在全球電網(wǎng)中，能源結(jié)構(gòu)向可再生能源轉(zhuǎn)型的趨勢，已從根本上改變了電力系統(tǒng)的運行特性。數(shù)十年來，電力工程領(lǐng)域奉行的一系列預設條件 —— 可預測的系統(tǒng)慣量、可調(diào)度的基荷電源、緩慢且特性明確的系統(tǒng)動態(tài)響應 —— 正隨著風電與光伏成為主力電源而逐漸失效。電網(wǎng)運營商如今面臨著愈發(fā)嚴峻的功率波動、更大幅度的頻率偏移、更快速的暫態(tài)過程，以及化石能源發(fā)電量極低甚至為零的長時間運行場景。

在這樣的背景下，電池儲能系統(tǒng)（BESS） 已成為維持電網(wǎng)穩(wěn)定的核心裝備。這類系統(tǒng)可在毫秒級時間內(nèi)響應調(diào)度指令，實現(xiàn)精準的功率控制，并能靈活提供多種電網(wǎng)服務。但與傳統(tǒng)發(fā)電設備不同，電池的性能表現(xiàn)易受運行歷史、熱環(huán)境、荷電狀態(tài)區(qū)間、系統(tǒng)架構(gòu)及衰減機制的影響。其長期運行特性無法通過單一模型或簡單的效率曲線來描述，而是電化學、熱學與控制系統(tǒng)之間復雜作用的綜合結(jié)果。

多數(shù)實驗室測試與仿真模擬都試圖復現(xiàn)這些影響因素，但往往難以還原電網(wǎng)實際運行中的各類不規(guī)則工況。在實際電力市場中運行的電池，需要應對電力需求的快速波動、部分荷電狀態(tài)下的循環(huán)充放電、短暫的快速恢復周期、高倍率充放電事件，以及不可預測的電網(wǎng)擾動。正如謝菲爾德大學并網(wǎng)儲能研究項目負責人丹?格拉德溫教授所言：“只有讓儲能系統(tǒng)置身于真實的電網(wǎng)運行環(huán)境中，才能真正理解其性能表現(xiàn)。”

這種實驗室與實際應用場景的脫節(jié)，給行業(yè)帶來了一個根本性挑戰(zhàn)：如果電池衰減模型、壽命預測及運行策略從未經(jīng)過真實電網(wǎng)工況的驗證，我們又該如何信任它們？

具備解答這一問題所需基礎設施的研究機構(gòu)寥寥無幾，而謝菲爾德大學正是其中之一。

儲能電站內(nèi)，一排排電池柜整齊排列，柜門上的紅色連接器格外醒目。謝菲爾德大學電能存儲與應用研究中心（CREESA）運營著英國為數(shù)不多的、由科研主導的并網(wǎng)式兆瓦級電池儲能試驗平臺。

謝菲爾德大學的獨特試驗平臺

謝菲爾德大學電能存儲與應用研究中心（CREESA） 運營著英國為數(shù)不多的、由科研主導的并網(wǎng)式兆瓦級電池儲能試驗平臺。該平臺能夠讓研究人員跳出仿真模擬與受控循環(huán)測試的范疇，在全功率、真實電網(wǎng)工況下對各類儲能技術(shù)進行驗證。格拉德溫教授表示：“我們的目標，是搭建一座橋梁，彌合實驗室受控研究與實際電網(wǎng)運行需求之間的鴻溝。”

該平臺的核心是一個 11 千伏、4 兆瓦 的電網(wǎng)接入接口，可提供開展先進故障診斷、故障分析、控制算法開發(fā)、技術(shù)經(jīng)濟性分析及壽命建模所需的真實電力環(huán)境與運行場景。與微電網(wǎng)級別的示范項目或孤立的實驗室測試臺不同，謝菲爾德大學的試驗平臺能夠讓儲能設備直接應對商業(yè)化部署中會遇到的電網(wǎng)擾動、市場信號與系統(tǒng)動態(tài)變化。

該試驗平臺的核心配置包括：

• 一套 2 兆瓦 / 1 兆瓦時 鈦酸鋰電池系統(tǒng)，是英國首批獨立并網(wǎng)式電池儲能系統(tǒng)之一

• 一個 100 千瓦 退役電動汽車電池再利用平臺，可支撐電池梯次利用、改造及循環(huán)經(jīng)濟模式相關(guān)研究

• 支持飛輪儲能、超級電容器、混合儲能架構(gòu)及燃料電池技術(shù)的集成測試

• 超過 150 個實驗室級電池單體測試通道、環(huán)境試驗箱及阻抗譜分析設備

• 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與集成控制系統(tǒng)，可用于參數(shù)辨識、熱特性分析及故障響應測試

依托該基礎設施，謝菲爾德大學能夠讓儲能設備直接接入實際電網(wǎng)運行，響應真實的市場調(diào)度信號，提供合同約定的電力服務，并經(jīng)受真實的頻率波動、電壓暫態(tài)及運行擾動。在需要開展對照試驗時，該平臺還可復現(xiàn)歷史電網(wǎng)與市場運行數(shù)據(jù)，在完全模擬商業(yè)化運行的工況下開展可重復的全功率測試。這種 “真實電網(wǎng)接入 + 歷史數(shù)據(jù)復現(xiàn)” 的組合模式，能夠產(chǎn)出在電網(wǎng)級商業(yè)項目之外極難獲取的高質(zhì)量實證數(shù)據(jù)，支持研究人員以毫秒級時間尺度分析系統(tǒng)運行特性，并采集傳統(tǒng)實驗室環(huán)境中難以實現(xiàn)的精細化數(shù)據(jù)。

以電網(wǎng)級示范項目樹立行業(yè)標桿

謝菲爾德大學的早期突破性成果之一，是投運了一套 2 兆瓦 / 1 兆瓦時 鈦酸鋰電池示范系統(tǒng)。該系統(tǒng)投運時，英國尚未建立起針對電池儲能系統(tǒng)并網(wǎng)、安全及控制的標準體系。格拉德溫教授帶領(lǐng)團隊完成了該系統(tǒng)的工程設計、安裝與調(diào)試工作，建成了英國首批獨立兆瓦級儲能試驗平臺之一。

該項目讓研究人員深入洞悉了高功率電池化學體系在電網(wǎng)擾動下的運行特性。團隊實測了系統(tǒng)的亞秒級響應速度，并驗證了其提供虛擬慣量支撐的能力。格拉德溫教授回憶道：“這個項目讓我們親眼見證了，只要與電網(wǎng)實現(xiàn)良好的集成，儲能系統(tǒng)的響應速度與調(diào)節(jié)能力可以達到多么高的水平。”

但該示范系統(tǒng)的長遠價值，更體現(xiàn)在其持續(xù)十余年的運行積累中。在近十年的研究周期里，該平臺支撐了多項關(guān)鍵研究工作：

• 混合儲能系統(tǒng)研究，包括電池 - 飛輪混合控制架構(gòu)開發(fā)

• 新型電網(wǎng)服務的響應速度優(yōu)化

• 電網(wǎng)調(diào)度人員培訓與市場接入實踐，讓調(diào)度中心與電力交易員直面真實的儲能資產(chǎn)調(diào)度場景

• 算法開發(fā)，涵蓋調(diào)度控制器、預測工具及故障診斷與健康管理系統(tǒng)

• 性能對標測試，例如不同鋰離子電池化學體系、鉛酸電池系統(tǒng)及退役電池的性能對比評估

研究過程中一個反復出現(xiàn)的結(jié)論是：儲能系統(tǒng)在實際電網(wǎng)中的運行表現(xiàn)，往往與實驗室測試結(jié)果存在顯著差異。在受控實驗中幾乎可以忽略的細微電氣、熱學及輔助系統(tǒng)交互效應，在兆瓦級運行尺度下可能成為主導系統(tǒng)特性的關(guān)鍵因素 —— 尤其是當系統(tǒng)處于快速循環(huán)充放電、設定值頻繁波動或控制動作強耦合的運行狀態(tài)時。在真實運行壓力下，系統(tǒng)效率變化、冷卻系統(tǒng)響應特性及輔助功耗波動，還會進一步放大這些效應。正如格拉德溫教授所言：“那些在實驗室里從未顯現(xiàn)的現(xiàn)象，在兆瓦級運行場景中可能成為決定系統(tǒng)性能的核心因素。”

這些源自實際運行的洞見，正直接推動著系統(tǒng)設計的優(yōu)化升級。通過厘清效率損耗、熱特性、輔助系統(tǒng)及控制交互效應在兆瓦級尺度下的演變規(guī)律，研究人員能夠優(yōu)化未來儲能項目的設計假設與系統(tǒng)架構(gòu)。這就形成了 “實際應用 - 設計優(yōu)化” 的閉環(huán)，確保新一代儲能系統(tǒng)能夠針對真實運行工況進行工程設計，而非基于理想化的實驗室預期。

依托先進診斷技術(shù)保障系統(tǒng)長效運行

謝菲爾德大學電能存儲與應用研究中心（CREESA）讓研究人員得以跳出仿真模擬與受控循環(huán)測試的范疇，在全功率、真實電網(wǎng)工況下對各類儲能技術(shù)進行驗證。

要保障儲能系統(tǒng)的長期可靠運行，就必須理解其在實際工況下的老化規(guī)律。謝菲爾德大學的研究工作，將高分辨率實驗室測試與兆瓦級并網(wǎng)儲能設備的實證數(shù)據(jù)相結(jié)合，構(gòu)建了一套全面的故障診斷與壽命預測方法體系。用格拉德溫教授的話來說：“一個模型的可靠性，取決于構(gòu)建它所依據(jù)的數(shù)據(jù)與工況。要想精準預測電池壽命，就必須讓實驗室測試、全功率驗證與真實工況下的校核這三者協(xié)同發(fā)力。”

該研究的核心方向之一，是實現(xiàn)高動態(tài)運行狀態(tài)下的精準狀態(tài)估計。團隊運用先進觀測器、卡爾曼濾波及物理 - 機器學習混合模型方法，開發(fā)出了能夠在功率快速波動、不規(guī)則循環(huán)充放電及強噪聲干擾場景下穩(wěn)定輸出荷電狀態(tài)（SOC）、健康狀態(tài)（SOH）及功率狀態(tài)（SOP） 的估算方法 —— 這些場景下，傳統(tǒng)估算方法往往會失效。

另一項關(guān)鍵研究成果，是闡明了大型電池組內(nèi)的單體一致性分化規(guī)律。謝菲爾德大學的實測數(shù)據(jù)揭示了荷電狀態(tài)極值區(qū)間內(nèi)電池一致性加速惡化的機理、溫度梯度對不均勻老化的驅(qū)動作用，以及電流分布導致的長期性能漂移規(guī)律。這些洞見為均衡策略的優(yōu)化提供了依據(jù)，有助于提升電池的可用容量與運行安全性。

謝菲爾德大學還通過將真實電網(wǎng)運行特性直接納入建模框架，顯著提升了壽命與衰減模型的精度。團隊通過分析實際市場調(diào)度信號、頻率波動及功率指令模式，發(fā)現(xiàn)了許多在實驗室受控循環(huán)測試中從未顯現(xiàn)的老化機制。

這些研究成果主要集中在四大核心領(lǐng)域：

狀態(tài)估計與參數(shù)辨識

• 魯棒的 SOC/SOH 估算方法

• 等效電路模型的在線參數(shù)辨識

• 基于暫態(tài)激勵的功率能力預測

• 噪聲與波動工況下的數(shù)據(jù)篩選策略

衰減與壽命建模

• 基于真實頻率與市場數(shù)據(jù)構(gòu)建衰減模型

• 微循環(huán)與非對稱工況的老化效應分析

• 物理 - 機器學習混合壽命預測模型

熱特性與一致性行為

• 集裝箱式儲能系統(tǒng)的溫度梯度特性表征

• 大型電池組的單體一致性演化規(guī)律研究

• 電芯與模組級別的一致性抑制策略

• 快速循環(huán)工況下的熱電耦合特性分析

混合儲能系統(tǒng)與多技術(shù)協(xié)同優(yōu)化

• 電池 - 飛輪協(xié)同控制策略

• 混合儲能資產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟性建模

• 基于進化算法的調(diào)度優(yōu)化

• 兼顧壽命延長與服務性能提升的控制方案

除了并網(wǎng)儲能系統(tǒng)，謝菲爾德大學的診斷技術(shù)在離網(wǎng)場景中也展現(xiàn)出了應用價值。一個典型案例是與 MOPO 公司的合作項目 —— 該公司在撒哈拉以南非洲的低收入社區(qū)推廣按次付費的鋰離子電池租賃服務。這些電池需要在深度循環(huán)、用戶行為多變、持續(xù)高溫且缺乏主動冷卻的非受控環(huán)境下運行。謝菲爾德大學團隊運用電芯特性表征、參數(shù)辨識及在役健康狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，成功延長了 MOPO 公司電池包的可用壽命。格拉德溫教授表示：“通過應用我們的技術(shù)成果，這些租賃電池包能夠變得更清潔、更安全，且相比汽油和柴油發(fā)電機，能為依賴它們的社區(qū)提供性價比更高的電力服務。”

協(xié)同合作，共創(chuàng)全球未來

謝菲爾德大學研究模式的一大核心優(yōu)勢，在于與產(chǎn)業(yè)界、電網(wǎng)運營商、技術(shù)開發(fā)商及服務提供商的深度融合。過去十年間，其并網(wǎng)儲能試驗平臺已幫助多家機構(gòu)完成了控制算法測試、首套電池資產(chǎn)調(diào)試、市場參與策略驗證，以及真實運行約束下的性能校核。

這些合作產(chǎn)出了一系列切實的工程成果，包括優(yōu)化的調(diào)度策略、改進的控制架構(gòu)、經(jīng)過驗證的安裝調(diào)試方法，以及對真實市場運行工況下電池衰減規(guī)律的深入認知。格拉德溫教授指出：“這是一種雙向共贏的合作模式。我們提供分析工具與科研能力，產(chǎn)業(yè)界則帶來真實的運行場景與規(guī)模化應用需求。”

謝菲爾德大學的早期突破性成果之一，是投運了一套 2 兆瓦 / 1 兆瓦時鈦酸鋰電池示范系統(tǒng)。格拉德溫教授帶領(lǐng)團隊完成了該系統(tǒng)的工程設計、安裝與調(diào)試工作，建成了英國首批獨立兆瓦級儲能試驗平臺之一。

這種融合學術(shù)洞見與行業(yè)實踐經(jīng)驗的雙向交流機制，確保了謝菲爾德大學的研究工作始終緊扣現(xiàn)代電力系統(tǒng)的實際需求。其研究成果持續(xù)推動著儲能領(lǐng)域壽命建模、混合系統(tǒng)控制、故障診斷及運行優(yōu)化的技術(shù)標準與最佳實踐發(fā)展。

隨著全球電力系統(tǒng)加速向凈零排放轉(zhuǎn)型，行業(yè)對經(jīng)過驗證的模型、成熟的控制算法及實證化認知的需求將持續(xù)攀升。謝菲爾德大學憑借其全功率試驗基礎設施、長期積累的運行數(shù)據(jù)集，以及協(xié)作共贏的科研文化，將繼續(xù)引領(lǐng)儲能技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，推動儲能系統(tǒng)在真正重要的場景 ——真實運行環(huán)境中實現(xiàn)可靠穩(wěn)定的性能表現(xiàn)。