中國儲能網(wǎng)訊：日前，聯(lián)合國國際電信聯(lián)盟（ITU）電信標準化部門第五研究組（ITU-T SG5）提交關(guān)于支持IMT-2020（5G）可持續(xù)供電解決方案建議（No. L.1210）“Sustainable power-feeding solutions for 5G network”獲得批準并發(fā)布，清華大學(xué)電機系慈松教授團隊聯(lián)合中國信息通信研究院中國泰爾實驗室共同提交的“數(shù)字儲能系統(tǒng)解決方案”獲該標準采納。ITU L.1210標準致力于解決5G網(wǎng)絡(luò)功耗給現(xiàn)有供電系統(tǒng)帶來的挑戰(zhàn)，從通信供電系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施、備電容量、網(wǎng)絡(luò)化運維等方面，提出了5G網(wǎng)絡(luò)演進中支持簡單、智能、綠色的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化能源部署的解決方案與規(guī)范建議。
那么，究竟什么是高大上的“數(shù)字儲能系統(tǒng)”呢？通過清華大學(xué)慈松教授在《全球能源互聯(lián)網(wǎng)》（Vol. 1 No. 3）發(fā)表的研究綜述《數(shù)字儲能系統(tǒng)》一起了解一下吧。
一、“數(shù)字儲能系統(tǒng)”解決什么問題？
現(xiàn)有儲能系統(tǒng)本質(zhì)上是模擬系統(tǒng)，其核心特征為模擬連續(xù)的能量流，并且儲能系統(tǒng)中模擬能量流和數(shù)字信息流是在不同時空尺度上相互獨立存在和運行的，缺乏能量流與信息流相同尺度上的深度融合。以目前發(fā)展速度最為迅猛的電池儲能系統(tǒng)為例，由于缺乏能量流和信息流在相同時空尺度上的互動和管控，會出現(xiàn)系統(tǒng)“短板效應(yīng)”，進而極大影響了電池儲能系統(tǒng)的性能。
通過能量信息化技術(shù)促進儲能系統(tǒng)技術(shù)與信息技術(shù)的深度融合，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的數(shù)字化和軟件定義化，進而與云計算和大數(shù)據(jù)等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)緊密融合，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)化管控，提高儲能系統(tǒng)運維的自動化程度和儲能資源的利用效率，充分發(fā)揮儲能系統(tǒng)在能源互聯(lián)網(wǎng)中的多元化作用。
二、能量信息化
傳統(tǒng)能源系統(tǒng)需要實現(xiàn)從模擬系統(tǒng)到數(shù)字系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，即需要在物理上把模擬能量流進行離散化和數(shù)字化，將能量轉(zhuǎn)化成與計算資源、帶寬資源以及存儲資源一樣，進行靈活的管理與調(diào)控。
在數(shù)字化電池能量交換系統(tǒng)中，模擬能量流被以網(wǎng)絡(luò)化連接的高頻MOSFET電力電子開關(guān)離散化成為時間序列上的“能量片”（energy slice），離散化后的“能量片”上附加其他信息數(shù)據(jù)，如電池資產(chǎn)的所有者、電池電荷狀態(tài)、電池健康狀態(tài)等信息。通過采用程序控制的電池網(wǎng)絡(luò)控制器對來自不同電芯的“能量片”進行重組和優(yōu)化，去除電池能量產(chǎn)生和使用過程中的不確定性和非線性，徹底屏蔽了電池物理和化學(xué)上的差異性，克服短板效應(yīng)，進而提升了電池儲能系統(tǒng)性能，可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)對電池管理技術(shù)的范式創(chuàng)新原理圖如圖1所示。
? 圖1 可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)對當前電池管理技術(shù)的范式創(chuàng)新原理圖
三、基于可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字儲能系統(tǒng)架構(gòu)
3.1 動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)
動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)是數(shù)字儲能系統(tǒng)的核心單元，其架構(gòu)如圖2所示。在動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)單元中，通過電池能量交換背板對每個電池單體或模塊的電流、電壓和溫度等信息進行實時測量，電池網(wǎng)絡(luò)控制器可以在線精確估算電池的的健康狀態(tài)（SOH）和荷電狀態(tài)（SOC）等狀態(tài)信息，然后分析形成電池網(wǎng)絡(luò)拓撲的最優(yōu)控制策略，最后通過電池能量交換背板實現(xiàn)當前時刻最優(yōu)電池網(wǎng)絡(luò)拓撲。
? 圖2 數(shù)字電池儲能系統(tǒng)架構(gòu)
傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)（battery management system，BMS）與電池能量交換系統(tǒng)的比較如圖3所示。由于在可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)中電池單體或模塊之間的串并聯(lián)拓撲可根據(jù)電池運行狀況、負載需求、安全閾值等條件進行細粒度動態(tài)重構(gòu)，實現(xiàn)了模擬電池能量流的離散化和數(shù)字化，從理論上解決了電池系統(tǒng)的短板效應(yīng)問題，因此極大提升了電池系統(tǒng)的有效容量、循環(huán)壽命、安全性和可靠性。
? 圖3 傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)與電池能量交換系統(tǒng)的比較
3.2 軟件定義數(shù)字復(fù)合儲能系統(tǒng)
在能源互聯(lián)網(wǎng)中，不同性質(zhì)的能量存儲介質(zhì)適用于不同儲能應(yīng)用需求?；谀芰啃畔⒒夹g(shù)，可以針對不同儲能應(yīng)用需求，將多種物理化學(xué)性質(zhì)迥異的儲能介質(zhì)進行數(shù)字化混用，實現(xiàn)一套物理儲能系統(tǒng)同時滿足多種儲能應(yīng)用需求，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的價值最大化。值得指出的是，軟件定義數(shù)字復(fù)合儲能系統(tǒng)可以從根本上解耦電池系統(tǒng)應(yīng)用需求與電池單體物理化學(xué)特性，在系統(tǒng)應(yīng)用層面上打破對當前電池應(yīng)用依賴于電池單體能量密度和功率密度的迷思。為了方便讀者理解這個概念，圖4表述軟件定義數(shù)字復(fù)合儲能與信息存儲體系的對照邏輯關(guān)系。
? 圖4 軟件定義數(shù)字復(fù)合儲能與信息存儲體系的對照邏輯關(guān)系
3.3 電池能量管控云平臺
電池能量管控云平臺的實質(zhì)是將原來高度耦合的一體化電池硬件通過標準化、抽象化（虛擬化）等信息技術(shù)手段解耦成不同的物理子系統(tǒng)，進而圍繞這些物理子系統(tǒng)建立虛擬化軟件層，通過定義應(yīng)用編程接口（API）的方式實現(xiàn)原來硬件系統(tǒng)才提供的功能。通過管理控制軟件，系統(tǒng)可以自動地進行硬件資源的部署、組合、優(yōu)化和管理，為應(yīng)用提供高度靈活性的服務(wù)。
四、數(shù)字儲能系統(tǒng)的應(yīng)用
4.1 面向數(shù)據(jù)中心的軟件定義數(shù)字儲能系統(tǒng)
通過采用電池能量交換系統(tǒng)，與中國移動聯(lián)合研發(fā)了數(shù)據(jù)中心和基站機房的分布式數(shù)字儲能供電系統(tǒng)，實現(xiàn)了備用供電系統(tǒng)的數(shù)字化和互聯(lián)網(wǎng)化能量管控。與傳統(tǒng)模擬備用供電系統(tǒng)相比，數(shù)字電池能量交換系統(tǒng)可以對備用供電系統(tǒng)中的電池單體輸出模擬能量流進行微秒級的離散化和數(shù)字化處理和管控，通過毫秒級的電池網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)重構(gòu)保證了每一個電池單體不過充不過放，并且在微秒級隔離故障電池單體，從而極大提升了備用電池供電系統(tǒng)的有效容量、效率、安全性、可靠性和可維護性，顯著提升了備用電池儲能系統(tǒng)循環(huán)壽命。
? 圖5 軟件定義數(shù)字UPS系統(tǒng)（與中國移動設(shè)計院聯(lián)合研發(fā)）
4.2 面向退役動力電池梯次利用的數(shù)字儲能系統(tǒng)
退役動力電池梯次利用在性能評估、分選成組、集成管控、安全與經(jīng)濟性、商業(yè)模式等方面有著大量原理性和技術(shù)性問題需要研究與解決。數(shù)字無損梯次利用方法無需將電池進行單體層面的拆解、精選和重組，通過可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)對退役的電池單體或焊接在一起的低壓電池模塊進行簡單電氣和外觀粗選及柔性重構(gòu)。通過數(shù)字電池能量交換系統(tǒng)，可以實現(xiàn)退役動力電池單體或模塊的精準充放電均衡和微秒級故障電池精準隔離，同時對電池進行“邊用邊測邊管（on-the-go）”式的實時狀態(tài)量測和性能分析，實現(xiàn)基于可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化梯次利用退役動力電池電、熱及安全管控。（目前，該技術(shù)已應(yīng)用于國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)、中國鐵塔、安徽國軒、天津力神多個應(yīng)用示范項目。）
? 圖6 傳統(tǒng)梯次利用與數(shù)字無損梯次利用的比較
本文引文信息
慈松. 數(shù)字儲能系統(tǒng)[J]. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)，2018，1(3)：338-347.
CI Song. Digital Energy Storage System[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2018, 1(3): 338-347(in Chinese).
