《Sustainable Energy, Grids and Networks》：Techno-economic benefits of battery storage with grid-forming converters in low-carbon power grids
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随着逆变器并网电源渗透率不断提高，旋转惯量（rotational inertia）的下降可能危及电网安全，因此需要大量额外的辅助服务。构网型变流器（Grid-Forming, GFM）至关重要，因为它们能够提供有功惯量（active inertia）和阻尼功率
随着逆变器并网电源渗透率不断提高，旋转惯量（rotational inertia）的下降可能危及电网安全，因此需要大量额外的辅助服务。构网型变流器（Grid-Forming, GFM）至关重要，因为它们能够提供有功惯量（active inertia）和阻尼功率（damping power）。本研究评估了配备GFM变流器的电池储能资产在任何运行模式下提供多种辅助服务的系统级技术经济效益。所构建的安全约束调度模型（security-constrained scheduling model）同时优化能量生产、旋转惯量、传统一次响应（primary response）、GFM变流器的惯量响应与阻尼响应以及二次响应（secondary response）。该模型优化系统级需求，以确保安全的频率变化率（rate of change of frequency, RoCoF）、频率最低点（nadir）和准稳态水平，同时避免对电池功率/能量裕度的不必要超量调度。此外，该模型显式考虑了二次响应交付后的能量恢复效应，从而始终保证电池可供二次响应的可交付性。针对英国（Great Britain, GB）系统未来低碳情景的数值仿真证明了所提方法相较于以往方法的优越性。
随着逆变器并网可再生能源渗透率持续提升，电力系统旋转惯量不断下降，大功率缺失后的频率稳定问题日益突出。传统逆变器接口的新能源发电通常不提供自然惯量（Natural Inertia, NI）和一次响应（Primary Response, PR），导致频率变化率（Rate of Change of Frequency, RoCoF）和频率最低点（nadir）面临更高的安全风险。构网型变流器（Grid-Forming, GFM）因其极快的响应能力，可使电池储能系统（Battery Energy Storage System, BESS）在数毫秒内提供有功惯量功率（Active Inertia Power, AIP）和有功阻尼功率（Active Damping Power, ADP）。然而，现有安全约束调度模型（Security-Constrained System Scheduling Model, SC-SSM）往往忽略了BESS在充、放电及充转放模式下的辅助服务能力，或仅按最严重的事故条件预留电池功率裕度，造成不必要的过调度；同时，多数模型未考虑BESS提供二次响应（Secondary Response, SR）后的能量回收过程，从而高估其可交付性与经济价值。针对上述建模空白，研究人员提出了一种新的SC-SSM，将GFM-BESS的多类快速频率服务纳入系统级优化，并以英国（Great Britain, GB）未来低碳电网为算例验证其技术经济价值。该研究发表在《Sustainable Energy, Grids and Networks》。
研究人员建立了一个以系统总运行成本最小为目标的混合整数二阶锥（Mixed Integer Second Order Cone, MISOCP）优化模型，优化变量涵盖发电出力、旋转惯量、传统一次响应、GFM变流器提供的惯量/阻尼响应、二次响应以及备用容量。关键技术方法包括：（1）利用摇摆方程描述故障后频率动态，推导RoCoF和频率最低点安全约束；（2）采用旋转二阶锥（Rotated Second Order Cone, RSOC）约束和分段线性化方法处理非线性频率安全边界，并引入特殊有序集（Special-Order Set, SOS）和大M法实现线性化；（3）构建BESS在放电、充电及充转放模式下AIP和ADP的功率裕度约束，使其分配与实际RoCoF和频率最低点匹配，而非依赖最恶劣阈值；（4）显式建模SR交付后的能量恢复过程，并将恢复所需额外功率纳入系统备用需求；（5）基于GB未来低碳情景（光伏40 GW、风电60 GW，最大功率缺失1.8 GW）进行365天、48小时滚动时窗仿真，并与已有基准模型对比。所有数值仿真均基于论文所采用的GB公开/文献数据，不涉及样本队列来源。
**6.1 所提方法的技术经济价值：比较评估**
与采用文献中最新方法设定的基准算例相比，所提方法（Case 1）使年度系统运行成本降低6.92%，可再生能源弃电率降低6.18%。若不考虑能量回收策略（Case 1–NR），系统成本可进一步降低至7.22%，但会因忽略SR可交付性而高估BESS价值。仿真结果表明，基准算例始终选择最宽松的阈值（频率最低点-0.8 Hz、RoCoF-1 Hz/s），而Case 1可根据实际频率动态选择更严格的阈值，如-0.4 Hz最低点阈值被选用的概率为51%，-0.4 Hz/s RoCoF阈值被选用的概率约为80%。实际频率最低点和RoCoF均始终满足所选安全阈值。BESS分配的AIP和ADP显著增加，常规机组的一次响应需求下降，OCGT机组在全年优化中不再被调度，常规机组平均在线数量由20.4台降至18.5台，常规发电量减少约1.4%（约5 TWh），频率达到最低点的中位时间由4.3 s延后至7.5 s。
**6.2 不同BESS-GFM渗透率的影响**
在BESS容量分别为2.5 GWh、3.5 GWh和4.5 GWh的情景下，随着容量增加，系统级总成本节约量上升，但单位容量节约量下降，且当容量达到4.5 GWh时出现边际收益饱和迹象。所提方法下，实际频率最低点与所选阈值之间的平均差值比基准算例低一个数量级，表明GB系统可能承受更大的功率缺失、更高比例的可再生能源接入，或二者的组合。
**6.3 敏感性分析：核电替代**
将核电从6台降至4台后，基准算例因失去低成本的核电基荷，同时受限于对BESS灵活性的短视调度，年度系统运行成本反而高于原基准算例。而采用所提方法的Case 1–LN则同时实现了系统成本降低和可再生能源弃电率下降，可再生能源发电量增加55.1 TWh，OCGT-CCGT发电量减少7.7 TWh，BESS放电量增加5.7565 TWh。这表明GFM-BESS能够以较低成本替代部分核电，并释放其功率裕度用于套利和辅助服务。
**6.4 BESS循环运行与能量容量退化**
引入运行成本惩罚（Case 1–D_OF）或每日循环次数限制（Case 1–D_Con）后，系统级运行成本仅比Case 1增加0.73%和0.81%，但BESS年满等效循环次数（Full Equivalent Cycles, FEC）由590.6次分别降至456.5次（-22.7%）和299.0次（-49.3%），预计达到寿命终止（End of Life, EoL）条件（能量容量衰减20%）的时间由6.19年分别延长至8.01年（+29.4%）和12.23年（+97.5%）。这说明能量容量退化对系统级影响有限，但对BESS资产级运维影响显著。
论文未设独立讨论章节，结论部分指出：GFM-BESS的快速功率响应能力可为系统运营商带来显著效益，所提方法能够将电池的功率/能量裕度合理分配给辅助服务和能量套利，同时避免不必要的过调度。由于实际运行中的RoCoF和频率最低点通常高于安全阈值，系统可在不牺牲安全性的前提下提升可再生能源消纳并降低运行成本。算例结果进一步表明，BESS-GFM渗透率增大的边际经济价值可能饱和；通过限制循环运行可显著延长BESS寿命，且系统级成本损失很小。未来工作将向随机调度、多区域频率振荡模型以及更精细的储能退化机制方向扩展。
