中国电科院 李相俊 等：储能规模化应用还须建模先行
科技
科学
2024-07-03 17:18
北京
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DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.20240243新型储能是建设新型电力系统、推动能源绿色低碳转型的重要装备基础和关键支撑技术，是实现碳达峰、碳中和目标的重要支撑。储能电站建模，既是储能集成规划的基本工具，也是运行评估的前提条件，同时还是保障储能规模化发展并在新型能源体系中发挥作用的重要分析手段。针对当前储能电站建模层级不明确、定位不清晰及场景适应性不足等问题，论文提出了新型能源体系下储能模型的完整架构，包括电磁暂态、机电暂态及稳态的多时间尺度建模，明确了建模需求、建模方法和各类模型的应用范畴；以实际电网为例，提供了多类型模型应用场景选取原则和匹配建议。1、 储能系统建模需求分析
从储能定位和电力系统稳定性两个视角阐释了储能系统建模需求。首先，新型电力系统框架下，储能在促消纳、保供电及保安全方面的作用更加突出，储能建模需求也将更加明确。其次，根据IEEE和CIGRE联合工作组对电力系统稳定性的定义，论文提出储能建模需求和应用场景，如图1所示。储能模型不仅要用于传统三大稳定问题（功角、电压和频率稳定）分析，也要针对两类新型稳定问题（谐振和换流器稳定），这对模型的细致划分以及场景适应性提出了更高要求。
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图1 电力系统稳定性框架下的储能建模需求及应用场景
2、 储能电磁暂态建模与应用
在PSCAD中搭建500 MW/1000 MWh储能电站的等值仿真模型并开展验证，该电站由10台50 MW/100 MWh高压直挂链式储能PCS并联后接入35 kV电网，具体采用1台PCS详细模型、1台PCS简化模型、4台PCS戴维南等值和4台受控源等值模型。基于上述储能电磁暂态建模方法，可以对仿真模型进行充放电特性测试、故障测试，以及电压、频率响应研究等。在RTDS实时仿真平台中搭建50 MW/100 MWh储能并网模型，仿真波形如图2所示。通过对比RTDS和PSCAD不同环境下的功率响应曲线和SOC波形，验证所述电磁暂态建模方法的有效性。![]()
图2 RTDS实时仿真平台中的储能仿真结果图
3、 储能机电暂态建模与应用
归纳总结了国内/外用于大电网仿真的电池储能机电暂态模型架构。进而将机电暂态模型应用分为四个方面：一是储能装置特性校验；二是储能稳定特性校验；三是储能对系统的支撑能力评估；四是对储能规划配置和运行控制的建议。对于储能的频率支撑能力，建议从紧急功率支撑、一次/二次调频等场景开展应用；针对电压支撑，建议从送端暂态过电压、受端多馈入直流换相失败时的电压稳定性等进行评估。研究不同储能方案对新能源机端过电压的抑制效果，结果如图3和4所示，该场景下构网型储能效果明显优于电流源型储能，且随容量和过流能力增加，效果增强。![]()
图3 不同类型储能方案下的新能源机端电压
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图4 构网型储能不同过流能力下的新能源机端电压
4、 储能稳态建模与应用
储能的稳态建模范畴不仅限于生产模拟，论文提出储能稳态建模及应用场景框架，如图5所示。该框架包含三大核心功能模块，即新一代（储能）能量管理模拟、新型电力系统生产模拟和碳达峰碳中和模拟，涵盖储能设备管理、电力系统应用和节能减排拓展应用三个层级。
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图5 储能稳态建模及应用场景框架
含储能的时序生产模拟方法面临两大难点：一是不同时间尺度的问题如何建模和求解，二是网络约束如何处理。中国电力科学研究院自主开发的电力系统源网荷一体化生产模拟软件(PSD-PEBL)，可以有效解决上述难题。电力系统生产模拟与储能电站能量管理中的储能模型有明确的相关性，均应充分考虑储能功率、储能时长、充放电倍率/速度/效率、响应速率等关键因素。
论文提出了多时间尺度下储能电站建模的系统化思路及框架体系，完成了储能电站模型在大电网多类型应用场景中的仿真应用，主要成果包括：
1）在电磁暂态建模方面，在PSCAD及RTDS实时仿真平台中搭建单台和多台PCS戴维南/受控源等值仿真模型，验证了等值建模方法的可行性。2）在机电暂态建模方面，结合国内/外主流电力分析软件模型，重点针对储能的频率和电压响应特性及支撑能力，从储能规划及运行角度提供了应用参考。3）在稳态建模方面，将建模范畴从孤立环节拓展为储能能量管理、含储能的电力生产模拟及含储能的能源领域碳减排应用的全链条稳态建模。
1）完善储能电站多时间尺度建模与硬件在环半实物仿真技术；
2）研究多类型储能在不同时间尺度上的联合建模方法；
3）实现储能电站模型在大电网更多应用场景中的仿真验证；
4）完善新型电力系统储能电站相关的分析辅助决策。
李相俊, 胥国毅, 赵珊珊, 等. 大型储能电站建模与应用展望[J]. 高电压技术, 2024, 50(6): 2397-2409.
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李相俊，博士，中国电科院教授级高工，博士生导师，IET/CAA Fellow，主要从事大规模储能技术、新能源发电与氢能应用、电力系统运行控制等研究工作。E-mail: li_xiangjun@126.com![]()
胥国毅，博士，华北电力大学高工，主要从事新型电力系统建模与运行控制技术的研究工作。E-mail: xu_gy@ncepu.edu.cn![]()
赵珊珊，博士，中国电科院高工，主要从事大规模储能技术、电力系统规划与运行控制的研究工作。![]()
李蓓蓓，华北电力大学硕士研究生，主要从事新能源发电与并网控制的研究工作。![]()
中国电科院储能规划评估技术研究团队，长期从事储能规划配置、调度控制、应用评估等方面的研究工作。责编：陈蔓
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