是功率轉換系統(powerconvetem，PCs)的有功功率和無(wú)功功率，直接改變的是風(fēng)電機組低壓側的有功、無(wú)功功率和頻率。

在EMS就地控制系統中,將匯流點(diǎn)三相電壓、電流進(jìn)行P/Q分解,得到風(fēng)電機組和儲能系統整體輸出的有功和無(wú)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(wú)功功率作為無(wú)功補償(電壓調整)的主要依據。將三相電壓信號進(jìn)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(jiǎn)單,但根據理想情況設計的控制策略在實(shí)際應用中卻無(wú)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(wǎng)點(diǎn)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(guò)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(fā)生在并網(wǎng)點(diǎn)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(wú)法使得能量的損失從電網(wǎng)得到補充,結果導致隨著(zhù)運行時(shí)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(shí)施中發(fā)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(fēng)電-電池儲能系統能夠長(cháng)期可靠地運行,同時(shí)考慮到SOC估算誤差通常較大的實(shí)際情況中,本文采取輔助措施將SOC的運行范圍限制在一個(gè)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(shí),直接將理想控制策略的輸出指令作為控制PCS的指令。此時(shí)利用電池和PCS本身的功率損耗使得儲能系統SOC向著(zhù)50%運行。當電池SOC低于50時(shí),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(zhù)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(huì )對原控制策略指令產(chǎn)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(lái)自EMS的功率指令并執行,儲能系統的功率輸人輸出均通過(guò)PCS進(jìn)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(shí)際工程中,PCS的指令響應速度低于前兩者,對風(fēng)儲系統控制策略的運行效果有著(zhù)至關(guān)重要的影響。

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

為掌握PCS的響應情況,本文對PCS進(jìn)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(shí),指令功率和測得的PCS實(shí)際輸出功率的曲線(xiàn)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(shí)間約為1s左右,且存在一定的抖動(dòng)。上述滯后導致風(fēng)儲系統對快速的功率波動(dòng)無(wú)法有效平抑,嚴重時(shí)甚至會(huì )導致風(fēng)儲系統總功率波動(dòng)的增加。在內蒙古某風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)儲系統調試階段實(shí)測得到的風(fēng)機功率波動(dòng)情況即是如此。實(shí)測得到的風(fēng)機功率波形和風(fēng)-儲總功率波動(dòng)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對應的測試中,平滑功率控制算法按照濾波時(shí)間常數為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(shí)間窗口長(cháng)度為900s。圖中對比可見(jiàn)運行平滑功率策略后功率波動(dòng)更加嚴重。

為解決上述不但無(wú)法平抑風(fēng)功率波動(dòng)反而造成總波動(dòng)增加的問(wèn)題,在后續調試過(guò)程中,將功率平控制算法的控制周期增加到約PCS響應時(shí)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(dòng)峰值為900kw,平滑后的功率波動(dòng)峰值降為425kw,消除波動(dòng)達52.8%,平抑效果較為明顯?？刂扑惴ㄖ芷跒?s時(shí)對應控制環(huán)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(shí)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(shí)測顯示,對于0.1Hz的功率波動(dòng)具有平抑的效果,對于0.1以上的高頻功率波動(dòng)則無(wú)法消除。

儲能系統應用中經(jīng)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(shí)現需要儲能系統對電網(wǎng)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(wú)法實(shí)現緊急調頻和緊急調壓功能。根據本文調研,大多數商業(yè)化儲能PCS的響應速度都無(wú)法滿(mǎn)足上述功能的要求,這值得儲能系統應用相關(guān)人員加以關(guān)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(shí)現。本文1機1儲的風(fēng)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(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。儲能電池4組并聯(lián),全部布置于集裝箱右側(以進(jìn)門(mén)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(zhì)量*重的部件,本文中采取的不對稱(chēng)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(shí)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(shí)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(chǎng)溫度控制采取了夏季空冷,冬季加熱的方式,同時(shí)對集裝箱內部的散熱氣流路徑和加熱氣流路徑進(jìn)行了不同的設計。

夏天散熱模式時(shí),集裝箱側壁上方的帶風(fēng)嘲可開(kāi)閉出風(fēng)口開(kāi)啟,同時(shí)電池底部帶風(fēng)扇可開(kāi)閉擋風(fēng)板關(guān)閉,強迫外部空氣向上通過(guò)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(shí),電池下方的帶風(fēng)扇可開(kāi)閉擋風(fēng)板開(kāi)啟,右下側進(jìn)風(fēng)口和左上側的帶風(fēng)扇可開(kāi)閉出風(fēng)口關(guān)閉,強迫熱風(fēng)進(jìn)行順時(shí)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(diǎn),對儲能集裝箱進(jìn)風(fēng)口采取了多層濾網(wǎng)的防風(fēng)沙設計。經(jīng)過(guò)在內蒙古某風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際運行,經(jīng)歷了當地夏天近30℃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(wèn)溫差不大于5℃。用,保證了電池儲能系統對環(huán)境溫度和條件的適應能力,同時(shí)集裝箱式設計地簡(jiǎn)化了現場(chǎng)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(zhuān)門(mén)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(shí)現了數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢(xún)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(xiàn)、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(guò)直采或者通過(guò)通訊管理或串口服務(wù)器將儲能柜或者儲能集裝箱內部的設備接入系統。系統結構如下：

5.3系統功能

5.3.1實(shí)時(shí)監測

系統人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測PCS、BMS以及環(huán)境參數信息，如電參量、溫度、濕度等。實(shí)時(shí)顯示有關(guān)故障、告警、收益等信息。

5.3.2設備監控

系統能夠實(shí)時(shí)監測PCS、BMS、電表、空調、消防、除濕機等設備的運行狀態(tài)及運行模式。

PCS監控：滿(mǎn)足儲能變流器的參數與限值設置；運行模式設置；實(shí)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(shí)現PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、異常告警等狀態(tài)監測。

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

空調監控：滿(mǎn)足環(huán)境溫度的監測，可根據設置的閾值進(jìn)行空調溫度的聯(lián)動(dòng)調節，并實(shí)時(shí)監測空調的運行狀態(tài)及溫濕度數據，以曲線(xiàn)形式進(jìn)行展示。

UPS監控：滿(mǎn)足UPS的運行狀態(tài)及相關(guān)電參量監測。

5.3.3曲線(xiàn)報表

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

5.3.4策略配置

滿(mǎn)足儲能系統設備參數的配置、電價(jià)參數與時(shí)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(xiàn)、削峰填谷、需量控制等。

5.3.5實(shí)時(shí)報警

儲能能量管理系統具有實(shí)時(shí)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(fā)出告警。

5.3.6事件查詢(xún)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(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統計、事故分析。

5.3.7遙控操作

可以通過(guò)每個(gè)設備下面的紅色按鈕對PCS、風(fēng)機、除濕機、空調控制器、照明等設備進(jìn)行相應的控制，但是當設備未通信上時(shí)，控制按鈕會(huì )顯示無(wú)效狀態(tài)。

5.3.8用戶(hù)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(hù)權限管理功能。通過(guò)用戶(hù)權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如遙控的操作，數據庫修改等）?？梢远x不同級別用戶(hù)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(guān)平臺部署硬件選型清單

7.結束語(yǔ)

在設計和實(shí)現風(fēng)電-電池儲能系統的過(guò)程中,除了著(zhù)眼于基本的控制策略功能實(shí)現以外,還需對其他影響系統可用性的因素加以關(guān)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(fēng)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(fēng)儲系統控制策略的運行效果有著(zhù)至關(guān)*要的影響。PCS響應速度較低時(shí),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(huì )適得其反。EMS指令周期需大于PCS的響應時(shí)間。

(3)風(fēng)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

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