电网连接电池储能系统的实际诊断与预测

在全球电网中，能源结构向可再生能源转型的趋势，已从根本上改变了电力系统的运行特性。数十年来，电力工程领域奉行的一系列预设条件 —— 可预测的系统惯量、可调度的基荷电源、缓慢且特性明确的系统动态响应 —— 正随着风电与光伏成为主力电源而逐渐失效。电网运营商如今面临着愈发严峻的功率波动、更大幅度的频率偏移、更快速的暂态过程，以及化石能源发电量极低甚至为零的长时间运行场景。

在这样的背景下，电池储能系统（BESS） 已成为维持电网稳定的核心装备。这类系统可在毫秒级时间内响应调度指令，实现精准的功率控制，并能灵活提供多种电网服务。但与传统发电设备不同，电池的性能表现易受运行历史、热环境、荷电状态区间、系统架构及衰减机制的影响。其长期运行特性无法通过单一模型或简单的效率曲线来描述，而是电化学、热学与控制系统之间复杂作用的综合结果。

多数实验室测试与仿真模拟都试图复现这些影响因素，但往往难以还原电网实际运行中的各类不规则工况。在实际电力市场中运行的电池，需要应对电力需求的快速波动、部分荷电状态下的循环充放电、短暂的快速恢复周期、高倍率充放电事件，以及不可预测的电网扰动。正如谢菲尔德大学并网储能研究项目负责人丹・格拉德温教授所言：“只有让储能系统置身于真实的电网运行环境中，才能真正理解其性能表现。”

这种实验室与实际应用场景的脱节，给行业带来了一个根本性挑战：如果电池衰减模型、寿命预测及运行策略从未经过真实电网工况的验证，我们又该如何信任它们？

具备解答这一问题所需基础设施的研究机构寥寥无几，而谢菲尔德大学正是其中之一。

储能电站内，一排排电池柜整齐排列，柜门上的红色连接器格外醒目。谢菲尔德大学电能存储与应用研究中心（CREESA）运营着英国为数不多的、由科研主导的并网式兆瓦级电池储能试验平台。

谢菲尔德大学的独特试验平台

谢菲尔德大学电能存储与应用研究中心（CREESA） 运营着英国为数不多的、由科研主导的并网式兆瓦级电池储能试验平台。该平台能够让研究人员跳出仿真模拟与受控循环测试的范畴，在全功率、真实电网工况下对各类储能技术进行验证。格拉德温教授表示：“我们的目标，是搭建一座桥梁，弥合实验室受控研究与实际电网运行需求之间的鸿沟。”

该平台的核心是一个 11 千伏、4 兆瓦 的电网接入接口，可提供开展先进故障诊断、故障分析、控制算法开发、技术经济性分析及寿命建模所需的真实电力环境与运行场景。与微电网级别的示范项目或孤立的实验室测试台不同，谢菲尔德大学的试验平台能够让储能设备直接应对商业化部署中会遇到的电网扰动、市场信号与系统动态变化。

该试验平台的核心配置包括：

• 一套 2 兆瓦 / 1 兆瓦时 钛酸锂电池系统，是英国首批独立并网式电池储能系统之一

• 一个 100 千瓦 退役电动汽车电池再利用平台，可支撑电池梯次利用、改造及循环经济模式相关研究

• 支持飞轮储能、超级电容器、混合储能架构及燃料电池技术的集成测试

• 超过 150 个实验室级电池单体测试通道、环境试验箱及阻抗谱分析设备

• 高速数据采集系统与集成控制系统，可用于参数辨识、热特性分析及故障响应测试

依托该基础设施，谢菲尔德大学能够让储能设备直接接入实际电网运行，响应真实的市场调度信号，提供合同约定的电力服务，并经受真实的频率波动、电压暂态及运行扰动。在需要开展对照试验时，该平台还可复现历史电网与市场运行数据，在完全模拟商业化运行的工况下开展可重复的全功率测试。这种 “真实电网接入 + 历史数据复现” 的组合模式，能够产出在电网级商业项目之外极难获取的高质量实证数据，支持研究人员以毫秒级时间尺度分析系统运行特性，并采集传统实验室环境中难以实现的精细化数据。

以电网级示范项目树立行业标杆

谢菲尔德大学的早期突破性成果之一，是投运了一套 2 兆瓦 / 1 兆瓦时 钛酸锂电池示范系统。该系统投运时，英国尚未建立起针对电池储能系统并网、安全及控制的标准体系。格拉德温教授带领团队完成了该系统的工程设计、安装与调试工作，建成了英国首批独立兆瓦级储能试验平台之一。

该项目让研究人员深入洞悉了高功率电池化学体系在电网扰动下的运行特性。团队实测了系统的亚秒级响应速度，并验证了其提供虚拟惯量支撑的能力。格拉德温教授回忆道：“这个项目让我们亲眼见证了，只要与电网实现良好的集成，储能系统的响应速度与调节能力可以达到多么高的水平。”

但该示范系统的长远价值，更体现在其持续十余年的运行积累中。在近十年的研究周期里，该平台支撑了多项关键研究工作：

• 混合储能系统研究，包括电池 - 飞轮混合控制架构开发

• 新型电网服务的响应速度优化

• 电网调度人员培训与市场接入实践，让调度中心与电力交易员直面真实的储能资产调度场景

• 算法开发，涵盖调度控制器、预测工具及故障诊断与健康管理系统

• 性能对标测试，例如不同锂离子电池化学体系、铅酸电池系统及退役电池的性能对比评估

研究过程中一个反复出现的结论是：储能系统在实际电网中的运行表现，往往与实验室测试结果存在显著差异。在受控实验中几乎可以忽略的细微电气、热学及辅助系统交互效应，在兆瓦级运行尺度下可能成为主导系统特性的关键因素 —— 尤其是当系统处于快速循环充放电、设定值频繁波动或控制动作强耦合的运行状态时。在真实运行压力下，系统效率变化、冷却系统响应特性及辅助功耗波动，还会进一步放大这些效应。正如格拉德温教授所言：“那些在实验室里从未显现的现象，在兆瓦级运行场景中可能成为决定系统性能的核心因素。”

这些源自实际运行的洞见，正直接推动着系统设计的优化升级。通过厘清效率损耗、热特性、辅助系统及控制交互效应在兆瓦级尺度下的演变规律，研究人员能够优化未来储能项目的设计假设与系统架构。这就形成了 “实际应用 - 设计优化” 的闭环，确保新一代储能系统能够针对真实运行工况进行工程设计，而非基于理想化的实验室预期。

依托先进诊断技术保障系统长效运行

谢菲尔德大学电能存储与应用研究中心（CREESA）让研究人员得以跳出仿真模拟与受控循环测试的范畴，在全功率、真实电网工况下对各类储能技术进行验证。

要保障储能系统的长期可靠运行，就必须理解其在实际工况下的老化规律。谢菲尔德大学的研究工作，将高分辨率实验室测试与兆瓦级并网储能设备的实证数据相结合，构建了一套全面的故障诊断与寿命预测方法体系。用格拉德温教授的话来说：“一个模型的可靠性，取决于构建它所依据的数据与工况。要想精准预测电池寿命，就必须让实验室测试、全功率验证与真实工况下的校核这三者协同发力。”

该研究的核心方向之一，是实现高动态运行状态下的精准状态估计。团队运用先进观测器、卡尔曼滤波及物理 - 机器学习混合模型方法，开发出了能够在功率快速波动、不规则循环充放电及强噪声干扰场景下稳定输出荷电状态（SOC）、健康状态（SOH）及功率状态（SOP） 的估算方法 —— 这些场景下，传统估算方法往往会失效。

另一项关键研究成果，是阐明了大型电池组内的单体一致性分化规律。谢菲尔德大学的实测数据揭示了荷电状态极值区间内电池一致性加速恶化的机理、温度梯度对不均匀老化的驱动作用，以及电流分布导致的长期性能漂移规律。这些洞见为均衡策略的优化提供了依据，有助于提升电池的可用容量与运行安全性。

谢菲尔德大学还通过将真实电网运行特性直接纳入建模框架，显著提升了寿命与衰减模型的精度。团队通过分析实际市场调度信号、频率波动及功率指令模式，发现了许多在实验室受控循环测试中从未显现的老化机制。

这些研究成果主要集中在四大核心领域：

状态估计与参数辨识

• 鲁棒的 SOC/SOH 估算方法

• 等效电路模型的在线参数辨识

• 基于暂态激励的功率能力预测

• 噪声与波动工况下的数据筛选策略

衰减与寿命建模

• 基于真实频率与市场数据构建衰减模型

• 微循环与非对称工况的老化效应分析

• 物理 - 机器学习混合寿命预测模型

热特性与一致性行为

• 集装箱式储能系统的温度梯度特性表征

• 大型电池组的单体一致性演化规律研究

• 电芯与模组级别的一致性抑制策略

• 快速循环工况下的热电耦合特性分析

混合储能系统与多技术协同优化

• 电池 - 飞轮协同控制策略

• 混合储能资产的技术经济性建模

• 基于进化算法的调度优化

• 兼顾寿命延长与服务性能提升的控制方案

除了并网储能系统，谢菲尔德大学的诊断技术在离网场景中也展现出了应用价值。一个典型案例是与 MOPO 公司的合作项目 —— 该公司在撒哈拉以南非洲的低收入社区推广按次付费的锂离子电池租赁服务。这些电池需要在深度循环、用户行为多变、持续高温且缺乏主动冷却的非受控环境下运行。谢菲尔德大学团队运用电芯特性表征、参数辨识及在役健康状态监测技术，成功延长了 MOPO 公司电池包的可用寿命。格拉德温教授表示：“通过应用我们的技术成果，这些租赁电池包能够变得更清洁、更安全，且相比汽油和柴油发电机，能为依赖它们的社区提供性价比更高的电力服务。”

协同合作，共创全球未来

谢菲尔德大学研究模式的一大核心优势，在于与产业界、电网运营商、技术开发商及服务提供商的深度融合。过去十年间，其并网储能试验平台已帮助多家机构完成了控制算法测试、首套电池资产调试、市场参与策略验证，以及真实运行约束下的性能校核。

这些合作产出了一系列切实的工程成果，包括优化的调度策略、改进的控制架构、经过验证的安装调试方法，以及对真实市场运行工况下电池衰减规律的深入认知。格拉德温教授指出：“这是一种双向共赢的合作模式。我们提供分析工具与科研能力，产业界则带来真实的运行场景与规模化应用需求。”

谢菲尔德大学的早期突破性成果之一，是投运了一套 2 兆瓦 / 1 兆瓦时钛酸锂电池示范系统。格拉德温教授带领团队完成了该系统的工程设计、安装与调试工作，建成了英国首批独立兆瓦级储能试验平台之一。

这种融合学术洞见与行业实践经验的双向交流机制，确保了谢菲尔德大学的研究工作始终紧扣现代电力系统的实际需求。其研究成果持续推动着储能领域寿命建模、混合系统控制、故障诊断及运行优化的技术标准与最佳实践发展。

随着全球电力系统加速向净零排放转型，行业对经过验证的模型、成熟的控制算法及实证化认知的需求将持续攀升。谢菲尔德大学凭借其全功率试验基础设施、长期积累的运行数据集，以及协作共赢的科研文化，将继续引领储能技术的创新发展，推动储能系统在真正重要的场景 ——真实运行环境中实现可靠稳定的性能表现。