韓 堅(jiān)，王亞楠，顧偉峰

基于電池儲能系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組極端工況備用電源的設(shè)計(jì)

韓 堅(jiān)，王亞楠，顧偉峰

（中國艦船研究院，北京 100020）

出于臺風(fēng)等極端天氣致使電網(wǎng)失電的工況場景下風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行安全考慮，研究電池儲能系統(tǒng)作為風(fēng)機(jī)用電備用電源，針對實(shí)際應(yīng)用場景與用電負(fù)載，分別對儲能系統(tǒng)的容量、結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對其未來開發(fā)利用前景進(jìn)行了展望。

風(fēng)電機(jī)組 電池儲能系統(tǒng) 備用電源

0 引言

全球風(fēng)電市場規(guī)模在過去十年幾乎翻了一番，成為最具成本競爭力和韌性的電力來源之一[1]。2020年北京國際風(fēng)能大會提出“開發(fā)30億風(fēng)電引領(lǐng)綠色發(fā)展落實(shí)‘30·60’目標(biāo)”，推動風(fēng)電產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，為后疫情時代全球經(jīng)濟(jì)綠色復(fù)蘇、構(gòu)建零碳社會夯實(shí)基礎(chǔ)[2]。沿海及海上風(fēng)能資源豐富，但臺風(fēng)等極端天氣較為頻繁。當(dāng)受臺風(fēng)等極端天氣影響電網(wǎng)失電時，風(fēng)機(jī)由于斷電無法主動偏航可能導(dǎo)致載荷過大問題，對風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全造成一定隱患。因此，如何保障電網(wǎng)失電情況下風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，是擺在風(fēng)電行業(yè)面前的重要問題。

應(yīng)對臺風(fēng)災(zāi)害天氣，在前期加強(qiáng)機(jī)組設(shè)計(jì)并結(jié)合控制策略優(yōu)化提高機(jī)組抗臺風(fēng)性能是基礎(chǔ)和關(guān)鍵，而配置備用電源則可以在電網(wǎng)失電的極端工況下確保偏航系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，降低機(jī)組極限載荷[3～5]。目前風(fēng)電場一般將柴油發(fā)電機(jī)作為其機(jī)組的應(yīng)急備用電源。但柴油發(fā)電機(jī)作為風(fēng)電機(jī)組的備用電源存在以下問題：

1）認(rèn)證要求高，成本較大。柴油發(fā)電機(jī)需要放置在機(jī)組塔筒外部，需要額外的集裝箱類設(shè)備安裝空間和風(fēng)機(jī)周邊征地。海上應(yīng)用時，系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)要求高，通常需要符合中國船級社認(rèn)證要求，費(fèi)用造價高。

2）非在線式供電，日常維護(hù)量大。風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行時，柴油發(fā)電機(jī)處于冷備用狀態(tài)，無法實(shí)現(xiàn)自動的狀態(tài)監(jiān)測和反饋，需要對設(shè)備進(jìn)行定期啟動測試與維護(hù)保養(yǎng)[6]，運(yùn)維工作量大。

3）柴油發(fā)電機(jī)采用柴油作為能源，存在排氣、廢油、漏油、儲油、噪音帶來的環(huán)境污染和安全隱患問題。因此，有必要為風(fēng)電機(jī)組開發(fā)設(shè)計(jì)一種經(jīng)濟(jì)性好、運(yùn)行可靠且安全環(huán)保的備用電源，來保證風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全。

電池儲能系統(tǒng)控制靈活，技術(shù)成熟，將其作為風(fēng)電場備用電源是當(dāng)前新能源技術(shù)的重要應(yīng)用方向[7～9]。電池儲能系統(tǒng)包括電池系統(tǒng)、儲能變流器（PCS）、電池管理系統(tǒng)（BMS）、監(jiān)控系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)可采用高度集成設(shè)計(jì)技術(shù)，保證散熱的情況，做到高防腐、小尺寸，可以布置在風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)部，有效減少基礎(chǔ)建設(shè)成本。特別的，近幾年隨著鋰電池技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了工作溫度范圍-20℃～60℃、能量密度達(dá)到140 Wh/kg以上、常溫1C條件下循環(huán)壽命達(dá)到3000次以上，且自放電小，沒有記憶效應(yīng)，可快速充放電的磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品[9～10]，可以滿足風(fēng)機(jī)內(nèi)部應(yīng)用的環(huán)境溫度要求，且安全性高，基本無起火、爆炸等安全事故風(fēng)險，可以為儲能變流器提供高功率密度的儲能單元。另外，電池儲能系統(tǒng)可在線式供電，并離網(wǎng)切換時間短，具有自動的狀態(tài)監(jiān)測和反饋，定期維護(hù)工作量小。

本文以金風(fēng)4S平臺機(jī)組為例，針對其風(fēng)機(jī)備用電源的應(yīng)用場景與設(shè)計(jì)需求，提出一個較為成熟的電池儲能系統(tǒng)作為風(fēng)電機(jī)組極端工況備用電源的設(shè)計(jì)方案。

1 備用電源的選型與電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 容量與功率配置

風(fēng)電機(jī)組的備用電源主要作用是在電網(wǎng)失電的極端工況下為風(fēng)機(jī)提供電能，保證風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)與偏航系統(tǒng)的短時持續(xù)可靠運(yùn)行。本文備用電源的容量與功率配置設(shè)計(jì)主要參考臺風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，保證機(jī)組至少6小時備用供電[4]。

備用電源的負(fù)載包括控制系統(tǒng)的長期工作負(fù)荷和偏航系統(tǒng)電機(jī)成組啟動負(fù)荷兩類。參考金風(fēng)4S平臺機(jī)組，負(fù)載數(shù)據(jù)見下：

1）控制系統(tǒng)長期工作負(fù)荷測試數(shù)據(jù)為10 kW/13 kVA；

2）偏航系統(tǒng)電機(jī)成組啟動負(fù)荷參數(shù)如下：

①電機(jī)額定工況下，額定輸入功率為23.28 kW；額定容量30 kVA；

②電機(jī)堵轉(zhuǎn)工況下，瞬態(tài)功率為96 kW；瞬態(tài)容量為155 kVA；注：偏航電機(jī)為全電壓直接啟動，啟動瞬間可以視為電機(jī)堵轉(zhuǎn)工況。

參考文獻(xiàn)[11]計(jì)算長期連續(xù)運(yùn)行所需容量見公式（1）～（3）：

其中，c為有功功率，kW；c為無功功率，kvar；c為視在功率，kVA；∑M為連續(xù)運(yùn)行的電動機(jī)額定功率之和，kW；∑m為連續(xù)運(yùn)行的靜止負(fù)荷之和，kW；1為運(yùn)算系數(shù)，取0.9；2為運(yùn)算系數(shù)，取0.32～0.52；tanM為電動機(jī)正常運(yùn)行時的功率因數(shù)，取0.86；tanm為靜止負(fù)荷的功率因數(shù)，取0.8。

根據(jù)實(shí)際負(fù)荷數(shù)據(jù)和式（1）～（3）計(jì)算得到：

P=26.15 kW，Q=22.18 kVar，S=34.29 kVA

確定備用電源的額定容量：

其中，fe為額定有功功率，kW；fe為額定無功功率，kvar；fe為額定視在功率，kVA。

如果使用柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源，需要檢驗(yàn)柴油發(fā)電機(jī)短時過載能力：

其中，Qm為成組啟動時負(fù)荷的最大值，kVA；GF為發(fā)電機(jī)短時過負(fù)荷系數(shù)，取1.5。

因此柴油發(fā)電機(jī)的容量應(yīng)不小于104 kVA。

如果采用UPS、EPS和儲能變流器等電力電子型備用電源時，

1）電動機(jī)直接啟動情況下，電源容量應(yīng)為同時工作的電機(jī)容量5倍以上考慮，備用電源容量應(yīng)不小117 kW；

2）電動機(jī)變頻啟動情況下，電源容量應(yīng)為同時工作的電機(jī)總?cè)萘康?.1倍，備用電源容量應(yīng)不小于26 kW。

表1 空氣溫度相對濕度對照表

本文考慮的備用電源采用磷酸鐵鋰電池+儲能變流器的方案，機(jī)組偏航電機(jī)采用全電壓直接啟動方式，因此儲能變流器的額定功率選擇120 kW。根據(jù)機(jī)組測試數(shù)據(jù)，偏航持續(xù)時間按照每1小時2次180°（2×16分鐘）偏航計(jì)算，備用電源需滿足不小于6小時供電，鋰電池能量計(jì)算為84 kWh。

考慮系統(tǒng)放電效率（含制冷散熱等自用電）與電池放電深度，本文設(shè)計(jì)的備用電源容量為100 kWh，額定功率150 kW。

1.2 電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于電池儲能系統(tǒng)設(shè)計(jì)的備用電源的一大優(yōu)勢為可以放置在風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)部。參考金風(fēng)4S平臺機(jī)組鋼制塔架的尺寸與平臺布局，考慮國內(nèi)外安規(guī)設(shè)計(jì)的逃生與維護(hù)空間要求，以及海運(yùn)集裝箱的尺寸限制，設(shè)備的尺寸（寬×深×高）需控制在2.3 m×1.0 m×2.2 m以內(nèi)。電池采用多個電池單元串聯(lián)，電池電壓寬范圍可調(diào)。為了更好的延長電池壽命，設(shè)備柜體采用全封閉結(jié)構(gòu)，內(nèi)部空調(diào)溫濕度控制，防護(hù)等級高，可適用在沿海/海上惡劣環(huán)境。備用電源的模型見圖1。

圖1 備用電源模型圖

目前風(fēng)電機(jī)組采用半年檢與年檢的運(yùn)維方案，由于空調(diào)的配置，需要額外考慮空調(diào)冷凝水的排放問題。下面簡要分析計(jì)算冷凝水量?？紤]空調(diào)啟停溫濕度分別設(shè)置在35℃、90%與25℃、60%，參考下表空氣溫度相對濕度對照表，計(jì)算得出產(chǎn)生的冷凝水總量約為50 g。

由于空調(diào)配置了蒸發(fā)器，根據(jù)所選型的蒸發(fā)器蒸發(fā)曲線（見圖2），蒸發(fā)器1小時的蒸發(fā)量≥120 g，遠(yuǎn)大于柜內(nèi)凝露水量50.14 g，因此推斷塔筒內(nèi)不會存在冷凝水的積存問題。通過理論計(jì)算，空調(diào)的冷凝水量較少，但前提為柜體的密封性較好。柜體有較好的密封性，蒸發(fā)器是完全可以解決冷凝水的問題。如柜體沒有密封或密封性很差，柜內(nèi)有源源不斷的濕空氣進(jìn)入，那冷凝水也就源源不斷，當(dāng)每小時水量≥120 g時，蒸發(fā)器的作用也將失效。因此設(shè)備柜體要有可靠的密封性。密封措施考慮如下：①柜板、柜門與骨架之間的密封處理；②電池柜與PCS柜骨架之間的密封；③空調(diào)與柜板側(cè)板安裝孔之間的密封處理；④進(jìn)出線孔處的防火密封處理。

圖2 蒸發(fā)器蒸發(fā)量曲線圖

2 備用電源的總體設(shè)計(jì)

作為風(fēng)電機(jī)組的備用電源，最重要的功能是需要考慮電網(wǎng)掉電后的快速切換，因此需要備用電源具有黑啟動功能，且通過合理的配電回路和監(jiān)控設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)控、掉電后備用電源的啟動給風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)與控制系統(tǒng)供電等操作。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，備用電源為風(fēng)機(jī)負(fù)載供電的總體設(shè)計(jì)如圖3所示。

備用電源的運(yùn)行模式主要有并網(wǎng)模式與離網(wǎng)模式。通過電網(wǎng)狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控與風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)的通訊，備用電源自動切換運(yùn)行模式。

1）并網(wǎng)模式：當(dāng)風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行時，備用電源運(yùn)行在并網(wǎng)模式。此時與機(jī)組串聯(lián)的開關(guān)器件（如斷路器）閉合，電網(wǎng)給備用電源供電，給電池組充電。運(yùn)行原理圖如圖4。

圖3 備用電源為風(fēng)機(jī)負(fù)載供電的總體設(shè)計(jì)圖

圖4 并網(wǎng)運(yùn)行原理圖

2）離網(wǎng)模式：當(dāng)風(fēng)機(jī)預(yù)警系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程通信，給機(jī)組下發(fā)極端工況運(yùn)行指令，此時備用電源自檢并實(shí)時監(jiān)控電網(wǎng)狀態(tài)獲取是否掉電信息，電網(wǎng)掉電后斷開與機(jī)組串聯(lián)的開關(guān)器件，運(yùn)行狀態(tài)切換至離網(wǎng)模式，根據(jù)風(fēng)況與風(fēng)機(jī)狀態(tài)給偏航或機(jī)組其他設(shè)備供電。運(yùn)行原理圖如圖5。

圖5 離網(wǎng)運(yùn)行原理圖

采用電池儲能系統(tǒng)作為機(jī)組備用電源，在非極端工況期間可以視作機(jī)組具有在線UPS功能，當(dāng)?shù)碗妷捍┰狡陂g可以為風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定的控制電源，這樣可以節(jié)省機(jī)組內(nèi)部的交流和直流UPS電源，節(jié)省部分成本；另外還可以給機(jī)組提供小風(fēng)待機(jī)時的自用電功能，同時在用電低谷期充電，用電高峰期發(fā)電，進(jìn)一步減少風(fēng)電場的自用電成本。

3 結(jié)論

本文研究了電池儲能系統(tǒng)作為風(fēng)電機(jī)組備用電源的設(shè)計(jì)方案。本文以金風(fēng)4S平臺機(jī)組為例，首先進(jìn)行了備用電源容量和功率的配置選型，然后通過設(shè)備尺寸與結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)，使其滿足風(fēng)機(jī)內(nèi)部布置要求，可良好匹配各類沿海與海上風(fēng)電機(jī)組，最后介紹了備用電源的總體控制設(shè)計(jì)以及其他開發(fā)應(yīng)用前景。

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Design of Backup Power Supply System for Wind Turbine Units Based on Battery Energy Storage

Han Jian, Wang Yanan, Gu Weifeng

(China Ship Research and Development Academy, Beijing 100020, China)

TM614

A

1003-4862（2021）07-0027-04

2021-04-15

韓堅(jiān)（1979-），男，碩士研究生，工程師，研究方向：電氣工程及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail：shjjsh@qq.com