《Energies》：Techno-Economic Sizing and Hierarchical Control of a Hybrid Energy Storage System for Renewable Energy Integration: A Case Study of the Apulia Region
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全球向可持续能源的转型加速了可再生能源的部署，尤其是太阳能光伏（photovoltaic, PV）和风能。然而，这些资源的固有变率给电力系统带来了显著的稳定性挑战，包括频率偏差和供需失衡。本研究提出并分析了一种混合储能系统（Hybrid Energy Stor
全球向可持续能源的转型加速了可再生能源的部署，尤其是太阳能光伏（photovoltaic, PV）和风能。然而，这些资源的固有变率给电力系统带来了显著的稳定性挑战，包括频率偏差和供需失衡。本研究提出并分析了一种混合储能系统（Hybrid Energy Storage System, HESS），该协同组合了锂离子电池（Lithium-ion battery）的高能量密度与超级电容器（supercapacitor）的高功率密度。所提出的架构旨在应对意大利南部普利亚（Apulia）大区的特定电网约束，该地区是可再生能源中心，发电量经常超过本地需求。采用技术经济定容方法和仿真框架，对150 MW/600 MWh电池储能系统进行规模设计，并辅以492 MW/1.75 MWh超级电容器组，用于毫秒级瞬态功率管理。开发了一种三层分层控制策略，以解决冲突的运行目标，实施“超级电容优先”（Supercapacitor-First）调度协议，优先保证电网稳定性，其次是系统恢复和经济能量套利。通过确定性时域仿真验证了所提出的架构；结果表明，HESS在四种事故中将频率最低点（frequency nadir）提高了0.21–0.57 Hz，将最大频率变化率（rate of change of frequency, RoCoF）从1.56 Hz/s降低至0.91 Hz/s，并在基准负荷下将电池吞吐量（throughput）降低了9%，微循环（micro-cycle）降低了19%。超级电容投资在当前的意大利市场规则下无法回收，但在欧洲快速频率机制下可在11年内回收。因此，其可行性取决于市场对快速频率响应（fast frequency response）的补偿。
全球能源转型加速了可再生能源装机增长，但光伏与风电的间歇性给电力系统带来频率偏差和供需失衡等稳定性挑战。储能系统（ESS）通过解耦发电与用电来增强电网韧性，然而单一储能技术难以同时满足长时能量转移和亚秒级频率响应需求：高能量密度电池在高功率循环下会加速退化，而高功率密度超级电容缺乏持续能量供给能力。混合储能系统（HESS）通过组合锂离子电池的高能量密度和超级电容的高功率密度，将功率与能量动态解耦。意大利普利亚大区是可再生能源富集区，装机容量经常超过本地需求，形成反向潮流、电网拥堵和频率稳定问题。现有HESS技术经济定容研究采用粗粒度能量平衡模型，无法解析亚秒级瞬态；而先进控制研究多在简化微网上验证，忽略了电网级动态。因此，需要针对普利亚情境开展集成高动态控制的HESS研究。本文提出一种结合150 MW/600 MWh锂离子电池与492 MW/1.75 MWh超级电容的HESS架构，并设计三层分层控制策略，通过确定性时域仿真验证其频率稳定效果与经济可行性。
研究人员采用Apulia 2023参考能源场景和TERNA 2023统计年鉴数据，在MATLAB/Simulink (2025b)中以0.1秒步长模拟7天，电网用单总线聚合模型表示，频率动态由摆动方程决定。电池容量按峰值工业负荷165 MW和4小时放电时长确定；超级电容按800 MW机组损失事故下提供约60%功率缺口的条件定容。控制架构包含三层：初级控制由超级电容提供合成惯量和快速下垂响应；二级控制由电池通过自动发电控制（AGC）积分恢复频率；三级控制执行能量套利调度，并设有紧急监督器处理极端事件。技术经济评估以超级电容作为增量投资，对比当前意大利市场规则与欧洲快速频率机制。
4.1 发电与负荷曲线：模拟使用七天负荷曲线，基准负荷约1500–2800 MW，增加50%时可达约3000 MW；光伏和风电叠加产生剩余/缺口平衡，构成储能调度边界。
4.2 频率稳定性表现：与基线锂离子电池系统相比，HESS在500 MW事故中使频率最低点从48.78 Hz提升至49.00 Hz（提高约0.21 Hz），并将运行在±50 mHz死区内的时长提高0.60个百分点。
4.3 频率变化率分析：HESS将最大RoCoF从1.56 Hz/s降至0.91 Hz/s，降幅42%；在800 MW事故（E3）中，由于电池平均SOC较低，HESS峰值RoCoF略高于其他事件。
4.4 事故事件分析：E1（500 MW机组损失）中，超级电容在0.1 s内注入490 MW，频率最低点由48.782 Hz提升至48.994 Hz，恢复到±0.05 Hz的时间由288.4 s缩短至144.5 s；E2（250 MW负荷突增）中，HESS将频率最低点提高0.57 Hz（49.255 Hz至49.821 Hz），峰值RoCoF从0.53降至0.14 Hz/s，300 s内累积绝对频率偏差降低42%；E3（800 MW机组损失）中，两种配置均接近最低频率约48.59 Hz，HESS恢复曲线更平滑；E4（200 MW负荷突增）中，HESS电池平均SOC约46%，基线电池则长时间处于15%下限附近，削弱了AGC响应能力。
4.5 储能系统性能：超级电容承担高频功率后，电池每周能量吞吐量从7565 MWh降至6859 MWh（减少9%），微循环从936次降至756次（减少19%），但该结果基于吞吐量模型，仅作为电池退化的相对指标。超级电容SOC在10%–90%间运行，正常时随频率偏差重复充放电，事故时可快速输出大功率脉冲，例如E1事件中在0.1 s内达到约490 MW。
4.6 功率与能量平衡：光伏在日间为主要电源，常规机组夜间补充；ESS功率约±100 MW，但对频率调节效果显著。500 MW事故发生时，常规机组接近最小出力，系统惯性处于较低水平。
4.7 经济可行性：超级电容增量资本支出为4020万欧元；在现行意大利市场规则下，容量市场和Fast Reserve仅能认证约0.3 MW和2.1 MW的等效容量，年收入约7万欧元，净收益几乎为零，投资无法收回。若引入类似DS3快速频率响应（FFR）的机制（价格18,046欧元/MW-year，持续15 s），超级电容可提供206 MW功率，年收入达371万欧元，简单回收期11.0年，投资回报率9.1%，20年净现值为160万欧元。敏感性分析显示，价格降低30%则NPV转负；若对150 ms内响应给予速度奖励，回收期可降至3.6年。
讨论：本研究表明HESS在技术层面显著提升频率稳定性，但其经济可行性主要依赖市场机制能否为亚秒级快速频率响应提供报酬；当前意大利规则未对超级电容的快速能力进行有效激励。同时，单总线聚合模型忽略了输电约束、空间电压效应和区域间振荡，后续需采用多节点模型和硬件在环测试进行验证。
结论：本研究提出结合锂离子电池与超级电容的HESS，采用“超级电容优先”分层控制，将合成惯量和快速下垂分配给超级电容，将能量套利和频率恢复分配给锂离子电池。与基线BESS相比，HESS在四种事故中将频率最低点提高0.21–0.57 Hz，最大RoCoF从1.56 Hz/s降至0.91 Hz/s（降低42%），并减少电池能量吞吐量约9%和微循环19%。经济上，超级电容在现行意大利规则下不可行；若引入欧洲快速频率机制，回收期约为11年，NPV为正。因此，超级电容的可行性取决于市场对快速频率响应的补偿，而非技术本身。
