基于電池儲能裝置的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

廣東電網(wǎng)能源發(fā)展有限公司 易 宏 陳冠宇 馬 婷

隨著可再生能源的快速發(fā)展和普及，電力系統(tǒng)面臨著日益嚴峻的穩(wěn)定性挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的發(fā)電方式無法滿足可再生能源的波動性和電網(wǎng)負荷的變化，因此需要引入新的技術(shù)來提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在此背景下，儲能裝置作為一種重要的解決方案取得了廣泛關(guān)注。本文詳細探討了電池儲能裝置對發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩的影響，以及不同控制方法對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。通過本文的研究，可更好地理解和應用電池儲能裝置的潛力，推動電力系統(tǒng)朝著清潔、高效和穩(wěn)定的方向發(fā)展。

1 儲能裝置提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的理論基礎

1.1 電池儲能裝置對發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩的影響分析

電池儲能裝置作為電力系統(tǒng)中的重要組成部分，對發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩具有顯著影響。下文對電池儲能裝置對發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩的影響進行深入分析。

首先，電池儲能裝置可通過向電力系統(tǒng)注入，或吸收電能調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的總功率，從而改變發(fā)電機的負載條件[1]。這對發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生直接影響，進而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其次，電池儲能裝置可在系統(tǒng)頻率變化時迅速響應，提供額外的支持功率，可有效抑制頻率下降或上升，并提供快速的頻率響應能力，從而減輕發(fā)電機的負荷和降低電力系統(tǒng)的頻率偏差。此外，電池儲能裝置還可通過調(diào)控發(fā)電機的電壓和無功功率，提供電力系統(tǒng)的無功支持和調(diào)節(jié)能力，這對于發(fā)電機的穩(wěn)定運行和系統(tǒng)的功率平衡具有重要意義。

1.2 儲能不同控制方法對發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩的影響

儲能裝置在電力系統(tǒng)中的不同控制方法，對發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生不同的影響。下文對儲能裝置不同控制方法對發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩的影響進行深入分析。首先，儲能裝置的直接功率控制方法可通過控制儲能裝置的輸出功率來調(diào)節(jié)發(fā)電機的負載條件。通過控制儲能裝置的功率輸出，可改變發(fā)電機的機械轉(zhuǎn)矩需求，進而影響發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩。

其次，狀態(tài)估計控制方法利用儲能裝置的電流、電壓和SOC 等狀態(tài)參數(shù)進行監(jiān)測和估計，以優(yōu)化儲能裝置的響應和控制策略。通過準確估計儲能裝置的狀態(tài)，可精確地調(diào)節(jié)儲能裝置的功率輸出，進而影響發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩。此外，基于模型預測控制方法利用對電力系統(tǒng)的建模和預測算法，優(yōu)化儲能裝置的功率調(diào)度。通過預測電力系統(tǒng)的負荷需求和可再生能源的波動性，可精確地控制儲能裝置的功率輸出，從而有針對性地影響發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩。

2 電池儲能裝置的數(shù)學模型

2.1 電池儲能裝置的基本組成

電池儲能裝置是由電池系統(tǒng)（Battery System，BS）、功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（Power Conversion System，PCS）以及控制系統(tǒng)等三個主要部分組成，如圖1所示。

圖1 電池儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

首先，電池系統(tǒng)（BS）是儲能裝置的核心部分，包括電池組、電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）和電池連接部件[2]。電池組由多個電池單元組成，可以存儲電能。電池管理系統(tǒng)負責監(jiān)測、控制和保護電池組，確保其在安全、高效的狀態(tài)下運行。電池連接部件用于連接電池組與其他部分，實現(xiàn)能量的輸入和輸出。

其次，功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PCS）負責將儲存的電能轉(zhuǎn)換為可用的電力。包括直流/交流（DC/AC）變換器、直流/直流（DC/DC）變換器和相應的控制電路。DC/AC 變換器將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，以滿足不同負載的電力需求。DC/DC 變換器則用于調(diào)節(jié)電池組與功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)之間的電壓或電流，以實現(xiàn)最佳的能量轉(zhuǎn)換效率。

最后，控制系統(tǒng)起著監(jiān)測、調(diào)節(jié)和保護儲能裝置的作用。包括傳感器、控制電路和監(jiān)控系統(tǒng)等組件。傳感器用于實時監(jiān)測電池組的電壓、電流和溫度等參數(shù)，以及環(huán)境條件和負載需求?？刂齐娐坟撠煾鶕?jù)傳感器的反饋信號，對功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)進行控制和調(diào)節(jié)。監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)δ苎b置的運行狀態(tài)和性能進行監(jiān)測和記錄，并提供故障診斷和維護保養(yǎng)的支持。

2.2 電池儲能裝置的數(shù)學建模方法

電池儲能裝置的數(shù)學建模方法主要包括：電池組的建模和換流器，以及控制系統(tǒng)的建模兩個方面。

首先，電池組的建模方法是研究電池儲能裝置的重要基礎，不同的研究目的需要采用不同的電池模型，一般可分為電化學模型、耦合模型、熱模型和性能模型四類。電化學模型是常用的一種模型，基于電極之間的電化學反應描述電池的化學過程，較為復雜[3]。耦合模型結(jié)合了電化學模型和動態(tài)模型，能夠更好地描述電池組的動態(tài)行為。熱模型則主要關(guān)注電池組的熱管理，考慮電池組的熱量產(chǎn)生、傳遞和散熱等方面。性能模型則主要研究電池組的性能參數(shù)如容量、內(nèi)阻、電流和電壓等的變化規(guī)律。這些模型都可通過試驗數(shù)據(jù)進行參數(shù)擬合，得到準確的電池組模型，從而為電池儲能裝置的設計和控制提供基礎。其中，電池組機電暫態(tài)等效電路模型如圖2所示。

圖2 電池組機電暫態(tài)等效電路模型

圖2中，Eb為理想電壓源，代表電池開路電壓；Rs為電池的歐姆電阻；電阻Rc和電容C組成過電勢網(wǎng)絡，用于表示電池的極化過程，其時間常數(shù)XX 約為0.01～1.2s；Ub為電池端口電壓。在電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定和小擾動穩(wěn)定分析時，可忽略SOC 的影響，即認為Eb，Rs，Rc恒定，此時仿真模型可用公式（1）表示：

其次，換流器及其控制系統(tǒng)的建模方法主要是描述電池儲能裝置中的功率轉(zhuǎn)換和控制過程。包括換流器的電路模型和控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型[4]。電路模型是通過電路分析的方法，建立換流器的電流、電壓和功率之間的關(guān)系，以描述換流器的電力轉(zhuǎn)換過程?？刂葡到y(tǒng)的狀態(tài)空間模型則是一種基于控制理論的模型，將控制系統(tǒng)的狀態(tài)與輸入輸出建立聯(lián)系，以描述控制系統(tǒng)的行為和性能。這些模型可通過仿真和試驗驗證來優(yōu)化和驗證儲能裝置的控制策略和性能。

2.3 PSS/E 中電池儲能裝置模型

PSS/E（Power System Simulation for Engineering）是電力系統(tǒng)中常用的仿真軟件，用于進行潮流計算和穩(wěn)定性分析等。在PSS/E 中，電池儲能裝置可以通過CBEST（Constant Bus Equivalent Station）模型進行建模和仿真。CBEST 的數(shù)學模型主要包括有功輸出、無功輸出及限幅環(huán)節(jié)。

在PSS/E 中，電池儲能裝置的有功輸出可通過設置CBEST 的有功功率屬性來模擬。用戶可指定電池儲能裝置的有功功率輸出和響應時間等參數(shù)，以實現(xiàn)儲能裝置的功率調(diào)節(jié)功能。無功輸出可以通過設定CBEST 的無功功率屬性來模擬，以支持無功功率控制功能。通過有功輸出、無功輸出得到儲能裝置的數(shù)學模型如公式（2）、公式（3）所示：

3 電池儲能裝置提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的仿真分析

3.1 參數(shù)變化的影響

儲能控制器的參數(shù)對系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。其中，增益系數(shù)和充放電時間常數(shù)是表征暫態(tài)過程的兩個重要參數(shù)。增益系數(shù)用于調(diào)節(jié)控制信號的放大程度，影響系統(tǒng)響應的快慢和穩(wěn)定性；充放電時間常數(shù)則影響儲能裝置能量充放電速度的時間常量，直接影響系統(tǒng)的響應速度和穩(wěn)態(tài)行為[5]。參數(shù)變化可能導致系統(tǒng)的過度振蕩、不穩(wěn)定性和響應速度過慢等問題，考慮比例系數(shù)從0變化到-110000時，發(fā)電機儲能變化曲線如圖3所示。

圖3 比例系數(shù)變化時儲能輸出功率（ω 控制）

綜上所述，儲能控制器的參數(shù)變化對其作用效果有著重要的影響。適當調(diào)整參數(shù)可以改善系統(tǒng)響應速度、穩(wěn)定性和抗干擾能力，從而優(yōu)化儲能裝置的功能和性能。在參數(shù)調(diào)整過程中，需要注意平衡不同因素之間的關(guān)系，以滿足系統(tǒng)的要求。

3.2 考慮儲能裝置容量限制時的仿真分析

儲能裝置的容量是其能夠存儲和輸出的最大能量，容量限制是儲能裝置運行的一個重要限制因素。因此，在進行儲能裝置的仿真分析時，需要考慮容量限制的影響。在進行容量限制分析時，可通過設置不同的儲能容量來觀察其對系統(tǒng)的影響。例如，可以設置10MWh、20MWh、30MWh 等不同的儲能容量，并記錄系統(tǒng)在不同儲能容量下的轉(zhuǎn)子角度和有功輸出變化情況。圖4給出了儲能容量分別為10MWh、20MWh、30MWh 時的變化。

圖4 CBEST 不同容量限制時儲能輸出功率

從圖4可以看出，儲能容量為10MWh 時無法滿足系統(tǒng)的功率需求，表現(xiàn)為維持不了穩(wěn)定的有功輸出[6]。而當儲能容量增大至20MWh 時，儲能裝置可以很好地實現(xiàn)功率補償，在此儲能容量下有功輸出趨于平穩(wěn)，儲能容量繼續(xù)增加至30MWh 時對有功輸出的改善效果已經(jīng)不大，與20MWh 時相同。因此，儲能容量并非越大越好，在滿足系統(tǒng)需求的前提下，需要尋找適合的儲能容量值來平衡儲能裝置的投資成本和性能。

本文通過基于電池儲能裝置的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，深入探討了電池儲能裝置對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響和提升機制。通過引入儲能裝置，可以調(diào)節(jié)發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩，從而提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文還介紹了電池儲能裝置的數(shù)學模型和控制系統(tǒng)模型，為系統(tǒng)設計和仿真分析提供了基礎。