鋰離子電池儲能系統建模及其對電網穩定性影響研究

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，也是現代生活中最為方便的能源形式。在我國傳統電力的系統中，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建模及其對電網穩定性的影響。

關鍵詞：鋰離子；電池儲能系統建模；電網穩定性影響

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

1 儲能技術在現代電力系統中的應用

1.1 電力系統的削峰填谷

在我國社會不斷發展的現階段，無論是我國工業上還是商業上用電，用電量都在不斷提高。在大規模的配電網中仍然會出現負荷率低的情況，而且在不同的時段、不用的季節都存在很大的差異。此時，儲存系統就產生了巨大作用。如在電網中配備大規模的、高性能的儲存系統，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，從而實現削峰填谷。

1.2 新能源分布式發電的靈活接入和穩定輸出

在國內，隨著我國的各種資源的枯竭與環境的持續惡化，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。現階段，新能源分布式發電的靈活接入和穩定輸出為電力事業的發展做出了巨大的貢獻，鋰離子電池儲能系統也隨之發展壯大，在我國得到大力的扶持與發展。

2 鋰離子電池概況及其在電力系統中的應用現狀

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。經過多年的發展，在20世紀八十年代的時候又發現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。發展到現在的磷酸鐵鋰電池，這種鋰離子電池是目前來說，性能最好的，最有發展前景的電池。

2.2 鋰離子電池在電力系統中的應用現狀

在電池中，鋰離子電池自成一個體系。錳酸鋰電池是現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，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建模及其對電網穩定性影響

為了可以有效地研究鋰離子電池儲能系統建模及其對電網穩定性影響，我們對鋰離子電池儲能系統進行了一系列的數學建模，以及進行仿真研究。下文就通過鋰離子電池儲能系統的數學建模、鋰離子電池儲能系統對電網穩定性影響的仿真以及鋰離子電池儲能系統對電網穩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建模及其對電網穩定性影響。

3.1 鋰離子電池儲能系統的數學建模

為了更好地研究鋰離子電池儲能系統，我們為它創建了一個新的并網系統的數學建模，圖1為鋰電儲能系統并網拓撲

儲能并網系統通常包括幾種部分，電池管理監測系統、儲能裝置以及逆變器系統等。我們可以做一系列的假設：首先是濾波器的電感線性、無飽和現象；再有就是一切的損耗和影響我們現階段忽略不計。這樣我們最終采取的數學建模的形式如圖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，分別是開關函數建模法和占空比建模法。其中開關函數建模法適用系統仿真、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對電網穩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線性增量建模、接入鋰離子電池儲能的單機無窮大系統建模以及接入鋰離子電池儲能的兩區域互聯系統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模型和兩區域互聯系統模型。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對電網穩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對電網穩定性的影響的要素。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，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。

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

3.3 鋰離子電池儲能系統對電網穩定性影響研究

隨著電力事業的不斷發展和壯大，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，電力系統的穩定性也面臨著非常巨大的挑戰。在我國，最傳統的電力電網主要是依靠繼電保護裝置來實現電網的穩定性，而現階段隨著電網的復雜性提高，傳統的穩定系統已無法滿足要求，更多的電網穩定性措施也在不斷創新與發展。為了實現功率平衡，為電網提供了主動致隱途徑，鋰離子電池是現代電力系統大規模儲能裝置，有效提高系統穩定性。電網儲能裝置專作穩定控制將在我國大力發展。鋰離子電池儲能對電力系統穩定性的影響，著重關注功角穩定和頻率穩定兩方面。首先對儲能應用于電網穩定的研究現狀簡要分析，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域互聯系統模型。

4 結論

在我國，對鋰離子電池儲能系統建模及其對電網穩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代電力電網中的應用，深刻分析了在現代電網中面臨的挑戰，詳細介紹了鋰離子電池儲能體統的原理。雖然鋰離子電池儲能系統仍存在不足之處，但經過我國多年的發展，已逐漸得到完善，并為我國的電力事業的發展提供了寶貴的經驗。