基于電池儲能裝置的電力系統穩定性分析

廣東電網能源發展有限公司 易 宏 陳冠宇 馬 婷

隨著可再生能源的快速發展和普及，電力系統面臨著日益嚴峻的穩定性挑戰。傳統的發電方式無法滿足可再生能源的波動性和電網負荷的變化，因此需要引入新的技術來提高電力系統的穩定性。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注。本文詳細探討了電池儲能裝置對發電機電磁轉矩的影響，以及不同控制方法對系統穩定性的影響。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，推動電力系統朝著清潔、高效和穩定的方向發展。

1 儲能裝置提高系統穩定性的理論基礎

1.1 電池儲能裝置對發電機電磁轉矩的影響分析

電池儲能裝置作為電力系統中的重要組成部分，對發電機的電磁轉矩具有顯著影響。下文對電池儲能裝置對發電機電磁轉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注入，或吸收電能調節電力系統的總功率，從而改變發電機的負載條件[1]。這對發電機的電磁轉矩產生直接影響，進而影響系統的穩定性。其次，電池儲能裝置可在系統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，從而減輕發電機的負荷和降低電力系統的頻率偏差。此外，電池儲能裝置還可通過調控發電機的電壓和無功功率，提供電力系統的無功支持和調節能力，這對于發電機的穩定運行和系統的功率平衡具有重要意義。

1.2 儲能不同控制方法對發電機電磁轉矩的影響

儲能裝置在電力系統中的不同控制方法，對發電機的電磁轉矩產生不同的影響。下文對儲能裝置不同控制方法對發電機電磁轉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節發電機的負載條件。通過控制儲能裝置的功率輸出，可改變發電機的機械轉矩需求，進而影響發電機的電磁轉矩。

其次，狀態估計控制方法利用儲能裝置的電流、電壓和SOC 等狀態參數進行監測和估計，以優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，可精確地調節儲能裝置的功率輸出，進而影響發電機的電磁轉矩。此外，基于模型預測控制方法利用對電力系統的建模和預測算法，優化儲能裝置的功率調度。通過預測電力系統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電機的電磁轉矩。

2 電池儲能裝置的數學模型

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（Battery System，BS）、功率轉換系統（Power Conversion System，PCS）以及控制系統等三個主要部分組成，如圖1所示。

圖1 電池儲能系統結構示意圖

首先，電池系統（BS）是儲能裝置的核心部分，包括電池組、電池管理系統（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。電池管理系統負責監測、控制和保護電池組，確保其在安全、高效的狀態下運行。電池連接部件用于連接電池組與其他部分，實現能量的輸入和輸出。

其次，功率轉換系統（PCS）負責將儲存的電能轉換為可用的電力。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 變換器則用于調節電池組與功率轉換系統之間的電壓或電流，以實現最佳的能量轉換效率。

最后，控制系統起著監測、調節和保護儲能裝置的作用。包括傳感器、控制電路和監控系統等組件。傳感器用于實時監測電池組的電壓、電流和溫度等參數，以及環境條件和負載需求?？刂齐娐坟撠煾鶕鞲衅鞯姆答佇盘枺瑢β兽D換系統和電池管理系統進行控制和調節。監控系統能夠對儲能裝置的運行狀態和性能進行監測和記錄，并提供故障診斷和維護保養的支持。

2.2 電池儲能裝置的數學建模方法

電池儲能裝置的數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]。耦合模型結合了電化學模型和動態模型，能夠更好地描述電池組的動態行為。熱模型則主要關注電池組的熱管理，考慮電池組的熱量產生、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如容量、內阻、電流和電壓等的變化規律。這些模型都可通過試驗數據進行參數擬合，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，電池組機電暫態等效電路模型如圖2所示。

圖2 電池組機電暫態等效電路模型

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組成過電勢網絡，用于表示電池的極化過程，其時間常數XX 約為0.01～1.2s；Ub為電池端口電壓。在電力系統暫態穩定和小擾動穩定分析時，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的建模方法主要是描述電池儲能裝置中的功率轉換和控制過程。包括換流器的電路模型和控制系統的狀態空間模型[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系，以描述換流器的電力轉換過程?？刂葡到y的狀態空間模型則是一種基于控制理論的模型，將控制系統的狀態與輸入輸出建立聯系，以描述控制系統的行為和性能。這些模型可通過仿真和試驗驗證來優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）是電力系統中常用的仿真軟件，用于進行潮流計算和穩定性分析等。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 的數學模型主要包括有功輸出、無功輸出及限幅環節。

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，以實現儲能裝置的功率調節功能。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學模型如公式（2）、公式（3）所示：

3 電池儲能裝置提高系統穩定性的仿真分析

3.1 參數變化的影響

儲能控制器的參數對系統的性能和穩定性產生顯著影響。其中，增益系數和充放電時間常數是表征暫態過程的兩個重要參數。增益系數用于調節控制信號的放大程度，影響系統響應的快慢和穩定性；充放電時間常數則影響儲能裝置能量充放電速度的時間常量，直接影響系統的響應速度和穩態行為[5]。參數變化可能導致系統的過度振蕩、不穩定性和響應速度過慢等問題，考慮比例系數從0變化到-110000時，發電機儲能變化曲線如圖3所示。

圖3 比例系數變化時儲能輸出功率（ω 控制）

綜上所述，儲能控制器的參數變化對其作用效果有著重要的影響。適當調整參數可以改善系統響應速度、穩定性和抗干擾能力，從而優化儲能裝置的功能和性能。在參數調整過程中，需要注意平衡不同因素之間的關系，以滿足系統的要求。

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，并記錄系統在不同儲能容量下的轉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 時無法滿足系統的功率需求，表現為維持不了穩定的有功輸出[6]。而當儲能容量增大至20MWh 時，儲能裝置可以很好地實現功率補償，在此儲能容量下有功輸出趨于平穩，儲能容量繼續增加至30MWh 時對有功輸出的改善效果已經不大，與20MWh 時相同。因此，儲能容量并非越大越好，在滿足系統需求的前提下，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穩定性分析，深入探討了電池儲能裝置對系統穩定性的影響和提升機制。通過引入儲能裝置，可以調節發電機電磁轉矩，從而提高電力系統的穩定性。本文還介紹了電池儲能裝置的數學模型和控制系統模型，為系統設計和仿真分析提供了基礎。