鋰離子電池儲能系統(tǒng)建模及其對電網穩(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中最為基礎的物質保證，占據著舉足輕重的位置。而電能則是能源中最為貼近生活，且與我們生活息息相關，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)建模及其對電網穩(wěn)定性的影響。

關鍵詞：鋰離子；電池儲能系統(tǒng)建模；電網穩(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 儲能技術在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的應用

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)就產生了巨大作用。如在電網中配備大規(guī)模的、高性能的儲存系統(tǒng)，那就可以在用電低谷的時候將電能儲存，在用電高峰期的時候釋放出來，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，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?，F(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，這種電池應用的最廣泛，它主要是應用于通信行業(yè)，例如：電腦、手機等等。而真正可以運用到電網上的還當屬磷酸鐵鋰電池，磷酸鐵鋰應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)學建模、鋰離子電池儲能系統(tǒng)對電網穩(wěn)定性影響的仿真以及鋰離子電池儲能系統(tǒng)對電網穩(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，并對這些仿真結果進行了分析與評價。根據下文的結果，我們可以詳細地了解到鋰離子電池儲能系統(tǒng)建模及其對電網穩(wěn)定性影響。

3.1 鋰離子電池儲能系統(tǒng)的數(shù)學建模

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

儲能并網系統(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：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)學建模的形式如圖2，為簡化后的儲能并網結構三相橋式逆變器通常有兩種建模方法，分別是開關函數(shù)建模法和占空比建模法。其中開關函數(shù)建模法適用系統(tǒng)仿真、占空比建模適用控制設計，基于上文假設、綜合考慮。

3.2 鋰離子電池儲能系統(tǒng)對電網穩(wěn)定性影響的仿真研究

經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，無儲能條件下發(fā)生小擾動時，仍可經過一段時間振蕩后恢復穩(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，以及我國電網的綜合負荷也不斷提高，復雜程度也隨之變強，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)的電力電網主要是依靠繼電保護裝置來實現(xiàn)電網的穩(wěn)定性，而現(xiàn)階段隨著電網的復雜性提高，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，著重關注功角穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定兩方面。首先對儲能應用于電網穩(wěn)定的研究現(xiàn)狀簡要分析，繼而根據已建的銼電池等效電路模型結合逆變原理在理論上進一步推導、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 結論

在我國，對鋰離子電池儲能系統(tǒng)建模及其對電網穩(wěn)定性影響的研究有獨特的結論。本文研究了鋰電池儲能技術在我國現(xiàn)代電力電網中的應用，深刻分析了在現(xiàn)代電網中面臨的挑戰(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)展提供了寶貴的經驗。