大型储能系统在风电场中的必要性及应用

杨海潮

摘 要：本文在分析储能系统原理的基础上，结合工程实例，阐述了10MW级大型储能系统在风电场中的必要性及其应用方式。

关键词：10MW储能系统；风电场；弃风

中图分类号：TM91 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）12-0176-02

1 风储能必要性

2017年3月，国家能源局印发了《关于促进储能技术与产业发展的指导意见（征求意见稿）》提出未来10年储能领域的发展目标：十三五”期间，主要储能技术达到国际先进水平，初步探索可推广的商业模式。“十四五”期间，储能项目广泛应用，形成较为完整的产业体系，成为能源领域经济新增长点[1]。实际工程应用中为改善电网平衡，提高电能质量效果，促进新能源电力就近消纳，缓解弃风限电现状，实现电网平滑输出，加入一定比例储能，可使原先风机变流器被限掉的能量，部分将通过储能系统存储下来，在低于风电场限发值时再馈送至电网。因此在一定程度上减少了“弃风”对风电场收益的影响。另外储能系统在风电场中应用，使原来基本完全“刚性”的系统变得“柔性”起来，提供电网的錯峰能力，起到可再生能源平滑的作用，电网运行的安全性、灵活性和用户用电的积极性、可靠性也会因此得到大幅度的提高。

国内西北地区某新建100MW风电场周边两个已运行A、B风电场风速情况如表1所示。

该风电场所在区域风功率预测年平均精度如表2所示：

由于风电等新能源有功功率存在较大的随机性，从上表可以看出，2016年和2017年该区域限电是比较高的，功率预测精度也比较低，通过电网公司的发电曲线和该风电场不带储能的发电曲线进行比较，进行合理的控制策略，为弥补这两个曲线的差值，起到解决部分限电和调频的问题，故在此新建100MW风电场按其10%的容量配置10MW的储能系统，储能时长按照1小时考虑设计。

2 储能系统电气接入方案

10MW储能系统由5个储能单元组成，每个储能单元包含2台1000kWPCS、1个2MWh蓄电池储能单元、2套蓄电池管理系统和1台40尺集装箱。预装式集装箱中间隔断分成储能蓄电池室和设备室两部分。蓄电池储能单元和蓄电池BMS管理系统安装在蓄电池室；储能变流器和储能控制柜安装在储能设备室；集装箱内配有温控系统装置、动环监控装置和动力配电箱。储能系统按照1h充电容量考虑，可以满足10MWh的存储。可以根据风场调度进行充放电控制，实现风场电能的存储与释放；电池储能系统配备先进的监控系统作为电池管理单元，可以有效的对电池系统实时状况进行监控；可实现剩余容量和可充容量的监测；电池储能系统的监控系统支持多种通讯协议，支持OPC端口，可以与风场调度进行通讯[2]。储能电池单元输出的直流电经变流器变换成频率50HZ，电压为380V的交流电，再通过5台（副边为双分裂形式）35kV/0.54kV/0.54kV美式箱变进行升压，每台箱式变对应2个储能单元，将变流器及电池接入35kV系统送至电网。

3 储能系统配置

（1）储能蓄电池：储能电池种类很多，如铅酸电池、铅碳电池、钠硫电池、液流电池、锂离子电池等，每一种储能电池都有其自身的特点，任何一种储能技术都有一定的应用局限性和应用范围。其中锂离子电池能量密度大，平均输出电压高，自放电小，每月在2%以下（可恢复），没有记忆效应，工作温度范围宽为-20℃～60℃。循环性能优越、可快速充放电、充电效率高达100%，而且输出功率大，使用寿命长，模块化设计和安装方式，结构紧凑，节省安装面积和空间，安装维护方便，适用于大规模的调频调峰等功能。故大型储能系统一般推荐采用锂离子的电池技术。（2）储能变流器（PCS）是储能系统的核心部分，它可以实现电池与电网间的交直流转换，完成两者间的双向能量流动，并通过控制策略实现对电池系统的充放电管理、网测负荷功率跟踪、电池储能系统充放电功率控制和正常及孤岛运行方式下网测电压的控制；具有高转换效率、宽电压输入范围、快速并离网切换和方便维护等特点，同时具备完善的保护功能，如孤岛保护、直流过压保护和低电压穿越（可选）等，满足系统并、离网要求。（3）电池储能监控系统由单元管理系统（BUMS）及电池管理系统（BMS）组成，在储能集装箱内对储能系统进行就地监控和管理，同时BUM系统配有通讯接口，可与风电场能量管理系统进行信息交互，接受风电场能量管理系统的统筹管理和指挥，并可以通过升压站远动通道与电力调度进行通信，将相关信息上传电力调度及相关集控中心，并接受指挥。（4）储能系统的电池管理系统（BMS）组成：电池模组监测装置（BMU）、电池簇管理单元（BCMS）、直流监控单元（DMU）、电池堆管理单元BAMS及显示、监控上位机等组成。BMS用于监测、评估及保护电池运行状态的电子设备集合，包括：监测并传递锂离子电池、电池组及电池系统单元的运行状态信息，如电池电压、电流、温度以及保护量等；评估计算电池的荷电状态SOC、寿命健康状态SOH及电池累计处理能量等；保护电池安全等。（5）能量管理系统。能量管理系统EMS通过工业以太网与储能子系统通信、BMS等装置通信，操作站/工程师站通过以太网接入能量管理系统，能量管理系统通过以太网与时钟连接对整个系统进行准确对时。

4 储能系统工作原理

在常规风电场中，当风电场接收到AGC下发的限功率指令时，风电场的监控系统会将限功率的指令平均下发至每台风机变流器，由风机变流器完成限功率的操作。当加入一定容量的储能系统后，在风电发电时间段，风机变流器发出电量都通过储能系统存储起来。在风电场不限发时间段，则由储能逆变器将锂电池中的能量回馈到电网中，从而提高新能源利用率，实现电网平滑输出。

5 储能系统对电网的影响

由于风力发电具有随机性、间歇性，出力变化快的特点，大容量的风力发电装置直接并网运行会对电网调度运行与控制带来较大的影响，当总容量达到一定比例后甚至会给电网带来稳定问题。加入储能系统可对电网带来以下影响：

（1）平滑风电输出，储能装置通过合理的充、放电控制，可以有效的抑制输出功率为分钟级的短期波动，平滑风电场的有功功率的输出，满足接入电网标准的规定。平滑接入控制方式所需储能容量较小，配套储能系统只需具备分钟级的响应能力及充放电状态的迅速切换能力，可应用于减少风力发电对系统稳定以及电能质量上的影响。（2）配合发电预测，风电场需要提前一段时间预测发电量上报给电网公司，再由电网公司做出发电计划。但是实际发电量与预测发电量总是存在一定的偏差，进而造成电网发电计划与风场实际发电量之间的缺口。在储能型风电场中，该缺口可以由储能系统存储的能量弥补。（3）满足电网调度需求，目前电网对风电场的调度模式是电网下达调度指令给风电场，风电场根据指令安排风电输出；由于存在中间环节，电网的调度速度及准确性受到限制。储能型风电场为电网调度中心设置了调度接口，可以灵活方便的和电网的远程终端装置和数据采集与监视控制系统进行信息交互，接受电网调度自动化监控系统的调度，可实现遥信、遥测、遥控和遥调。（4）低电压穿越为了提高电网运行的可靠性，储能型风电场具备低电压穿越能力，在电网电压出现异常跌落时不立即脱网，起到支撑电网的作用。

6 结语

在新能源发电项目中科学合理的配置一定容量的储能系统，可以解决当前大规模新能源项目建设及运营时遇到的并网安全和有效消纳问题，大规模储能技术可调控风能发电的不稳定、不连续性，实现安全、稳定供电，是实现能源多样化的核心技术。

参考文献

[1]唐宏德，郭家宝，陈文升.风光储联合发电技术及其工程应用[J].电力与能源，2011，（1）：61-63.

[2]刘刚，梁燕，胡四全，等.电池储能系统双向PCS的研制[J].电力电子技术，2010，（10）：12-13.