用于电网支撑研究的电池储能系统建模

主要收获

• • 电网支撑模型必须将电池、逆变器和电站控制器视为一个操作系统。

  • 充电状态限制和直流侧功率限制对系统可用性的影响，与逆变器铭牌额定值同样重要。

  • 可靠的研究会检查设备在整个工作范围内正常运行、故障以及控制交接的情况。

要对用于电网支持的电池储能系统进行精确建模，需要考虑电量状态限制以及故障情况下的逆变器控制行为。

简单的电池组虽然可以估算能量吞吐量，但无法经受住严格的电网支持研究考验。并网审查、保护检查和电网规范评估，都取决于当电压下陷、电流达到限值或电池运行接近工作边界时，逆变器将如何应对。美国公用事业级电池储能容量从 2022年底的9.1吉瓦 增至2023年底的15.5 GW。这种增长使得建模不完善所带来的代价更高，因为如今越来越多的项目面临详细的技术审查。

只有将电池、逆变器和电站控制器视为一个整体运行系统，才能获得有用的模型。连接到母线的充电器或放电源无法充分反映无功电流优先级、功率降额或在高充电状态下临近时的充电锁定等情况。这种简化会掩盖电网承受压力时真正重要的限制因素。电网支撑研究需要能够塑造正常运行期间及电网受压条件下行为的控制逻辑。

一个有用的BESS模型应从研究问题入手

一个有用的电池储能系统（BESS）模型应从您需要研究的服务或扰动入手。这一选择将决定模型的保真度、时间步长以及控制细节。频率支持、电压调节和故障穿越会以不同方式对系统造成压力。当模型范围与研究目标完全吻合时，您将节省时间。

馈线电压研究通常需要考虑逆变器控制层、现场变压器、集电极阻抗以及充电状态逻辑；而热老化评估则需要更多电池细节，而电网细节则相对较少。 弱母线上的相-地故障会触发电流限制和控制优先级，因此电磁瞬态建模变得尤为重要。如果问题仅涉及调度可行性，那么对日前能源转移的检查通常可以保持在较简单的层面。这种差异将在您放置第一个模块之前就决定您的模型结构。大多数电池储能系统的仿真步骤都可归纳为一个简短的序列：

• 请指定您需要测试的电网服务或故障。
• 选择与研究时间尺度相匹配的模型精度。
• 设置电池能量、初始充电状态和储备区间。
• 表示逆变器的限值、滤波器和保护逻辑。
• 编写电压、电流、功率和恢复的通过标准

电网支持研究需要一个电池逆变器控制模型

电网支撑研究需要一个逆变器控制模型，因为逆变器决定了电站如何向电网注入有功电流和无功电流。这种行为决定了端电压支撑、功率跟踪以及扰动后的恢复能力。如果电池模块没有控制环路，就无法模拟电网实际感知到的运行机制。你所建模的是一台受控的电力转换器，而不仅仅是储能系统。

一套有用的控制方案通常包括相位跟踪、内电流环、外有功和无功功率环、电流优先级、斜率限制以及测量滤波器。假设某发电厂在局部电压骤降期间被要求保持0 MW的输出并提供无功支持。 电池单元仍有可用能量，但电网的响应取决于变流器如何重新分配电流，以及外环何时将控制权移交。这就是为什么针对电网支持的电池储能系统（BESS）建模不能仅停留在千瓦、千瓦时和往返效率层面。电网关注的是逆变器的指令电流、其饱和逻辑，以及事件消除后的恢复路径。

充电状态必须作为运行限值

充电状态必须作为运行限制条件，因为它会直接影响电站的吸纳或输送能力。忽略这一限制的模型会高估服务可用性。 

“当电池似乎能够无限期地充放电时，电网支持研究往往无法通过评审。”

电量状态为95%的电池，即使逆变器铭牌上标明可以，也无法在过频支撑期间长期持续吸收有功功率。电量状态为10%的电厂，若要进行持续的欠频放电，则必须遵守备用政策。 优秀的模型应包含上下阈值、充放电阻断机制、防止振荡的滞后特性，以及为应对下一次事件而保留能量的操作员储备裕度。在电池储能电网服务模拟中，这种结构至关重要，因为服务承诺与物理响应都与同一能量状态相关联。若忽略这些限制，虽然图表显示稳定，但实际运行逻辑已无法成立。

电池功率限制应根据电芯状态而变化

电池功率限制应随电芯状态的变化而变化，因为直流侧的行为并不像一个固定的“能量桶”。可用功率会随端电压、温度、内阻和充电状态的变化而变化。采用恒功率电池模块会掩盖这些变化。因此，需要设置能够随工作点变化而调整的功率限制。

处于低电量状态且温度较低的电池，其放电极限通常比处于中等电量状态且温度适中的同一块电池更为严格。这意味着逆变器请求的电流可能会超过直流电源所能支持的范围，从而在模型中导致功率限制或直流电压崩溃。 一种有效的方法是绘制充电和放电能力与电量状态及温度的关系图，然后将这些限制值传递给逆变器控制系统。在模拟电池储能逆变器控制系统时，这一额外步骤至关重要，因为交流控制器只能请求直流侧实际能够提供的功率。

工厂控制逻辑应包含在变频器模型中

机组控制逻辑应包含在逆变器模型中，因为调度与电网支持在同一控制链中相互关联。有功功率、无功功率、电压下垂和功率因数的设定值，在产生电流之前，都会经过限值和模式逻辑的处理。一个研究级模型必须清晰地展示这些交接过程。您要验证的是指令下的行为表现，而不仅仅是稳态输出。

当要求公用事业电池在保持无功功率目标的同时输出 20 MW 时，其行为将与在无功优先电压控制下的同一电厂有所不同。当电网请求的功率超过换流器所能提供的功率时，死区、斜率、设定点滤波器和优先级规则将决定哪条指令优先。正是由于这一细节，许多团队将电厂控制器、逆变器控制器和电池限制设置为相互连接的模块，而非独立的占位符。 SPS SOFTWARE 完全契合这一工作流程，因为您可以检查和编辑控制结构，而不是将其视为一个封闭的组件。这种透明性在评审人员询问“为何在电压事件期间机组会削减有功功率，或在接近满电状态时拒绝充电指令”时非常有用。

故障研究要求在电压骤降期间对逆变器电流进行限制

故障研究要求在电压骤降期间对逆变器电流进行限制，因为即使电网需要更多支持，换流器硬件也会限制电流。此时，控制器必须决定如何在有功和无功部分之间分配受限电流。这一选择将影响端子电压、直流母线应力以及故障后的恢复情况。

“如果没有这个限值逻辑，就无法可靠地模拟电池储能系统（BESS）对电网故障的响应。”

三相电压跌落至0.5单位便是明显的例子。外层控制器可能会要求提供强有力的无功支持以帮助母线恢复，但内层控制回路仍存在不可逾越的最大电流圆或矩形限制。有些电厂在电压跌落期间优先提供无功电流，然后在定时恢复期过后恢复有功功率。 还有一些电厂则保持固定比例，或采用保护阈值来暂时降低输出。这些细节会影响保护装置检测到的故障电流，同时也影响对“抗故障运行”规则的遵守情况。一个注入无限电流的模型在图表上看似有用，但仍无法提供关于实际逆变器的任何有价值的信息。

电网服务研究应测试不同运行状态之间的切换

电网服务研究应测试不同运行状态之间的切换，因为许多问题出现在状态切换过程中，而非稳态运行期间。充电、放电、待机、无功支持和故障恢复各自采用不同的限值和控制路径。设备可能通过静态测试，但在从一种模式切换到另一种模式时仍会失败。因此，研究计划中必须包含状态转换内容。

当电厂在馈线故障后从夜间充电模式切换至电压支撑模式时，通常会出现一个薄弱环节。此时，控制路径发生转变，电流优先级发生变化，充电控制器可能会阻止进一步充电，而无功控制器则要求立即提供支撑。 另一个薄弱环节出现在频率响应将电站从空载状态推向接近低能量阈值的放电状态时。这些过渡可能会触发斜率限制、模式锁定或临时死区，而这些现象在单个运行快照中是无法体现的。电池储能电网服务模拟应包含这些运行变化，因为电网支持是一系列状态的序列，而非能力图表上的某个连续点。

验证应涵盖工厂的运行范围

验证应涵盖整个电站的运行范围，因为只有当储能模型在将要面临的全部运行条件下均表现良好时，其可靠性才能得到保证。仅在中间电量状态下获得一个良好的数据图，几乎无法证明什么。您需要在接近能量极限、接近电流极限以及各种电网强度条件下进行验证。只有达到这一标准，才能避免后续审查中出现反馈意见。

开发商计划 2024年在美国新增14.3吉瓦公用事业级电池储能容量。这一规模意味着，将有更多储能项目需要根据其在正常运行及异常事件期间的模型可信度进行评估。一套完善的验证数据集应包含低电量和高电量工况、充放电模式、电网弱点和刚性点、电压骤降、频率事件，以及控制器饱和后的恢复过程。SPS SOFTWARE在这一阶段非常有用，因为其开放的模型结构使得这些检查更易于追溯和解释。 优质的储能研究不会仅因电池容量问题而失败。其失败往往源于模型无法合理解释限制条件和控制措施如何在整个运行范围内影响系统行为。