基于电池储能装置的电力系统稳定性分析

广东电网能源发展有限公司 易 宏 陈冠宇 马 婷

随着可再生能源的快速发展和普及，电力系统面临着日益严峻的稳定性挑战。传统的发电方式无法满足可再生能源的波动性和电网负荷的变化，因此需要引入新的技术来提高电力系统的稳定性。在此背景下，储能装置作为一种重要的解决方案取得了广泛关注。本文详细探讨了电池储能装置对发电机电磁转矩的影响，以及不同控制方法对系统稳定性的影响。通过本文的研究，可更好地理解和应用电池储能装置的潜力，推动电力系统朝着清洁、高效和稳定的方向发展。

1 储能装置提高系统稳定性的理论基础

1.1 电池储能装置对发电机电磁转矩的影响分析

电池储能装置作为电力系统中的重要组成部分，对发电机的电磁转矩具有显著影响。下文对电池储能装置对发电机电磁转矩的影响进行深入分析。

首先，电池储能装置可通过向电力系统注入，或吸收电能调节电力系统的总功率，从而改变发电机的负载条件[1]。这对发电机的电磁转矩产生直接影响，进而影响系统的稳定性。其次，电池储能装置可在系统频率变化时迅速响应，提供额外的支持功率，可有效抑制频率下降或上升，并提供快速的频率响应能力，从而减轻发电机的负荷和降低电力系统的频率偏差。此外，电池储能装置还可通过调控发电机的电压和无功功率，提供电力系统的无功支持和调节能力，这对于发电机的稳定运行和系统的功率平衡具有重要意义。

1.2 储能不同控制方法对发电机电磁转矩的影响

储能装置在电力系统中的不同控制方法，对发电机的电磁转矩产生不同的影响。下文对储能装置不同控制方法对发电机电磁转矩的影响进行深入分析。首先，储能装置的直接功率控制方法可通过控制储能装置的输出功率来调节发电机的负载条件。通过控制储能装置的功率输出，可改变发电机的机械转矩需求，进而影响发电机的电磁转矩。

其次，状态估计控制方法利用储能装置的电流、电压和SOC 等状态参数进行监测和估计，以优化储能装置的响应和控制策略。通过准确估计储能装置的状态，可精确地调节储能装置的功率输出，进而影响发电机的电磁转矩。此外，基于模型预测控制方法利用对电力系统的建模和预测算法，优化储能装置的功率调度。通过预测电力系统的负荷需求和可再生能源的波动性，可精确地控制储能装置的功率输出，从而有针对性地影响发电机的电磁转矩。

2 电池储能装置的数学模型

2.1 电池储能装置的基本组成

电池储能装置是由电池系统（Battery System，BS）、功率转换系统（Power Conversion System，PCS）以及控制系统等三个主要部分组成，如图1所示。

图1 电池储能系统结构示意图

首先，电池系统（BS）是储能装置的核心部分，包括电池组、电池管理系统（Battery Management System，BMS）和电池连接部件[2]。电池组由多个电池单元组成，可以存储电能。电池管理系统负责监测、控制和保护电池组，确保其在安全、高效的状态下运行。电池连接部件用于连接电池组与其他部分，实现能量的输入和输出。

其次，功率转换系统（PCS）负责将储存的电能转换为可用的电力。包括直流/交流（DC/AC）变换器、直流/直流（DC/DC）变换器和相应的控制电路。DC/AC 变换器将直流电能转换为交流电能，以满足不同负载的电力需求。DC/DC 变换器则用于调节电池组与功率转换系统之间的电压或电流，以实现最佳的能量转换效率。

最后，控制系统起着监测、调节和保护储能装置的作用。包括传感器、控制电路和监控系统等组件。传感器用于实时监测电池组的电压、电流和温度等参数，以及环境条件和负载需求。控制电路负责根据传感器的反馈信号，对功率转换系统和电池管理系统进行控制和调节。监控系统能够对储能装置的运行状态和性能进行监测和记录，并提供故障诊断和维护保养的支持。

2.2 电池储能装置的数学建模方法

电池储能装置的数学建模方法主要包括：电池组的建模和换流器，以及控制系统的建模两个方面。

首先，电池组的建模方法是研究电池储能装置的重要基础，不同的研究目的需要采用不同的电池模型，一般可分为电化学模型、耦合模型、热模型和性能模型四类。电化学模型是常用的一种模型，基于电极之间的电化学反应描述电池的化学过程，较为复杂[3]。耦合模型结合了电化学模型和动态模型，能够更好地描述电池组的动态行为。热模型则主要关注电池组的热管理，考虑电池组的热量产生、传递和散热等方面。性能模型则主要研究电池组的性能参数如容量、内阻、电流和电压等的变化规律。这些模型都可通过试验数据进行参数拟合，得到准确的电池组模型，从而为电池储能装置的设计和控制提供基础。其中，电池组机电暂态等效电路模型如图2所示。

图2 电池组机电暂态等效电路模型

图2中，Eb为理想电压源，代表电池开路电压；Rs为电池的欧姆电阻；电阻Rc和电容C组成过电势网络，用于表示电池的极化过程，其时间常数XX 约为0.01～1.2s；Ub为电池端口电压。在电力系统暂态稳定和小扰动稳定分析时，可忽略SOC 的影响，即认为Eb，Rs，Rc恒定，此时仿真模型可用公式（1）表示：

其次，换流器及其控制系统的建模方法主要是描述电池储能装置中的功率转换和控制过程。包括换流器的电路模型和控制系统的状态空间模型[4]。电路模型是通过电路分析的方法，建立换流器的电流、电压和功率之间的关系，以描述换流器的电力转换过程。控制系统的状态空间模型则是一种基于控制理论的模型，将控制系统的状态与输入输出建立联系，以描述控制系统的行为和性能。这些模型可通过仿真和试验验证来优化和验证储能装置的控制策略和性能。

2.3 PSS/E 中电池储能装置模型

PSS/E（Power System Simulation for Engineering）是电力系统中常用的仿真软件，用于进行潮流计算和稳定性分析等。在PSS/E 中，电池储能装置可以通过CBEST（Constant Bus Equivalent Station）模型进行建模和仿真。CBEST 的数学模型主要包括有功输出、无功输出及限幅环节。

在PSS/E 中，电池储能装置的有功输出可通过设置CBEST 的有功功率属性来模拟。用户可指定电池储能装置的有功功率输出和响应时间等参数，以实现储能装置的功率调节功能。无功输出可以通过设定CBEST 的无功功率属性来模拟，以支持无功功率控制功能。通过有功输出、无功输出得到储能装置的数学模型如公式（2）、公式（3）所示：

3 电池储能装置提高系统稳定性的仿真分析

3.1 参数变化的影响

储能控制器的参数对系统的性能和稳定性产生显著影响。其中，增益系数和充放电时间常数是表征暂态过程的两个重要参数。增益系数用于调节控制信号的放大程度，影响系统响应的快慢和稳定性；充放电时间常数则影响储能装置能量充放电速度的时间常量，直接影响系统的响应速度和稳态行为[5]。参数变化可能导致系统的过度振荡、不稳定性和响应速度过慢等问题，考虑比例系数从0变化到-110000时，发电机储能变化曲线如图3所示。

图3 比例系数变化时储能输出功率（ω 控制）

综上所述，储能控制器的参数变化对其作用效果有着重要的影响。适当调整参数可以改善系统响应速度、稳定性和抗干扰能力，从而优化储能装置的功能和性能。在参数调整过程中，需要注意平衡不同因素之间的关系，以满足系统的要求。

3.2 考虑储能装置容量限制时的仿真分析

储能装置的容量是其能够存储和输出的最大能量，容量限制是储能装置运行的一个重要限制因素。因此，在进行储能装置的仿真分析时，需要考虑容量限制的影响。在进行容量限制分析时，可通过设置不同的储能容量来观察其对系统的影响。例如，可以设置10MWh、20MWh、30MWh 等不同的储能容量，并记录系统在不同储能容量下的转子角度和有功输出变化情况。图4给出了储能容量分别为10MWh、20MWh、30MWh 时的变化。

图4 CBEST 不同容量限制时储能输出功率

从图4可以看出，储能容量为10MWh 时无法满足系统的功率需求，表现为维持不了稳定的有功输出[6]。而当储能容量增大至20MWh 时，储能装置可以很好地实现功率补偿，在此储能容量下有功输出趋于平稳，储能容量继续增加至30MWh 时对有功输出的改善效果已经不大，与20MWh 时相同。因此，储能容量并非越大越好，在满足系统需求的前提下，需要寻找适合的储能容量值来平衡储能装置的投资成本和性能。

本文通过基于电池储能装置的电力系统稳定性分析，深入探讨了电池储能装置对系统稳定性的影响和提升机制。通过引入储能装置，可以调节发电机电磁转矩，从而提高电力系统的稳定性。本文还介绍了电池储能装置的数学模型和控制系统模型，为系统设计和仿真分析提供了基础。