韓 堅，王亞楠，顧偉峰

基于電池儲能系統(tǒng)的風電機組極端工況備用電源的設計

韓 堅，王亞楠，顧偉峰

（中國艦船研究院，北京 100020）

出于臺風等極端天氣致使電網(wǎng)失電的工況場景下風電機組的運行安全考慮，研究電池儲能系統(tǒng)作為風機用電備用電源，針對實際應用場景與用電負載，分別對儲能系統(tǒng)的容量、結構和運行模式進行了設計，并對其未來開發(fā)利用前景進行了展望。

風電機組 電池儲能系統(tǒng) 備用電源

0 引言

全球風電市場規(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年北京國際風能大會提出“開發(fā)30億風電引領綠色發(fā)展落實‘30·60’目標”，推動風電產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，為后疫情時代全球經(jīng)濟綠色復蘇、構建零碳社會夯實基礎[2]。沿海及海上風能資源豐富，但臺風等極端天氣較為頻繁。當受臺風等極端天氣影響電網(wǎng)失電時，風機由于斷電無法主動偏航可能導致載荷過大問題，對風機運行安全造成一定隱患。因此，如何保障電網(wǎng)失電情況下風電機組偏航系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，是擺在風電行業(yè)面前的重要問題。

應對臺風災害天氣，在前期加強機組設計并結合控制策略優(yōu)化提高機組抗臺風性能是基礎和關鍵，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)的正常運行，降低機組極限載荷[3～5]。目前風電場一般將柴油發(fā)電機作為其機組的應急備用電源。但柴油發(fā)電機作為風電機組的備用電源存在以下問題：

1）認證要求高，成本較大。柴油發(fā)電機需要放置在機組塔筒外部，需要額外的集裝箱類設備安裝空間和風機周邊征地。海上應用時，系統(tǒng)標準要求高，通常需要符合中國船級社認證要求，費用造價高。

2）非在線式供電，日常維護量大。風電機組正常運行時，柴油發(fā)電機處于冷備用狀態(tài)，無法實現(xiàn)自動的狀態(tài)監(jiān)測和反饋，需要對設備進行定期啟動測試與維護保養(yǎng)[6]，運維工作量大。

3）柴油發(fā)電機采用柴油作為能源，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，有必要為風電機組開發(fā)設計一種經(jīng)濟性好、運行可靠且安全環(huán)保的備用電源，來保證風機運行安全。

電池儲能系統(tǒng)控制靈活，技術成熟，將其作為風電場備用電源是當前新能源技術的重要應用方向[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)可采用高度集成設計技術，保證散熱的情況，做到高防腐、小尺寸，可以布置在風機塔筒內(nèi)部，有效減少基礎建設成本。特別的，近幾年隨著鋰電池技術的發(fā)展，出現(xiàn)了工作溫度范圍-20℃～60℃、能量密度達到140 Wh/kg以上、常溫1C條件下循環(huán)壽命達到3000次以上，且自放電小，沒有記憶效應，可快速充放電的磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品[9～10]，可以滿足風機內(nèi)部應用的環(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，定期維護工作量小。

本文以金風4S平臺機組為例，針對其風機備用電源的應用場景與設計需求，提出一個較為成熟的電池儲能系統(tǒng)作為風電機組極端工況備用電源的設計方案。

1 備用電源的選型與電氣結構設計

1.1 容量與功率配置

風電機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機提供電能，保證風機控制系統(tǒng)與偏航系統(tǒng)的短時持續(xù)可靠運行。本文備用電源的容量與功率配置設計主要參考臺風型風力發(fā)電機組設計標準，保證機組至少6小時備用供電[4]。

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

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

2）偏航系統(tǒng)電機成組啟動負荷參數(shù)如下：

①電機額定工況下，額定輸入功率為23.28 kW；額定容量30 kVA；

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

參考文獻[11]計算長期連續(xù)運行所需容量見公式（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)運行的電動機額定功率之和，kW；∑m為連續(xù)運行的靜止負荷之和，kW；1為運算系數(shù)，取0.9；2為運算系數(shù)，取0.32～0.52；tanM為電動機正常運行時的功率因數(shù)，取0.86；tanm為靜止負荷的功率因數(shù)，取0.8。

根據(jù)實際負荷數(shù)據(jù)和式（1）～（3）計算得到：

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)電機作為備用電源，需要檢驗柴油發(fā)電機短時過載能力：

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

因此柴油發(fā)電機的容量應不小于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）電動機直接啟動情況下，電源容量應為同時工作的電機容量5倍以上考慮，備用電源容量應不小117 kW；

2）電動機變頻啟動情況下，電源容量應為同時工作的電機總?cè)萘康?.1倍，備用電源容量應不小于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，機組偏航電機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）偏航計算，備用電源需滿足不小于6小時供電，鋰電池能量計算為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，本文設計的備用電源容量為100 kWh，額定功率150 kW。

1.2 電氣結構設計

基于電池儲能系統(tǒng)設計的備用電源的一大優(yōu)勢為可以放置在風機塔筒內(nèi)部。參考金風4S平臺機組鋼制塔架的尺寸與平臺布局，考慮國內(nèi)外安規(guī)設計的逃生與維護空間要求，以及海運集裝箱的尺寸限制，設備的尺寸（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，設備柜體采用全封閉結構，內(nèi)部空調(diào)溫濕度控制，防護等級高，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

目前風電機組采用半年檢與年檢的運維方案，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。下面簡要分析計算冷凝水量?？紤]空調(diào)啟停溫濕度分別設置在35℃、90%與25℃、60%，參考下表空氣溫度相對濕度對照表，計算得出產(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入，那冷凝水也就源源不斷，當每小時水量≥120 g時，蒸發(fā)器的作用也將失效。因此設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 備用電源的總體設計

作為風電機組的備用電源，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)控設計，實現(xiàn)電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)控、掉電后備用電源的啟動給風機偏航系統(tǒng)與控制系統(tǒng)供電等操作。為了實現(xiàn)這一功能，備用電源為風機負載供電的總體設計如圖3所示。

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

1）并網(wǎng)模式：當風電機組正常運行時，備用電源運行在并網(wǎng)模式。此時與機組串聯(lián)的開關器件（如斷路器）閉合，電網(wǎng)給備用電源供電，給電池組充電。運行原理圖如圖4。

圖3 備用電源為風機負載供電的總體設計圖

圖4 并網(wǎng)運行原理圖

2）離網(wǎng)模式：當風機預警系統(tǒng)通過遠程通信，給機組下發(fā)極端工況運行指令，此時備用電源自檢并實時監(jiān)控電網(wǎng)狀態(tài)獲取是否掉電信息，電網(wǎng)掉電后斷開與機組串聯(lián)的開關器件，運行狀態(tài)切換至離網(wǎng)模式，根據(jù)風況與風機狀態(tài)給偏航或機組其他設備供電。運行原理圖如圖5。

圖5 離網(wǎng)運行原理圖

采用電池儲能系統(tǒng)作為機組備用電源，在非極端工況期間可以視作機組具有在線UPS功能，當?shù)碗妷捍┰狡陂g可以為風機控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定的控制電源，這樣可以節(jié)省機組內(nèi)部的交流和直流UPS電源，節(jié)省部分成本；另外還可以給機組提供小風待機時的自用電功能，同時在用電低谷期充電，用電高峰期發(fā)電，進一步減少風電場的自用電成本。

3 結論

本文研究了電池儲能系統(tǒng)作為風電機組備用電源的設計方案。本文以金風4S平臺機組為例，首先進行了備用電源容量和功率的配置選型，然后通過設備尺寸與結構的分析設計，使其滿足風機內(nèi)部布置要求，可良好匹配各類沿海與海上風電機組，最后介紹了備用電源的總體控制設計以及其他開發(fā)應用前景。

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