大容量储能对电力系统小干扰稳定的影响

何 晶

（深圳市达能电力技术有限公司广州公司，广东 广州 510000）

0 引言

传统的电力系统在电力生产和输送等方面存在不少缺陷，从而降低了电力企业的服务质量，也制约了电力系统的规划、建设和管控，随着人们对电力系统稳定性研究的不断加深，先进大容量储能技术成为呼声较高的一项技术手段，它可以灵活地实现有功、无功的快速、解耦控制，打破了发、用电实时平衡的限制，可以满足电网峰值负荷的需求，也可有效降低昼夜峰谷差，辅助解决低电压穿越问题，从而提高运行效率和稳定性，保证供电质量，由此可见大容量储能技术具有很大的发展前景，值得行业相关人士深入研究。

1 大容量储能在电力系统的应用类别介绍

电力储能技术在我国乃至全球很早就已经出现，最早时应用较多的主要是抽水蓄能，随着科技发展，各种新能源发电技术出现，储能方式增多，可以并存和联合应用，应用领域也从移峰填谷、调频等扩大到分布式发电、可再生能源并网等方面[1]，但也正是由于储能技术种类较多，发展程度各不相同，也各有优劣，而电力行业的可应用范围较为广阔，要求相差较大，因此实际应用时会根据不同储能技术的经济特性来具体选择，下面首先对几种较为常见的储能技术进行简要介绍，并对几种储能方式在能量密度、功率密度、响应速度、应用成本等方面进行了对比分析（见下表1）。

表1 几种典型储能技术经济指标现状对比

1.1 抽水储能

该技术应用较早，比较成熟且由于储能容量较大，可达百兆及千兆级别，同时运行效率高，可循环周期长，在我国很多城市被广泛应用，其储能量和发电量在我国直至全球范围内都占比较高。在实际应用时，需要根据当地的地形和水资源分布建立抽水蓄能电站，容量根据当地设计目标来确定，而能量的存储和释放则是利用两个不同高度蓄水池来完成，从而实现调频、调压等稳定控制功能，还可与风力发电结合，以提高电力系统的稳定性和经济效益。

1.2 压缩空气储能

该方式的储能容量也可达百兆以上且能长期储能，投资建设和运行成本较低，环保效益明显。储能原理是将空气压缩存储在洞穴或容器里，待需要辅助电力系统运行时可释放并点燃空气，在与燃料混合燃烧的过程中产生大量的热能，进而转换成电能，用于峰谷电能回收调节、平衡负荷、频率调制、发电系统旋转备用等。为了提高运行效率，可以利用复热器，此外我国还研发了“非补燃压缩空气储能”技术，进一步提高了效率，降低了成本，扩大了应用范围，促进了该技术的发展和应用。

1.3 飞轮储能

该储能系统分为旋转体和功率调节系统两部分，充电时旋转体转动向外释放能量然后降速，通过调节飞轮转速，使储能装置与电网的能量进行交换，而根据转速的不同分为低速飞轮和的高速飞轮2 种，前者为功率型，可保证电力系统运行稳定，后者适合长期储能，可用于电力调峰、调频，这种储能方式的充电速度较快，循环寿命长，但还需提高能量密度，降低应用成本。

1.4 超导磁储能

根据超导体电阻为零的特性，将超导体制成储能装置，整个系统被低温冷却到超导临界温度之下，从而可以长期无损耗储存能量且能量转换效率非常高，可作为一个灵活调控的电源，调节电网电压、频率、功率，以提高电力系统稳定性，改善供电品质。但该技术的应用成本较高，对超导材料要求较高且充电速度待提升，因此还没有得到大力发展，目前最大的商用功率等级并不高。

1.5 蓄电池储能

蓄电池充放电时正负极活性材料会发生氧化和还原反应，从而实现能量转化，将电能以化学能形式存储，而其储存容量取决于电池模块数量，充放电时间、运行效率等又与电池的种类又有很大的关系。 1）铅酸电池：技术成熟、响应速度快、安全可靠、投资成本低，属于蓄电池储能中应用效果较好且非常广泛的一种，通常用于电厂、电站的备用电源和电能质量调节。2）钠硫电池：在全球范围内的研究和应用都比较普遍，特别是用于商业，具有能量密度高，使用寿命长等特点，可用于电能质量调节和负荷的削峰填谷调节，但热量过高时有一定的危险性，还需进一步优化热管理系统。3）锂电池：与钠硫电池优势相似，但综合循环效率更高，是当前我国重点关注的储能方式，可在成本和监管系统上加以改进，以简化其管理和应用。4）钒液流电池：功率大、使用寿命长、清洁环保、成本低，是最成熟的液流电池，也是目前世界发展最快的大容量储能技术，由于存储的能量和功率可以单独调节，根据液体存储罐的大小可实现不同规模的储能，可用于城市电网储能、远程供电等领域[2]。

2 大容量储能对电力系统小干扰稳定的作用机理研究

考虑到储能具有快速、灵活的有功、无功控制能力，可以向电力系统快速提供有功和无功功率补偿来改善其稳定性，表明储能可以为系统提供正阻尼，因此大容量储能也可看做是一种可靠的阻尼控制法，比传统的PSS 和 FACTS 等电网控制系统更为安全可靠，基于该背景，很多学者对大容量储能与电力系统的融合及影响进行了研究，该文主要介绍变流器控制储能装置的主要类型和工作原理，分析储能辅助电力系统小干扰稳定及如何通过改储能装置实现有功、无功的解耦控制。

2.1 基于变流器控制的储能装置类型与工作原理

由图1 可以看出该装置主要分为功率调节系统和储能系统两部分，各部分的组成大不相同，但是互相之间有联系且整体通过电力电子接口并入电网，从而形成储能系统。其中大容量储能主要依靠蓄电池、超级电容器等方式实现，但各储能技术各有利弊，在实际工程应用上由于自身构造、工作条件、电网对电压和容量等方面的要求较高，目前还无法大面积应用，为了对大容量储能产生的影响和作用进行研究分析， 可以构建用于仿真和实验系统的装置，以获得一些理论数据参考。

2.2 储能变流器的PQ 解耦控制策略

由图1 可知功率调节系统主要包括主电路和控制系统两部分，其中的控制系统可以采集储能单元的状态信号，来自电网的电压和电流信号，传递给低层控制器，而电力系统的状态变量则由系统层控制器采集，并经处理后向低层控制器发送交换指令，指示工作模式，低层控制器汇总所有信号和数据后，生成合适的触发控制脉冲来调控系统运行参数，如提高系统的阻尼特性、电能质量，从而实现有功、无功的独立交换，控制储能系统的交换功率[3]。

图1 基于变流器控制的储能装置结构示意图

3 大容量储能对电力系统小干扰稳定的影响分析

3.1 系统动态建模

该文以三机九节点系统为例，对大容量储能系统接入电力系统后的小干扰稳定影响进行了分析。1）建立同步发电机模型，采用同步电机4 阶模型，相关计算公式可参照电力行业的有关规范，同时由于电力系统稳定器PSS 可以提高系统基本运行方式下的小干扰稳定性，还可以在基本运行方式下通过配置和不配置PSS（模式一和模式二）来所呈现的机电振荡模式来表明PSS 在增强系统阻尼特性中的优势。2）储能电站，模型主要包括电池及电池管理系统，PCS 换流器和控制模块，电池充放电特性为线性，当大容量储能接入电网时，可按照功率内外环控制策略实现有功、无功解耦控制。通过以上模型和原理模拟不同条件下储能阻尼系统低频振荡情况，并采用特征值分析法，以换流器及控制模块的动态性能为重点，根据系统的状态变量、输出变量、输入变量，结合电力系统的动态特性有关计算方程式得出系统状态极点，并根据状态矩阵特征值对应的振荡模式阻尼比，进而对小干扰稳定性进行分析[4]。

3.2 系统潮流不变下的影响分析

通过完整的模型，模拟逐步增加储能发电有功出力后的振荡模式变化，例如在储能并网容量增加且协调控制系统潮流不变的情况下，将储能有功出力从20MW 增加至100MW，在并网容量以 20MW 的基数增长的情况下，对比相同模式下的阻尼特性变化情况以及有无PSS 时的阻尼特性变化情况，从表2 可以得出，模式一的振荡频率基本保持不变，而阻尼比与并网容量呈正比，而模式二的频率比模式一大，且呈下降趋势，而阻尼比也明显在逐步上升且都没有产生新的振荡模式，因此在系统潮流不变的情况下，阻尼比会随着储能容量的接入而增大。

表2 系统潮流不变下的阻尼特性变化情况

3.3 系统潮流改变下的影响分析

基于上述同样的原理，若同步电机 G3 没有参与协调控制，储能渗透率在增加过程中就会失衡，系统潮流就会发生变化，因此可以模拟系统潮流变化情况下的振荡模式，得出储能并网容量逐步增加情况下，两种模式的频率和阻尼比变化，通过数据对比分析可以得出阻尼比的变化趋势为先降后增，但变化性非常小，而模式一的频率呈微弱增长趋势，模式二则正好相反，但同样都没有引发新的振荡模式。因此，在以上两种情况下，大容量储能都不会明显改变或降低阻尼比，对小干扰稳定的影响也较小，也不会参与系统的低频振荡，但系统潮流不变时更有利于系统的小干扰稳定。

3.4 锁相环影响

为了便于研究储能接入后的小干扰稳定性影响，现有机电暂态仿真软件中并未考虑锁相环动态模型，若要精准确定其影响性，可基于锁相环基本原理，建立动态模型，以Kp=1.5，Ki=10 为典型参数（Kp为比例参数，主要用于快速调节误差；Ki为积分参数，主要用于调节稳态时间），以系统潮流为条件，模拟不同变化情况下的振荡模式，同样也是以并网容量变化时引起的频率和阻尼比变化来对比有无考虑锁相环的系统阻尼特性，并进一步评估对系统小干扰稳定的影响（具体数据见下表3），有关学者和专家试验后得出，未考虑锁相环时稳定性会变差[5]。

表3 考虑锁相环影响时的阻尼特性变化情况

3.5 附加阻尼控制的影响

综上可知，大容量储能接入时会引起电力系统阻尼特性的变化，为了进一步稳固系统，以一次调频及惯量控制模型为基础，研究大容量储能对电力系统阻尼比产生的具体影响，通过模拟大容量储能接入并网容量递增时，系统振荡模式的变化情况，在100MW 情况下有无附加阻尼控制时，出现三相瞬时短路故障时G3 有功功率响应情况（详见图2），综合以上试验数据分析可以得出，附加阻尼控制可以改善系统小干扰稳定性。

图2 G3 机组有功率响应

4 结语

总之，面对日益严重的能源危机和用电压力，大容量储能技术势不可挡，有关学者和该行业工作者理应加强在该方面的研究，以促进与电力系统的良好结合，该文所述的大容量储能种类丰富且适用性和效果各不相同，但总体来说只要控制得当，应用合理，对电力系统小干扰稳定性不会产生太大的影响，可以用于电量输送、平滑电网负荷、调控供电量，也可用于发电自动控制，提高电力设备利用率，从而提高供电质量，增加经济效益，但是很多储能技术在我国发展还不成熟，为了促进储能技术的应用，还需持续研究储能系统接入电网后对各方面产生的影响，就储能本体研发、与既有电力系统的融合和应用成本等进行改进，以进一步提升稳定性、安全性、经济性。