适用于故障特性分析的锂离子电池储能电磁暂态建模方法

张家琪; 刘朋印; 谢小荣; 杨国生

doi:10.7500/AEPS20220315009

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

适用于故障特性分析的锂离子电池储能电磁暂态建模方法

研制与开发 | 更新时间：2025-06-16

- 适用于故障特性分析的锂离子电池储能电磁暂态建模方法
- Electromagnetic Transient Modeling Method of Lithium-ion Battery Energy Storage System for Fault Characteristic Analysis
- 电力系统自动化 2023年47卷第7期页码：166-173
- 作者机构：
  
  1.清华大学电机工程与应用电子技术系,北京市 100084
  2.国家电网有限公司,北京市 100031
  3.中国电力科学研究院有限公司,北京市 100192
- 作者简介：
  
  张家琪(1988—)，女，博士研究生，主要研究方向：电力系统稳定分析。E-mail：jiaqizhang@sgcc.com.cn
  刘朋印(1996—)，男，通信作者，博士研究生，主要研究方向：电力系统稳定分析。E-mail：lpy21@mails.tsinghua.edu.cn
  谢小荣（1975—），男，教授，主要研究方向：电力系统稳定分析与控制。E-mail：xiexr@tsinghua.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家电网有限公司总部科技项目(5100-202155028A-0-0-00)
- DOI：10.7500/AEPS20220315009
  中图分类号：
- 收稿：2022-03-15，
  
  修回：2022-11-18，
  
  网络出版：2023-02-13，
  
  纸质出版：2023-04-10
- 稿件说明：
移动端阅览
张家琪,刘朋印,谢小荣等.适用于故障特性分析的锂离子电池储能电磁暂态建模方法[J].电力系统自动化,2023,47(7):166-173.

ZHANG Jiaqi,LIU Pengyin,XIE Xiaorong,et al.Electromagnetic Transient Modeling Method of Lithium-ion Battery Energy Storage System for Fault Characteristic Analysis[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(7):166-173.
张家琪,刘朋印,谢小荣等.适用于故障特性分析的锂离子电池储能电磁暂态建模方法[J].电力系统自动化,2023,47(7):166-173. DOI： 10.7500/AEPS20220315009.

ZHANG Jiaqi,LIU Pengyin,XIE Xiaorong,et al.Electromagnetic Transient Modeling Method of Lithium-ion Battery Energy Storage System for Fault Characteristic Analysis[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(7):166-173. DOI： 10.7500/AEPS20220315009.

摘要

为促进新能源的消纳利用，锂离子电池储能系统（LiBESS）在电网中得到了广泛应用，进一步导致电网故障特征更加复杂。为此，提出一种LiBESS电磁暂态建模方法。在分析故障特征的基础上，建立了功率变流器系统（PCS）模型和兼顾电池外特性、荷电状态的锂离子电池模型。PCS控制策略引入了故障穿越控制环和负序控制环，实现了故障穿越并消除了直流母线电压波动。此外，通过机理分析和仿真验证明确了LiBESS在不同充放电模式下的故障特性差异。最后，基于PSCAD/EMTDC的电磁暂态仿真和基于实时数字仿真器的硬件在环测试验证了所提建模方法的有效性。

Abstract

To promote the accommodation and utilization of the renewable energy

the lithium-ion battery energy storage system (LiBESS) has been widely used in power systems

resulting in more complicated fault characteristics. An electromagnetic transient modeling method for LiBESS is proposed. Based on the analysis of the fault characteristics

the power converter system (PCS) and the lithium-ion battery taking the external characteristics and the state of charge (SOC) into account are established. The fault ride-through control loop and negative-sequence control loop are introduced into the control strategy of PCS to realize the fault ride-through and eliminate the fluctuation of DC bus voltage. In addition

the difference in fault characteristics of LiBESS under different charging and discharging modes are analyzed through mechanism analysis and simulation verification. Finally

accuracy of the proposed modeling method is verified based on the electromagnetic transient simulation in PSCAD/EMTDC and hardware-in-loop test in RTDS.

关键词

Keywords

references

卓振宇，张宁，谢小荣，等 . 高比例可再生能源电力系统关键技术及发展挑战［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 9 ）： 171 - 191 .

ZHUO Zhenyu ， ZHANG Ning ， XIE Xiaorong ， et al . Key technologies and developing challenges of power system with high proportion of renewable energy ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 9 ）： 171 - 191 .

KAZARI H ， ORAEE H ， PAL B C . Assessing the effect of wind farm layout on energy storage requirement for power fluctuation mitigation ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2019 ， 10 （ 2 ）： 558 - 568 .

李建林，武亦文，王楠，等 . 吉瓦级电化学储能电站研究综述及展望［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 19 ）： 2 - 14 .

LI Jianlin ， WU Yiwen ， WANG Nan ， et al . Review and prospect of gigawatt-level electrochemical energy storage power station ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 19 ）： 2 - 14 .

刘璐，牛萌，郑伟杰，等 . 考虑内部参数不一致性的储能系统用锂电池组建模［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 19 ）： 15 - 23 .

LIU Lu ， NIU Meng ， ZHENG Weijie ， et al . Modeling of lithium-ion battery packs for energy storage system considering inconsistency of internal battery parameters ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 19 ）： 15 - 23 .

PAUL S ， NATH A P ， RATHER Z H . A multi-objective planning framework for coordinated generation from offshore wind farm and battery energy storage system ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2020 ， 11 （ 4 ）： 2087 - 2097 .

ZHANG X S ， GU J P ， HUA L ， et al . Enhancing performances on wind power fluctuation mitigation by optimizing operation schedule of battery energy storage systems with considerations of operation cost ［J］. IEEE Access ， 2019 ， 7 ： 94072 - 94083 .

CHAKRABORTY T ， WATSON D ， RODGERS M . Automatic generation control using an energy storage system in a wind park ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2018 ， 33 （ 1 ）： 198 - 205 .

毕天姝，刘素梅，薛安成，等 . 逆变型新能源电源故障暂态特性分析［J］. 中国电机工程学报， 2013 ， 33 （ 13 ）： 165 - 171 .

BI Tianshu ， LIU Sumei ， XUE Ancheng ， et al . Fault characteristics of inverter-interfaced renewable energy sources ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2013 ， 33 （ 13 ）： 165 - 171 .

RAKHRA P ， NORMAN P J ， FLETCHER S D A ， et al . Evaluation of the impact of high-bandwidth energy-storage systems on DC protection ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2016 ， 31 （ 2 ）： 586 - 595 .

SALEH S A ， OZKOP E ， VALDES M E ， et al . On the factors affecting battery unit contributions to fault currents in grid-connected battery storage systems ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2022 ， 58 （ 3 ）： 3019 - 3028 .

SALEH S A ， RICHARD C ， ST ONGE X F ， et al . Comparing the performance of protection coordination and digital modular protection for grid-connected battery storage systems ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2019 ， 55 （ 3 ）： 2440 - 2454 .

SALEH S A ， MCSHEFFERY R ， MENG R . Testing the performance of the digital modular protection for grid-connected battery storage systems ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2018 ， 54 （ 3 ）： 2059 - 2070 .

BERGER M ， KOCAR I ， FARANTATOS E ， et al . Modeling of Li-ion battery energy storage systems （BESSs） for grid fault analysis ［J］. Electric Power Systems Research ， 2021 ， 196 ： 107160 .

XU X K ， BISHOP M ， OIKARINEN D G ， et al . Application and modeling of battery energy storage in power systems ［J］. CSEE Journal of Power and Energy Systems ， 2016 ， 2 （ 3 ）： 82 - 90 .

中国国家标准化管理委员会 . 电化学储能系统接入电网技术规定： GB/T 36547—2018 ［S］. 北京：中国标准出版社， 2018 .

Standardization Administration of the People’s Republic of China . Technical rule for electrochemical energy storage system connected to power grid ： GB/T 36547—2018 ［S］. Beijing ： Standards Press of China ， 2018 .

IEEE standard test procedures for electric energy storage equipment and systems for electric power systems applications： IEEE Std 2030.3—2016 ［S］. 2016 .

何安然，侯凯，王小红，等 . 不对称条件下的储能虚拟同步发电机低电压穿越控制技术［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 10 ）： 122 - 127 .

HE Anran ， HOU Kai ， WANG Xiaohong ， et al . A low voltage ride through control technique for energy storage virtual synchronous generator under asymmetric condition ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 10 ）： 122 - 127 .

侯桂欣，刘其辉，谢孟丽 . 对称及不对称电网故障下的电池储能系统低电压穿越控制策略［J］. 电力系统保护与控制， 2013 ， 41 （ 10 ）： 62 - 67 .

HOU Guixin ， LIU Qihui ， XIE Mengli . The LVRT of the BESS under both balance and unbalance grid fault ［J］. Power System Protection and Control ， 2013 ， 41 （ 10 ）： 62 - 67 .

SEAMAN A . A survey of mathematics-based equivalent-circuit and electrochemical battery models for hybrid and electric vehicle simulation ［J］. Journal of Power Sources ， 2014 ， 256 ： 410 - 423 .

JIANG L ， HUANG Y D ， LI Y ， et al . Optimization of variable-current charging strategy based on SOC segmentation for Li-ion battery ［J］. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems ， 2021 ， 22 （ 1 ）： 622 - 629 .

刘威，谢小荣，黄金魁，等 . 并网变流器的频率耦合阻抗模型及其稳定性分析［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 3 ）： 138 - 146 .

LIU Wei ， XIE Xiaorong ， HUANG Jinkui ， et al . Frequency-coupled impedance model and stability analysis of grid-connected converter ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 3 ）： 138 - 146 .

中国国家标准化管理委员会 . 风电场接入电力系统技术规定： GB/T 19963—2011 ［S］. 北京：中国标准出版社， 2012 .

Standardization Administration of the People’ Republic of China . Technical rule for connecting wind farm to power system ： GB/T 19963—2011 ［S］. Beijing ： Standards Press of China ， 2012 .

中国国家标准化管理委员会 . 光伏发电并网逆变器技术要求： GB/T 37408—2019 ［S］. 北京：中国标准出版社， 2019 .

Standardization Administration of the People’s Republic of China . Technical requirements for photovoltaic gird-connected inverter ： GB/T 37408—2019 ［S］. Beijing ： Standards Press of China ， 2019 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

适用于电网频率响应分析的直驱型风电场实用化等值方法

基于无功电流补偿的直驱风机故障后过电压抑制策略

用于大规模新能源架空线路送出的储能型柔性直流输电系统