DETA蓄电池面向电力系统动态研究的电池组结构保持型集总建模
发布时间：2026-04-01 22:27:46 点击： 次
本文提出一种用于电力系统动态研究的电池组集总模型。该电池模型通过考虑单体电池单元的详细动态特性推导得出，这些特性被用于构建电池组。该集总模型在保持详细电池储能系统(BESS)模型结构与动态特性的同时，具有较高的计算效率。研究将故障穿越策略与BESS的初级控制及电厂级控制相集成，以提升电网在故障情况下的稳定性。所提出的BESS模型有效性在IEEE-14和IEEE-39母线测试系统中通过实时数字仿真器（RTDS）平台得到验证。研究表明，尽管理想电池模型可在存在一定局限性的前提下用于暂态稳定研究，但由于其与详细电池模型存在偏差，不建议用于长期运行工况。所提出的电池模型在复现详细电池模型行为方面展现出高度准确性。因此该模型被认为可替代理想电池模型，适用于电力系统动态研究。
随着全球能源消耗持续攀升、二氧化碳排放量不断增加以及供需失衡问题日益严峻，从传统能源向可再生能源转型的需求变得愈发迫切[1]。可再生能源（RES）虽能提供可持续的传统能源替代方案，但其大规模应用仍面临诸多待解难题。RES最显著的挑战之一在于其发电能力的间歇性，这源于其对环境条件的高度依赖性。这种间歇性会导致发电量波动，进而威胁电网稳定性。RES的普及还会降低系统惯性，致使暂态扰动期间出现较大频率偏差，从而削弱电力系统的可靠性[2][3]。
电池储能系统（BESS）在应对可再生能源（RES）并网挑战方面已展现出显著成效，因而在全球范围内得到广泛应用[4]。2016年南澳大利亚州因罕见风暴遭遇全州大停电后，特斯拉在霍恩斯代尔电力储备基地部署了全球最大的100兆瓦锂离子BESS之一[5]。因此，建立能够揭示电力系统动态安全评估核心贡献的BESS适用模型至关重要[6]。
文献[7]提出了一种分析电压与角度稳定性的综合数学框架，该框架采用线性微分-代数方程组对超导磁储能、蓄电池和电化学电容器等标准储能技术进行建模。然而，该模型难以准确表征具有多性向（Multi）运行模式的电池储能系统（BESS）的动态特性。
建议采用平均建模方法研究电池内阻和电压的影响，以确定电力供需失衡期间的稳定区域[8]。此外，文献[9]提出了一种基于反馈/前馈控制策略的方法，该方法通过减少直流母线电压波动，从而降低电池储能系统所需电容器容量。然而，文献[8,9]中的模型均采用理想电池模型，即电压源与电阻串联的简化模型，且这些模型均基于平均建模技术构建。
文献[10][11]探讨了电池储能系统(BESS)对孤岛微电网频率的影响，但其所采用的BESS模型既未考虑DC-DC变换器动态特性，又将电池简化为刚性直流电压源。文献[12]提出了一种运行于频率模式、根据观测频率偏差进行充放电的BESS模型。此外，文献[13]提出采用基于比例积分-超前及超前-滞后控制的BESS方案，与STATCOM相比，该方案能提升功率输出能力并改善电压与频率的暂态稳定性。然而，文献[12][13]的模型既未包含DC-DC变换器动态特性，也未整合多重控制算法和现代电网规范要求的故障穿越(FRT)功能。
美国西部电力协调委员会已批准采用BESS模型来研究电力系统的稳态与动态特性[14]。%%然而，该模型忽略了DC-DC变换器的动态过程，并将电池简化为刚性直流电压源。此外，文献[15]提出了一种BESS的平均动态模型，该模型考虑了DC-DC变换器的动态状态，并允许BESS同时提供多性向服务。但文献[15]提出的模型采用了理想电池假设，未将电池荷电状态(SoC)纳入动态方程。%%此外，该模型也未包含最新的电网规范建议。
文献[16]对电池储能系统（BESS）的不同建模方法（如平均模型与详细模型）进行了性能对比，基于模拟结果与特征值研究，强调了重载微电网条件下精确详细建模的重要性。然而，该文献描述的BESS模型既未设计为同时提供振荡阻尼、频率调节等多性向服务，也未按照现代电网规范集成必要的故障穿越（FRT）运行功能。
文献[17]对各类储能技术进行了全面综述，包括电池储能系统（BESS）、压缩空气储能、抽水蓄能、磁储能、飞轮系统、化学与氢基储能以及热储能，重点阐述了各项技术的优势、局限性和最新进展。其中，电池储能系统因其多能性向、高效性及快速的技术进步而尤为突出。此外，文献[18]探讨了铅酸电池在储能系统中的作用，着重分析了其在可靠性、可持续性、安全性和成本效益方面相较于锂离子电池的优势。然而，锂离子电池展现出比铅酸电池更高的能量密度与更长的循环寿命。在此背景下，文献[19]研究了多种锂离子电池充电策略，强调这些方法对电池寿命及效率的关键影响——这两项指标正是优化电池储能系统（BESS）性能的核心参数。
文献[20]全面分析了电池储能系统(BESS)的容量优化配置技术，系统阐述了各类优化目标、约束条件、方法论，并明确指出了其优势与局限性。%%%% 研究特别强调了BESS的关键能力，包括管理间歇性可再生能源发电、增强系统灵活性、防止电网反送电、改善频率与电压调节，以及提供能量套利、削峰填谷、负荷跟踪、黑启动等辅助服务。[21]评估了BESS最新的技术与经济进展，重点探讨了荷电状态(SoC)和健康状态(SoH)在频率调节、电压支撑及能量套利等电网服务中的作用。综上所述，现有各类电池储能系统（BESS）模型均存在局限性，其建模过程往往遗漏了某些关键要素，导致难以全面评估BESS对电力系统的影响。现有模型的主要缺陷之一在于：当研究涵盖荷电状态（SoC）和DC-DC变换器动态特性时，缺乏针对电力系统动态研究的电池模型详细分析与比较。值得注意的是，文献[26]建议在蓄电池组与DC-AC变换器之间配置DC-DC变换器，以建立可控直流链路，从而为DC-AC变换器的优化设计创造条件。
近期研究还从技术与经济双重视角推进了电池储能系统（BESS）在电力系统中的角色认知。针对回收电池的功率分配方法[22]被提出以增强BESS应用的可持续性，而频率调节的精细化策略则突显了其在电网稳定性中的关键运维价值[23]。此外，一种多功能控制方案使BESS能够有效参与辅助服务市场，从而最大化其在微电网运行中的经济效益[24]。
文献[17][18][19][20][21][22][23][24]表明，当前研究趋势正明确朝着改进电池储能系统在现代电网中的设计、优化及实际部署方向推进。整合BESS至电力系统的关键环节在于其性能验证，因此本研究主要聚焦于开发适用于电力系统动态研究的精确BESS模型。
在电力系统动态研究的电池模型开发中，文献[7]-[16]采用的建模技术要么考虑了理想电池模型，要么使用固定电压、电容和电阻来表示电池单体。然而，与文献[25]中已实现的超级电容组模型不同，这些研究尚未建立具有明确定义输入输出的电池组模型。
现有电池储能系统（BESS）模型[7]-[16]均无法满足现代电网规范对故障穿越（FRT）的要求，且未包含全部相关控制算法。尽管多数BESS建模文献采用平均值模型方法，但文献[16]指出，在暂态稳定条件下需建立基于详细开关特性的模型才能有效模拟BESS行为。构建详细的BESS变流器模型需要大量计算资源和耗时的模拟过程，从而导致高昂成本[27]。
因此，需要进一步研究以开发一个全面的电池储能系统（BESS）模型，该模型应考虑所有相关因素，并为电力系统动态研究提供精确的建模框架。图1展示了配备相关控制算法的BESS结构示意图。
基于当前研究现状中发现的空白领域，本研究的主要贡献/优势如下：
引言
电池储能系统（BESS）在应对可再生能源（RES）并网挑战方面已展现出显著成效，因而在全球范围内得到广泛应用[4]。2016年南澳大利亚州因罕见风暴遭遇全州大停电后，特斯拉在霍恩斯代尔电力储备基地部署了全球最大的100兆瓦锂离子BESS之一[5]。因此，建立能够揭示电力系统动态安全评估核心贡献的BESS适用模型至关重要[6]。
建议采用平均建模方法研究电池内阻和电压的影响，以确定电力供需失衡期间的稳定区域[8]。此外，文献[9]提出了一种基于反馈/前馈控制策略的方法，该方法通过减少直流母线电压波动，从而降低电池储能系统所需电容器容量。然而，文献[8,9]中的模型均采用理想电池模型，即电压源与电阻串联的简化模型，且这些模型均基于平均建模技术构建。
文献[10][11]探讨了电池储能系统(BESS)对孤岛微电网频率的影响，但其所采用的BESS模型既未考虑DC-DC变换器动态特性，又将电池简化为刚性直流电压源。文献[12]提出了一种运行于频率模式、根据观测频率偏差进行充放电的BESS模型。此外，文献[13]提出采用基于比例积分-超前及超前-滞后控制的BESS方案，与STATCOM相比，该方案能提升功率输出能力并改善电压与频率的暂态稳定性。然而，文献[12][13]的模型既未包含DC-DC变换器动态特性，也未整合多重控制算法和现代电网规范要求的故障穿越(FRT)功能。
美国西部电力协调委员会已批准采用BESS模型来研究电力系统的稳态与动态特性[14]。%%然而，该模型忽略了DC-DC变换器的动态过程，并将电池简化为刚性直流电压源。此外，文献[15]提出了一种BESS的平均动态模型，该模型考虑了DC-DC变换器的动态状态，并允许BESS同时提供多性向服务。但文献[15]提出的模型采用了理想电池假设，未将电池荷电状态(SoC)纳入动态方程。%%此外，该模型也未包含最新的电网规范建议。
文献[16]对电池储能系统（BESS）的不同建模方法（如平均模型与详细模型）进行了性能对比，基于模拟结果与特征值研究，强调了重载微电网条件下精确详细建模的重要性。然而，该文献描述的BESS模型既未设计为同时提供振荡阻尼、频率调节等多性向服务，也未按照现代电网规范集成必要的故障穿越（FRT）运行功能。
文献[17]对各类储能技术进行了全面综述，包括电池储能系统（BESS）、压缩空气储能、抽水蓄能、磁储能、飞轮系统、化学与氢基储能以及热储能，重点阐述了各项技术的优势、局限性和最新进展。其中，电池储能系统因其多能性向、高效性及快速的技术进步而尤为突出。此外，文献[18]探讨了铅酸电池在储能系统中的作用，着重分析了其在可靠性、可持续性、安全性和成本效益方面相较于锂离子电池的优势。然而，锂离子电池展现出比铅酸电池更高的能量密度与更长的循环寿命。在此背景下，文献[19]研究了多种锂离子电池充电策略，强调这些方法对电池寿命及效率的关键影响——这两项指标正是优化电池储能系统（BESS）性能的核心参数。
文献[20]全面分析了电池储能系统(BESS)的容量优化配置技术，系统阐述了各类优化目标、约束条件、方法论，并明确指出了其优势与局限性。%%%% 研究特别强调了BESS的关键能力，包括管理间歇性可再生能源发电、增强系统灵活性、防止电网反送电、改善频率与电压调节，以及提供能量套利、削峰填谷、负荷跟踪、黑启动等辅助服务。[21]评估了BESS最新的技术与经济进展，重点探讨了荷电状态(SoC)和健康状态(SoH)在频率调节、电压支撑及能量套利等电网服务中的作用。综上所述，现有各类电池储能系统（BESS）模型均存在局限性，其建模过程往往遗漏了某些关键要素，导致难以全面评估BESS对电力系统的影响。现有模型的主要缺陷之一在于：当研究涵盖荷电状态（SoC）和DC-DC变换器动态特性时，缺乏针对电力系统动态研究的电池模型详细分析与比较。值得注意的是，文献[26]建议在蓄电池组与DC-AC变换器之间配置DC-DC变换器，以建立可控直流链路，从而为DC-AC变换器的优化设计创造条件。
近期研究还从技术与经济双重视角推进了电池储能系统（BESS）在电力系统中的角色认知。针对回收电池的功率分配方法[22]被提出以增强BESS应用的可持续性，而频率调节的精细化策略则突显了其在电网稳定性中的关键运维价值[23]。此外，一种多功能控制方案使BESS能够有效参与辅助服务市场，从而最大化其在微电网运行中的经济效益[24]。
文献[17][18][19][20][21][22][23][24]表明，当前研究趋势正明确朝着改进电池储能系统在现代电网中的设计、优化及实际部署方向推进。整合BESS至电力系统的关键环节在于其性能验证，因此本研究主要聚焦于开发适用于电力系统动态研究的精确BESS模型。
在电力系统动态研究的电池模型开发中，文献[7]-[16]采用的建模技术要么考虑了理想电池模型，要么使用固定电压、电容和电阻来表示电池单体。然而，与文献[25]中已实现的超级电容组模型不同，这些研究尚未建立具有明确定义输入输出的电池组模型。
现有电池储能系统（BESS）模型[7]-[16]均无法满足现代电网规范对故障穿越（FRT）的要求，且未包含全部相关控制算法。尽管多数BESS建模文献采用平均值模型方法，但文献[16]指出，在暂态稳定条件下需建立基于详细开关特性的模型才能有效模拟BESS行为。构建详细的BESS变流器模型需要大量计算资源和耗时的模拟过程，从而导致高昂成本[27]。
因此，需要进一步研究以开发一个全面的电池储能系统（BESS）模型，该模型应考虑所有相关因素，并为电力系统动态研究提供精确的建模框架。图1展示了配备相关控制算法的BESS结构示意图。
- 1.
本研究对电池单体进行了详细分析，并在此基础上提出了一种紧凑型电池模型，其行为特性与详细电池单体完全一致。经验证，该简化电池模型可适用于锂离子、溴化锌、铅酸等所有类型的电池单体。 - 2.
本文提出了一种具有理论验证的聚合结构保持型BESS模型。相较于现有主要关注输出功率调节的研究方法[12][13][14][15]，本方法避免了此类粗略假设。该聚合模型可无缝集成于商用电力系统平台，相比详细模型具有显著计算优势。 - 3.
现有电池模型[7]-[16]在涵盖对称与非对称故障下的故障穿越（FRT）控制方面存在不足，为此本文提出正负序解耦控制方案。该聚合型电池储能系统（BESS）模型整合了FRT控制、频率调节、电压调节、无功-电压控制、恒有功/无功功率控制、固定功率因数控制及振荡阻尼功能。FRT控制的加入使BESS能有效穿越对称与非对称故障工况，显著增强了系统在故障场景下的响应能力，为电网稳定性和可靠性提供有力支撑。dq序列解耦控制方案被引入。该聚合BESS模型集成了FRT控制功能，同时包含频率调节、电压调节、无功-电压控制、恒有功/无功功率控制、固定功率因数控制及振荡阻尼功能。FRT控制的加入使BESS能够有效穿越对称与非对称故障，这一改进显著提升了BESS在故障场景下的响应能力，有力支撑了电网稳定性与可靠性。 - 4.
为比较不同电池模型，已开展多案例研究，通过在实时数字模拟器（RTDS）平台上采用IEEE-14和IEEE-39标准母线系统进行电磁暂态模拟，验证了所提电池模型的有效性与适用性。