中國儲能網(wǎng)訊：日前，聯(lián)合國國際電信聯(lián)盟（ITU）電信標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)并發(fā)布，清華大學(xué)電機(jī)系慈松教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國信息通信研究院中國泰爾實(shí)驗(yàn)室共同提交的“數(shù)字儲能系統(tǒng)解決方案”獲該標(biāo)準(zhǔn)采納。ITU L.1210標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)維等方面，提出了5G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)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(dú)立存在和運(yùn)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(jìn)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(jìn)儲能系統(tǒng)技術(shù)與信息技術(shù)的深度融合，實(shí)現(xiàn)儲能系統(tǒng)的數(shù)字化和軟件定義化，進(jìn)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(shí)現(xiàn)儲能系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)化管控，提高儲能系統(tǒng)運(yùn)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(shí)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dāng)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(jìn)行實(shí)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?fù)涞淖顑?yōu)控制策略，最后通過電池能量交換背板實(shí)現(xiàn)當(dāng)前時刻最優(yōu)電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?
? 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?fù)淇筛鶕?jù)電池運(yùn)行狀況、負(fù)載需求、安全閾值等條件進(jìn)行細(xì)粒度動態(tài)重構(gòu)，實(shí)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(jìn)行數(shù)字化混用，實(shí)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(shí)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(dāng)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(shí)質(zhì)是將原來高度耦合的一體化電池硬件通過標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(shí)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(jìn)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(jī)房的分布式數(shù)字儲能供電系統(tǒng)，實(shí)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(jìn)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?fù)鋭討B(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(hù)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(jì)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(jìn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)退役動力電池單體或模塊的精準(zhǔn)充放電均衡和微秒級故障電池精準(zhǔn)隔離，同時對電池進(jìn)行“邊用邊測邊管（on-the-go）”式的實(shí)時狀態(tài)量測和性能分析，實(shí)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(xiàng)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).
