本文提出了用于电力系统动力学研究的电池组汇总模型。所提电池模型是通过考虑单个电池单元的详细动态推导而来，这些电池单元用于构建电池组。该总量模型具有计算效率，保留了详细电池储能系统（BESS）模型的结构和动态。故障穿越策略与BESS的主级和电厂级控制相结合，以增强故障场景下的电网稳定性。所提BESS模型的有效性在实时数字模拟器（RTDS）平台上的IEEE-14和IEEE-39总线测试系统中得到了验证。研究显示，虽然理想电池模型可用于瞬态稳定性研究，但存在一定限制，但不建议用于长时间运行，因为它偏离了详细的电池模型。所提出的电池模型在复制详细电池模型的行为方面表现出高度的准确性。因此，它被认为是理想电池模型在电力系统动力学研究中的合适替代方案。

简介

随着全球能源消耗的增加、二氧化碳排放和供需失衡，从传统能源向可再生能源转型的需求日益紧迫[1]。可再生能源（RES）为传统能源提供了可持续的替代方案，但其广泛采用带来了必须解决的各种挑战。RES面临的一个重大挑战是其间歇性发电能力，因为它们高度依赖环境条件。这种间歇性可能导致发电量波动，这对电网稳定性构成问题。RES的扩散还导致系统惯性减弱，导致瞬态扰动期间频率高度偏差，从而降低电力系统的可靠性[2]， [3]。
电池储能系统（BESS）已证明其在解决可再生能源整合相关挑战方面的有效性，因此已被全球范围内实施和应用[4]。特斯拉在南澳大利亚霍恩斯代尔电力储备安装了全球最大的锂（锂）离子BESS之一，容量达100兆瓦，此前2016年一场罕见风暴导致全州停电[5]。因此，创建合适的BESS模型至关重要，以帮助我们揭示电力系统动态安全评估的关键贡献[6]。

[7]中提出了一个全面的数学框架，用于分析电压和角度稳定性，利用线性微分代数方程组模拟了标准的能量储存技术，如超磁储能、电池和电化学电容器。然而，该模型并不适合准确表示具有多种操作模式的BESS系统动态。
建议采用平均建模方法，研究电池内部电阻和电压的影响，以确定电力供需失衡期间的稳定区[8]。此外，[9]引入了基于反馈/前馈控制策略的方法，用于减少直流链路电压变化，从而减少BES电容尺寸。然而，[8]、[9]中的模型假设理想电池模型，即电压源与电阻串联，这些模型采用平均建模技术。
BESS对孤岛微电网频率的影响见[10]、[11]讨论。然而，BESS模型未考虑直流–直流转换器的动态，同时将电池建模为刚性直流电压源。[12]引入了BESS模型，该模型在频率模式下工作，并根据观测到的频率偏差进行充放电。此外，[13]中提出了一种基于比例积分和前导滞后控制BESS的方法，以提升功率输出能力，并提升电压和频率的瞬态稳定性，相较于STATCOM。然而，模型[12]、[13]排除了直流–直流转换器的动力学，且缺乏现代网格代码中多重控制算法和故障通过（FRT）要求。
美国西部电力协调委员会已批准一个BESS（电力系统）模型，用于研究电力系统的稳健和动态行为[14]。然而，该研究排除了直流–直流转换器的动力学，而是将电池建模为一个刚性直流电压源。此外，BESS的平均动态模型见[15]，考虑了DC–DC转换器的动态状态，并允许BESS同时提供多项服务。然而，[15]中提出的模型假设了一个理想电池模型，并未将电池的电荷状态（SoC）纳入其动力学。此外，该模型也未采纳最新的网格代码建议。
[16]中对多种BESS建模方法（如平均和详细建模）的性能进行了比较，强调基于模拟结果和特征值研究，针对高负载微电网条件进行准确详细建模的重要性。然而，[16]中描述的BESS模型并非设计为提供振荡阻尼和频率调节等多项服务。BESS模型也未包含现代网格代码所需的FRT操作。
在[17]中详细回顾了多种储能技术，包括BESS、压缩空气、抽水、磁储能、飞轮系统、化学和氢能储能以及热储能，重点介绍了它们各自的优势、局限性及最新进展。在这些技术中，BESS因其多功能性、高效性和快速的技术进步而尤为突出。此外，[18]讨论了铅酸电池在储能中的作用，强调其在可靠性、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，锂离子电池的能量密度更高，寿命也比铅酸电池更长。在此背景下，[19] 探讨了锂离子电池的多种充电方式，强调其对电池寿命和效率的重大影响，这些因素是优化BESS性能的关键因素。
对BES最优尺寸技术的全面分析，概述了各种优化目标、约束、方法论，并明确指出其优势和局限性，见[20]。此外，[17]还探讨了储能系统，特别是BESS，如何促进可再生能源的整合。它强调了关键能力，包括管理间歇性可再生能源发电、提升系统灵活性、防止电网回馈、改善频率和电压调节，以及提供能源套利、峰值削减、负载跟随和黑启动等辅助服务。[21] 评估了 BSS 的最新技术和经济进展，特别是针对 SoC 和健康状态（SoH）及其在电网服务中的作用，如频率调节、电压支持和能源套利。
近期研究也从技术和经济角度推动了BESS在电力系统中的作用。提出了一种用于回收电池的电力分配方法[22]，以提升BESS应用的可持续性，同时详细的频率调控策略凸显了其在电网稳定性中的运行重要性[23]。此外，多功能控制方案使BESS能够有效参与辅助服务市场，最大化其在微电网运营中的价值[24]。
研究[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]展示了当前研究趋势，正积极推动BESS在现代电网中设计、优化和实际部署的改进。将BESS集成到电力系统中的关键方面之一是其性能的验证。因此，我们的研究主要聚焦于为电力系统应用中的动态研究开发准确的BESS模型。
在电力系统动力学研究中，[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]中的建模技术要么考虑理想电池模型，要么使用固定电压、电容和电阻来表示电池单元。然而，电池模型尚未被创建为具有明确输入和输出的电池组模型，这在[25]中已被超级电容器组实现。
总之，现有的每个BESS模型都有局限性，且排除了BESS建模中某些关键方面，无法研究其对电力系统的影响。现有模型的一个局限性是缺乏对电池模型进行详细分析和比较，用于电力系统动力学研究，未能包含SoC和直流变换器动力学。同时，[26] 建议在电池组与直流交流转换器之间使用直流-直流转换器，建立可控的直流链路，从而优化直流-交流转换器的设计。现有的BESS模型[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]不满足现代网格代码的FRT要求，且缺少所有相关的控制算法。虽然大多数关于BESS模型的文献采用了平均模型方法进行建模，但[16]中有人提出，要在瞬态稳定性条件下有效建模BESS，必须采用详细的基于切换的模型。建模详细的BESS转换器需要大量计算需求和耗时的仿真，导致成本高昂[27]。
因此，还需要进一步研究，以开发一个综合的BESS模型，考虑所有相关因素，并为电力系统动力学研究提供准确模型。BESS及其相关控制算法的示意图如图1所示。

基于当前技术水平中发现的研究空白，主要贡献和优势如下：

• 1.
  对电池单元进行了详细分析，随后提出了一种紧凑型电池模型，其性能与详细电池单元完全相同。该简化电池模型已被证明适用于所有类型的电池单元，如锂离子电池、溴化锌和铅酸电池等。
• 2.
  引入了结构保持的聚合BESS模型并进行理论验证。与主要关注输出功率扩容的现有方法[12]、[13]、[14]、[15]相比，本方法并未做出如此粗略的假设。该汇总模型可无缝集成于商业电力系统平台，并在计算上优于详细模型。
• 3.
  现有电池模型[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]在包含对称和非对称故障的FRT控制方面存在不足，并发现了正负变量引入了序列解耦控制。聚合BESS模型包含FRT控制，以及频率调节、电压调节、电压变化、恒定有功/无功功率、固定功率因数和振荡阻尼。加入FRT控制使BESS能够有效穿越对称和非对称的故障。这一纳入增强了BESS在故障场景下的有效响应能力，支持电网的稳定性和可靠性。
• 4.
  已开展多项案例研究比较不同电池型号，通过使用IEEE-14和IEEE-39标准总线系统的实时数字模拟器（RTDS）进行电磁瞬态（EMT）模拟，证明所提电池模型的有效性和适用性。