鋰離子電池儲能系統(tǒng)建模及其對電網(wǎng)穩(wěn)定性影響研究

周芥鋒

摘 要：在我國，能源是人民生活與生產(chǎn)中最為基礎(chǔ)的物質(zhì)保證，占據(jù)著舉足輕重的位置。而電能則是能源中最為貼近生活，且與我們生活息息相關(guān)，也是現(xiàn)代生活中最為方便的能源形式。在我國傳統(tǒng)電力的系統(tǒng)中，電能基本上是一氣呵成的，這就需要我們時時刻刻的維持住輸電功率的動態(tài)平衡，如果控制不住，那就會帶來一系列的問題和安全隱患。本文重點闡述了鋰離子電池儲能系統(tǒng)建模及其對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。

關(guān)鍵詞：鋰離子；電池儲能系統(tǒng)建模；電網(wǎng)穩(wěn)定性影響

中圖分類號： TB13 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）26-167-2

1 儲能技術(shù)在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.1 電力系統(tǒng)的削峰填谷

在我國社會不斷發(fā)展的現(xiàn)階段，無論是我國工業(yè)上還是商業(yè)上用電，用電量都在不斷提高。在大規(guī)模的配電網(wǎng)中仍然會出現(xiàn)負荷率低的情況，而且在不同的時段、不用的季節(jié)都存在很大的差異。此時，儲存系統(tǒng)就產(chǎn)生了巨大作用。如在電網(wǎng)中配備大規(guī)模的、高性能的儲存系統(tǒng)，那就可以在用電低谷的時候?qū)㈦娔軆Υ妫谟秒姼叻迤诘臅r候釋放出來，這樣就可以滿足負荷，從而實現(xiàn)削峰填谷。

1.2 新能源分布式發(fā)電的靈活接入和穩(wěn)定輸出

在國內(nèi)，隨著我國的各種資源的枯竭與環(huán)境的持續(xù)惡化，尋找新的能源代替品已提上日程。太陽能、風能以及地熱能都逐漸被重視起來，世界各國都在這些方面投入了大量的人力物力。現(xiàn)階段，新能源分布式發(fā)電的靈活接入和穩(wěn)定輸出為電力事業(yè)的發(fā)展做出了巨大的貢獻，鋰離子電池儲能系統(tǒng)也隨之發(fā)展壯大，在我國得到大力的扶持與發(fā)展。

2 鋰離子電池概況及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 鋰離子電池的概況

世界上對于鋰離子電池的研究最早是從20世紀的六七十年代開始的，當時最主要就是以金屬鋰以及鋰的合金作為負極，當時來說就是鋰的一次電池。經(jīng)過多年的發(fā)展，在20世紀八十年代的時候又發(fā)現(xiàn)將鋰的石墨鑲嵌到化合物中作為電池的負極，由此開啟了鋰的二次電池時代。發(fā)展到現(xiàn)在的磷酸鐵鋰電池，這種鋰離子電池是目前來說，性能最好的，最有發(fā)展前景的電池。

2.2 鋰離子電池在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

在電池中，鋰離子電池自成一個體系。錳酸鋰電池是現(xiàn)階段電車上用的做多的，它的性能也是運用到電車上最好的材料。還有就是鈷酸鋰電池，這種電池應(yīng)用的最廣泛，它主要是應(yīng)用于通信行業(yè)，例如：電腦、手機等等。而真正可以運用到電網(wǎng)上的還當屬磷酸鐵鋰電池，磷酸鐵鋰應(yīng)用最為成功的還是美國，美國也是代表著世界科技前沿的水平。

3 鋰離子電池儲能系統(tǒng)建模及其對電網(wǎng)穩(wěn)定性影響

為了可以有效地研究鋰離子電池儲能系統(tǒng)建模及其對電網(wǎng)穩(wěn)定性影響，我們對鋰離子電池儲能系統(tǒng)進行了一系列的數(shù)學(xué)建模，以及進行仿真研究。下文就通過鋰離子電池儲能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模、鋰離子電池儲能系統(tǒng)對電網(wǎng)穩(wěn)定性影響的仿真以及鋰離子電池儲能系統(tǒng)對電網(wǎng)穩(wěn)定性影響的研究三個方面進行探究。針對這是三個方面，我們進行了一系列的仿真實驗，并對這些仿真結(jié)果進行了分析與評價。根據(jù)下文的結(jié)果，我們可以詳細地了解到鋰離子電池儲能系統(tǒng)建模及其對電網(wǎng)穩(wěn)定性影響。

3.1 鋰離子電池儲能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模

為了更好地研究鋰離子電池儲能系統(tǒng)，我們?yōu)樗鼊?chuàng)建了一個新的并網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模，圖1為鋰電儲能系統(tǒng)并網(wǎng)拓撲

儲能并網(wǎng)系統(tǒng)通常包括幾種部分，電池管理監(jiān)測系統(tǒng)、儲能裝置以及逆變器系統(tǒng)等。我們可以做一系列的假設(shè)：首先是濾波器的電感線性、無飽和現(xiàn)象；再有就是一切的損耗和影響我們現(xiàn)階段忽略不計。這樣我們最終采取的數(shù)學(xué)建模的形式如圖2，為簡化后的儲能并網(wǎng)結(jié)構(gòu)三相橋式逆變器通常有兩種建模方法，分別是開關(guān)函數(shù)建模法和占空比建模法。其中開關(guān)函數(shù)建模法適用系統(tǒng)仿真、占空比建模適用控制設(shè)計，基于上文假設(shè)、綜合考慮。

3.2 鋰離子電池儲能系統(tǒng)對電網(wǎng)穩(wěn)定性影響的仿真研究

經(jīng)過我們對鋰離子電池儲能逆變系統(tǒng)線性增量建模、接入鋰離子電池儲能的單機無窮大系統(tǒng)建模以及接入鋰離子電池儲能的兩區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)建模這三個建模理論的研究，在Matlab軟件中分別建立接入鋰電儲能的單機無窮大系統(tǒng)模型和兩區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)模型。分別在充放電的形式下對比接入儲能與無儲能時的功角振蕩曲線，再仿真出不同的儲能對功角穩(wěn)定的影響程度，之后討論出容量的配置問題。通過鋰離子電池儲能系統(tǒng)對電網(wǎng)穩(wěn)定性影響的仿真研究可以有效地、清晰地了解到鋰離子電池儲能系統(tǒng)對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響的要素。建立仿真模型，分別在放電和充電模式下觀測系統(tǒng)接入20MW鋰電儲能前后在小擾動時的功角振蕩曲線。為便于分析儲能的運行狀態(tài)，這里一并給出接入儲能后的電池電流IBEs和電池電壓增量4VBOc的仿真曲線。仿真結(jié)果如圖3。

系統(tǒng)接入20MW鋰電儲能后，功角穩(wěn)定性明顯增強。因系統(tǒng)本身具有阻尼效應(yīng)，無儲能條件下發(fā)生小擾動時，仍可經(jīng)過一段時間振蕩后恢復(fù)穩(wěn)定（放電模式，機械功率正向擾動，功角瞬時上升，后波動趨穩(wěn)；充電模式反之）。

3.3 鋰離子電池儲能系統(tǒng)對電網(wǎng)穩(wěn)定性影響研究

隨著電力事業(yè)的不斷發(fā)展和壯大，以及我國電網(wǎng)的綜合負荷也不斷提高，復(fù)雜程度也隨之變強，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性也面臨著非常巨大的挑戰(zhàn)。在我國，最傳統(tǒng)的電力電網(wǎng)主要是依靠繼電保護裝置來實現(xiàn)電網(wǎng)的穩(wěn)定性，而現(xiàn)階段隨著電網(wǎng)的復(fù)雜性提高，傳統(tǒng)的穩(wěn)定系統(tǒng)已無法滿足要求，更多的電網(wǎng)穩(wěn)定性措施也在不斷創(chuàng)新與發(fā)展。為了實現(xiàn)功率平衡，為電網(wǎng)提供了主動致隱途徑，鋰離子電池是現(xiàn)代電力系統(tǒng)大規(guī)模儲能裝置，有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。電網(wǎng)儲能裝置專作穩(wěn)定控制將在我國大力發(fā)展。鋰離子電池儲能對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，著重關(guān)注功角穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定兩方面。首先對儲能應(yīng)用于電網(wǎng)穩(wěn)定的研究現(xiàn)狀簡要分析，繼而根據(jù)已建的銼電池等效電路模型結(jié)合逆變原理在理論上進一步推導(dǎo)、分析，線性化處理，形成了適于穩(wěn)定研究的線性增量模型，然后建立了接入鋰電儲能的單機無窮大模型和兩區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)模型。

4 結(jié)論

在我國，對鋰離子電池儲能系統(tǒng)建模及其對電網(wǎng)穩(wěn)定性影響的研究有獨特的結(jié)論。本文研究了鋰電池儲能技術(shù)在我國現(xiàn)代電力電網(wǎng)中的應(yīng)用，深刻分析了在現(xiàn)代電網(wǎng)中面臨的挑戰(zhàn)，詳細介紹了鋰離子電池儲能體統(tǒng)的原理。雖然鋰離子電池儲能系統(tǒng)仍存在不足之處，但經(jīng)過我國多年的發(fā)展，已逐漸得到完善，并為我國的電力事業(yè)的發(fā)展提供了寶貴的經(jīng)驗。