分布式風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁嘉，張敏吉，孫洋洲，李碩，凌志斌

（1.中海油研究總院新能源研究中心，北京 100015；2.上海交通大學(xué)電氣工程系，上海 200240）

1 概述

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，日益受到世界各國的重視。我國風(fēng)電在建規(guī)模高居世界第一的同時(shí)，并網(wǎng)問題卻始終制約著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。有數(shù)據(jù)顯示，我國風(fēng)電裝機(jī)中有30%~40%的風(fēng)電并未能順利并網(wǎng)。

將電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（battery energy storage system-BESS）與風(fēng)電機(jī)組相配合，可以有效抑制或緩解風(fēng)電的波動(dòng)性，減小風(fēng)電對電網(wǎng)的影響[1]。大容量電池儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)電并網(wǎng)中能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能：

1）平滑風(fēng)電場/機(jī)組輸出。

2）提高風(fēng)電輸出與預(yù)測的一致性。

3）風(fēng)電峰值轉(zhuǎn)移。

4）保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)持續(xù)可靠供電。

5）提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性及冗余度。

6）提高風(fēng)電調(diào)度能力。

基于此，國內(nèi)外許多學(xué)者和組織展開了儲(chǔ)能與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)配合的研究與應(yīng)用示范。美國、日本等國家在多個(gè)風(fēng)電場配置了鋰電池、液流電池等電池儲(chǔ)能系統(tǒng)[2]，我國國家電網(wǎng)在張北建立了風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程，定位為配合大規(guī)模（多個(gè)風(fēng)電場和光伏電站）新能源并網(wǎng)，遼寧臥牛石風(fēng)電場建立了5 MW液流電池儲(chǔ)能站配合風(fēng)電的接入。上述儲(chǔ)能與新能源的配合形式均以一個(gè)風(fēng)電場或多個(gè)風(fēng)電場為整體考慮儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)配合，建設(shè)規(guī)模大，投資成本高[3-4]。

中國海洋石油新能源公司聯(lián)合多家單位正進(jìn)行儲(chǔ)能配合風(fēng)電接入的研究，以實(shí)現(xiàn)功率平滑、削峰填谷、計(jì)劃跟蹤和緊急調(diào)頻等功能。

2 項(xiàng)目概況和風(fēng)儲(chǔ)方案設(shè)計(jì)

研究本文所述項(xiàng)目所在地為中海油化德風(fēng)電場，該風(fēng)場設(shè)計(jì)裝機(jī)容量49.5 MW，采用33臺(tái)1.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。風(fēng)機(jī)出口電壓AC690 V，通過風(fēng)機(jī)旁的690 V/35 kV/1600 kV·A升壓變匯入風(fēng)電場35 kV線路，再經(jīng)35 kV/110 kV升壓變并入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)。

按照風(fēng)機(jī)與儲(chǔ)能系統(tǒng)的地理相對位置，儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備與風(fēng)電場風(fēng)機(jī)配置的方式有一機(jī)一儲(chǔ)、多機(jī)一儲(chǔ)、場站級(jí)儲(chǔ)能和多風(fēng)電場一儲(chǔ)等多種方式[5]。按照風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與儲(chǔ)能系統(tǒng)的電氣連接點(diǎn)電壓性質(zhì)，儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的配合有交流側(cè)并聯(lián)和直流側(cè)并聯(lián)兩種形式。不同的配置方式各具特點(diǎn)。

場站級(jí)儲(chǔ)能和多風(fēng)電場一儲(chǔ)的設(shè)備配置方式是指為一個(gè)或者多個(gè)風(fēng)電場配置一個(gè)儲(chǔ)能站。物理位置上屬于集中式儲(chǔ)能，可以集中采取溫控措施，方便管理和維護(hù)。因?yàn)轱L(fēng)機(jī)出口電壓為交流，故電氣連接上屬于交流側(cè)并聯(lián)方式。此兩種儲(chǔ)能配置方式在控制上以整個(gè)風(fēng)電場或多個(gè)風(fēng)電場整體作為控制目標(biāo)，關(guān)注整體對外特性的改善。

一機(jī)一儲(chǔ)和多機(jī)一儲(chǔ)則是為一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組或者多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組配置就近一套儲(chǔ)能系統(tǒng)。單套儲(chǔ)能系統(tǒng)容量相對要求較小，物理位置上屬于分布式儲(chǔ)能。分布式儲(chǔ)能以單臺(tái)或多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為直接控制對象，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，可以最大限度降低風(fēng)電場內(nèi)部線損。在單臺(tái)風(fēng)機(jī)或單臺(tái)儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下，通過對儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組邏輯關(guān)聯(lián)關(guān)系的重組，將故障風(fēng)電機(jī)組或者故障儲(chǔ)能系統(tǒng)從關(guān)聯(lián)集合中剔除，可以繼續(xù)實(shí)現(xiàn)故障情況下整個(gè)風(fēng)電場級(jí)別的最優(yōu)運(yùn)行[6]。分布式儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)控制較為復(fù)雜，整體協(xié)調(diào)控制要求高。由于每套儲(chǔ)能系統(tǒng)均需獨(dú)立的測控和溫控系統(tǒng)，因此該配置方式下儲(chǔ)能系統(tǒng)的單位容量成本較高。

其中，一機(jī)一儲(chǔ)的分布式儲(chǔ)能方式應(yīng)用最為靈活，既可以采用集裝箱形式在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組旁就近布置，也可以將儲(chǔ)能系統(tǒng)置于風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)部，見圖1。

圖1 一機(jī)一儲(chǔ)風(fēng)儲(chǔ)配合示意圖Fig.1 One storage system for one wind turbine diagram

從原理上講，一機(jī)一儲(chǔ)時(shí)，風(fēng)電機(jī)組與儲(chǔ)能系統(tǒng)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(shí)，風(fēng)電機(jī)組與儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的底層硬件控制完全相互解耦，實(shí)現(xiàn)方便，也是目前技術(shù)上較為成熟的方式；直流側(cè)并聯(lián)時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的底層硬件控制需要與風(fēng)電機(jī)組的底層硬件控制進(jìn)行深入地、電力電子開關(guān)周期級(jí)（μs級(jí)）的協(xié)調(diào)控制方能實(shí)現(xiàn)。其優(yōu)勢在于在降低風(fēng)電機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體成本的同時(shí)，還可有效提高風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越性能。直流側(cè)并聯(lián)不僅技術(shù)難度較高，且涉及到風(fēng)電機(jī)組廠商與儲(chǔ)能廠商配合問題。目前國外風(fēng)電機(jī)組廠商Vestas正在進(jìn)行相關(guān)的研究。

綜合比較上述方案，結(jié)合本項(xiàng)目目的，儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)優(yōu)選一機(jī)一儲(chǔ)、交流側(cè)并聯(lián)的配置方式。為了實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制功能，本項(xiàng)目在風(fēng)電場選取了2臺(tái)1.5 MW風(fēng)機(jī)，分別配置1臺(tái)250 kW×2 h集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)，箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)通過690 V/35 kV升壓箱變低壓側(cè)并入電網(wǎng)。

3 EMS系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

能量管理系統(tǒng)（energy management system）通過指令控制儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)出/吸收的有功功率和無功功率來實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電機(jī)組的配合功能。一機(jī)一儲(chǔ)的風(fēng)儲(chǔ)配置方式?jīng)Q定了風(fēng)儲(chǔ)EMS系統(tǒng)必然采取分布式控制結(jié)構(gòu)和方式。

整個(gè)風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示。

圖2 風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.2 Constitution of wind power-energy storage system

為保證EMS系統(tǒng)的可靠性，EMS采用就地控制、遠(yuǎn)程監(jiān)視的方式。就地控制由位于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)旁的EMS就地控制器實(shí)現(xiàn)，兩套儲(chǔ)能系統(tǒng)擁有各自獨(dú)立的就地控制系統(tǒng)，就地控制系統(tǒng)通過對升壓變低壓側(cè)總的輸出功率、電壓和頻率進(jìn)行監(jiān)測，按照設(shè)定的運(yùn)行模式控制儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電，達(dá)到平滑總風(fēng)電功率、無功補(bǔ)償、削峰填谷、緊急調(diào)頻和計(jì)劃跟蹤等目的[7，8]。即使中控室服務(wù)器和工作站因故損壞，或者現(xiàn)場與中控室的通訊由于意外情況發(fā)生中斷，也不會(huì)影響現(xiàn)場儲(chǔ)能系統(tǒng)的正常運(yùn)行，系統(tǒng)可靠性得到良好地保證。

圖3為風(fēng)儲(chǔ)EMS系統(tǒng)就地控制結(jié)構(gòu)框圖。無論風(fēng)儲(chǔ)EMS系統(tǒng)的控制目標(biāo)如何，其通過指令直接調(diào)節(jié)的僅僅是儲(chǔ)能系統(tǒng)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（power conversion system-PCS）的有功功率和無功功率，直接改變是風(fēng)電機(jī)組低壓側(cè)的有功、無功功率和頻率[9]。因此，電網(wǎng)側(cè)的反饋采樣點(diǎn)選取為風(fēng)電機(jī)組低壓側(cè)與儲(chǔ)能系統(tǒng)的匯流點(diǎn)。

圖3 風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Wind power storage system control structure diagram

在EMS就地控制系統(tǒng)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(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)整體輸出的有功和無功功率，其中測量計(jì)算得到有功功率作為功率平滑、削峰填谷、計(jì)劃跟蹤控制的主要依據(jù)，無功功率作為無功補(bǔ)償（電壓調(diào)整）的主要依據(jù)。將三相電壓信號(hào)進(jìn)行頻率提取，作為緊急調(diào)頻情況下的有功輸出控制的主要依據(jù)[10]。其控制策略框圖如圖4所示。

圖4 EMS控制策略框圖Fig.4 Control strategy diagram of EMS

為保證EMS就地控制器的硬件可靠性和通用性，控制平臺(tái)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，對三相電壓、電流信號(hào)的測量則通過具有隔離功能的PCI接口的數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)。為保證數(shù)據(jù)測量的準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)采集速度不低于每通道5 ksample/s，精度不低于12位。

EMS控制系統(tǒng)的控制周期對風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制性能至關(guān)重要。經(jīng)對控制策略的運(yùn)算量估算，采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)可確保EMS指令響應(yīng)速度達(dá)到毫秒級(jí)，為實(shí)現(xiàn)高的控制性能奠定了基礎(chǔ)。在電子系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件的可靠性遠(yuǎn)低于靜止的電子部件，為進(jìn)一步保證EMS就地控制器的可靠性，本項(xiàng)目中采用固態(tài)硬盤（solid state disk-SSD）取代計(jì)算機(jī)中傳統(tǒng)的機(jī)械旋轉(zhuǎn)硬盤，以避免機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件相對較低的可靠性對控制器整體可靠性的影響。

EMS就地控制器定期將就地?cái)?shù)據(jù)上傳到EMS服務(wù)器中，以便于后期的統(tǒng)計(jì)分析之用。

EMS工作站位于風(fēng)電場中控室中，運(yùn)行人員可通過EMS工作站設(shè)定EMS就地控制器運(yùn)行于風(fēng)電功率平滑、計(jì)劃功率跟蹤、調(diào)壓、調(diào)頻、削峰填谷等模式，工作模式指令以通訊形式下發(fā)給就地EMS控制器執(zhí)行。EMS工作站可實(shí)現(xiàn)對EMS服務(wù)器上歷史數(shù)據(jù)和事件記錄的檢索查詢、數(shù)據(jù)分析、生成圖形曲線和報(bào)表并打印輸出。

4 系統(tǒng)通訊方案設(shè)計(jì)

EMS就地控制器定時(shí)向EMS服務(wù)器上傳PCS、BMS和自身的當(dāng)前信息，EMS服務(wù)器將信息存儲(chǔ)以便日后分析。EMS就地控制器與EMS工作站實(shí)現(xiàn)雙向的信息交互，以在EMS工作站上實(shí)現(xiàn)實(shí)施信息顯示和人機(jī)操作。

EMS就地控制器與位于風(fēng)電場中控室的EMS服務(wù)器和EMS工作站之間的距離為3~4 km，距離較長，其通訊的可靠性對于EMS系統(tǒng)的正常工作至關(guān)重要。

在工業(yè)控制領(lǐng)域，通訊多采用高可靠性的現(xiàn)場總線技術(shù)，如Profibus、CAN等。多數(shù)現(xiàn)場總線采用金屬導(dǎo)線傳輸信號(hào)，但隨著距離的增加，共模干擾、差摸干擾和信號(hào)的衰減導(dǎo)致通訊可靠性無法滿足控制的要求[2]。采用無線傳輸技術(shù)很容易實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸，但相對有線通訊而言，無線通訊易受到地理?xiàng)l件和氣象條件的影響，可靠性較差。基于光纖的工業(yè)以太網(wǎng)可以有效避免傳輸時(shí)各種電磁干擾對傳輸信道的影響，是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高可靠傳輸?shù)氖走x。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，儲(chǔ)能系統(tǒng)PCS與就地EMS之間通訊信息點(diǎn)不超過50個(gè)，按照每個(gè)信息點(diǎn)4個(gè)字節(jié)計(jì)算，EMS就地控制器上傳給EMS服務(wù)器的數(shù)據(jù)量不大于50×4=200字節(jié)。每個(gè)BESS配置4個(gè)電池組，每個(gè)電池組由224個(gè)單體串聯(lián)，共計(jì)894個(gè)電池單體。EMS就地控制器上傳到EMS服務(wù)器的信息點(diǎn)包括單體電壓、單體溫度等信息，另考慮整串、整組的電流、電壓、SOC等信息以及故障信息，總信息點(diǎn)不超過2000個(gè)。以每個(gè)信息點(diǎn)4個(gè)字節(jié)計(jì)算，EMS就地控制器上傳給EMS服務(wù)器的數(shù)據(jù)量不超過2000×4=8000字節(jié)。

若2臺(tái)EMS就地控制器每1 s向EMS服務(wù)器傳輸一次數(shù)據(jù)，每個(gè)字節(jié)按10比特計(jì)算，則EMS就地控制器與EMS服務(wù)器數(shù)據(jù)傳輸速率不大于16.4 k byte/s，即約164 kbp/s。

考慮到EMS就地控制器與工作站之間的信息交互，采用的通訊方式支持的通訊速率不低于200 kbp/s即可。

以太網(wǎng)通訊基于沖突檢測技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷率直接影響以太網(wǎng)上數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)和可靠性。研究表明，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷率在36%以下，沖突造成的以太網(wǎng)通訊時(shí)延可以忽略不計(jì)。對于10 Mb/s以太網(wǎng)而言，200 kbp/s對應(yīng)的負(fù)荷率為2%，其影響微乎其微。因此，10 Mb/s以太網(wǎng)可完全勝任EMS系統(tǒng)通訊的要求。

5 結(jié)論

儲(chǔ)能配合風(fēng)力發(fā)電是提高風(fēng)電質(zhì)量，增加風(fēng)電可控性、可調(diào)度性，解決風(fēng)電并網(wǎng)問題的有效途徑。一機(jī)一儲(chǔ)的分布式風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)相對集中式儲(chǔ)能配置靈活，可采用集裝箱式設(shè)計(jì)，運(yùn)輸、安裝和建設(shè)方便，利于推廣。本文設(shè)計(jì)的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電功率平滑、計(jì)劃功率跟蹤、調(diào)壓、調(diào)頻、削峰填谷等功能，基于光纖以太網(wǎng)的通訊方式滿足了EMS通訊速率和可靠性的要求。該風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)正在中海油內(nèi)蒙化德風(fēng)電場實(shí)施，可供相關(guān)儲(chǔ)能與新能源接入應(yīng)用進(jìn)行參考。

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