中國儲能網(wǎng)訊：傳統(tǒng)能源網(wǎng)絡主要以化石能源為主，采用單向潮流樹狀拓撲結構，集中化管控，供能與用能垂直集成(包括目前的智能區(qū)域能源網(wǎng)絡)，不同能源系統(tǒng)之間條塊分割。隨著分布式能源的興起和用戶側能源需求的快速增長，傳統(tǒng)能源系統(tǒng)以不斷增加化石能源消耗解決用能需求的方式已不具備可持續(xù)性，并且無法有效解決大規(guī)模分布式可再生能源的接入和新興產業(yè)對能源供給的需求，如電動汽車和云計算等國家戰(zhàn)略新興產業(yè)。因此，如何從根本上變革能源結構和提高能源綜合利用效率成為政府與產、學、研、用各界共同關注的熱點問題。
近年來能源互聯(lián)網(wǎng)思想異軍突起，被視為解決前述問題的有力理論支撐。究其本質，能源互聯(lián)網(wǎng)的興起也是信息(數(shù)據(jù))演變成為一種新型生產資料之后對能源領域里的各種生產要素進行重新配置和優(yōu)化的必然結果。從技術上看，能源互聯(lián)網(wǎng)做為一種新型能源系統(tǒng)，是支撐“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”得以實現(xiàn)的物理基礎設施，同時它也是一種以用戶用能體驗為中心的定制化能源服務產業(yè)生態(tài)環(huán)境。能源互聯(lián)網(wǎng)通過信息系統(tǒng)與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)緊密耦合的系統(tǒng)架構將傳統(tǒng)垂直集成、條塊分割的異構物理能源網(wǎng)絡系統(tǒng)(例如電，熱，氣，油，核，交通等各自獨立運行的能源網(wǎng)絡)進行橫向資源整合和產業(yè)拉動，實現(xiàn)通過信息輕資產增量盤活傳統(tǒng)能源行業(yè)的重資產存量，支持多種能源的集成高效利用，從而產生新的價值。作為融入互聯(lián)網(wǎng)邊緣開放基因的能源互聯(lián)網(wǎng)，其產生的動因首先是由用戶側日益多樣的用能需求所驅動的，我們已經(jīng)可以從分布式光伏，電動汽車，家庭儲能等新型用戶側雙向電源的普及不難得出這一結論。在能源互聯(lián)網(wǎng)時代，傳統(tǒng)用戶的市場定位已經(jīng)從原來簡單的用能(consumer)變成動態(tài)產能用能(prosumer)，這種角色的轉變將對能源系統(tǒng)的演進和發(fā)展產生重大而深遠的影響。從用戶側看，能源互聯(lián)網(wǎng)要滿足多樣化用能需求驅動的能源生產和供給的C2B和C2C模式，因此能源互聯(lián)網(wǎng)也被看做“工業(yè)4.0”在能源領域的具體實例，其主要產出是為各種用戶需求提供靈活多樣的定制化用能服務。
在能源互聯(lián)網(wǎng)時代，傳統(tǒng)能源網(wǎng)絡邊緣將存在海量雙向能量節(jié)點，這將在技術和商業(yè)模式上對垂直集成，單向潮流，邊緣封閉的傳統(tǒng)能源網(wǎng)絡系統(tǒng)所支撐的B2C模式形成極大的挑戰(zhàn)。特別是網(wǎng)絡邊緣出現(xiàn)大規(guī)模雙向能量節(jié)點這一現(xiàn)象打破了傳統(tǒng)能源網(wǎng)絡系統(tǒng)的設計和管控邊界條件，用戶從consumer到prosumer的轉變帶來了更加復雜的隨機性、突發(fā)性與不確定性，而且這些突發(fā)性和不確定性的隨機疊加將會干擾到傳統(tǒng)能源網(wǎng)絡核心網(wǎng)架的運行穩(wěn)定和安全，引發(fā)分布式能源系統(tǒng)和傳統(tǒng)能源系統(tǒng)在網(wǎng)絡管控層面的對立和矛盾，從而影響整個新能源產業(yè)的發(fā)展。
從系統(tǒng)理論的角度看，傳統(tǒng)能源系統(tǒng)是一個緊耦合的單向模擬系統(tǒng)，是一個無記憶的簡單應激系統(tǒng)，而能源互聯(lián)網(wǎng)則是一個松耦合的雙向數(shù)字系統(tǒng)，是一個智能的信息物理系統(tǒng)。因此，從傳統(tǒng)能源系統(tǒng)向能源互聯(lián)網(wǎng)的演進需要在傳統(tǒng)能源系統(tǒng)中加入大量的分布式存儲(記憶)能力來支撐能源虛擬化和數(shù)字化處理，優(yōu)化能源系統(tǒng)的全局效率和穩(wěn)定性，所以分布式儲能是能源互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的核心技術之一。從技術實現(xiàn)手段上看，目前分布式儲能有電池儲能，相變儲能，蓄冷蓄熱儲能，飛輪儲能，抽水儲能，超級電容儲能及壓縮空氣儲能等眾多方式。其中，電池儲能方式在千瓦時級至兆瓦時級儲能有著其它儲能方式不可比擬的優(yōu)勢，因此在本文中我們將以目前應用最廣的電池儲能為例來具體說明分布式儲能系統(tǒng)發(fā)展的問題和對策。
分布式電池儲能系統(tǒng)是實現(xiàn)發(fā)電曲線與用電曲線間動態(tài)匹配的核心設備，具有平抑波動、匹配供需，削峰填谷，提高供電質量，提升災備能力，延緩電網(wǎng)升級改造等功能，是在分布式能源系統(tǒng)中是必不可少的裝置。在分布式電池儲能中，鋰離子電池儲能方式具有效應速度快，能量轉換效率高，成本下降快和可擴展性好等優(yōu)點而被列為首選。因此，鋰電池儲能是最具市場應用前景的儲能方式之一。然而由于生產工藝、安全性、可靠性、易用性等問題，鋰電池單體容量無法滿足負載對于儲能容量的需求，所以電池成組使用的方式是必然的。在電池成組技術上，小容量單體成組或成網(wǎng)在儲能系統(tǒng)的安全性，可靠性和可管性方面有著大容量單體不可比擬的優(yōu)勢，這一觀點已被所眾多應用實踐證實，例如，特斯拉Model S電動汽車采用了8000多節(jié)18650(即直徑18毫米，高65毫米的圓柱形電池)小容量單體電池。然而，通過大量電池單體成組構成的儲能系統(tǒng)在效率、運維成本、安全性和可靠性等方面存在的問題是目前世界上公認的技術難題，其科學問題是電池單體間存在無法避免的差異性與電池成組技術采用的固定串并聯(lián)的剛性系統(tǒng)架構之間的不匹配，從而引起電池組的“短板效應”。此外，電池本身是一個電化學反應過程，其工作過程表現(xiàn)出非常強烈的非線性特征，因此電池荷電狀態(tài)SOC(state of ge)難以做到準確的測量和估算，這進一步加大了電池系統(tǒng)管控的難度。由于傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)(BMS)是疊加在固定連接電池組之上的信息測量系統(tǒng)，無法徹底解決目前大規(guī)模電池組存在的單體均衡、效率、可維護性、使用壽命、梯次利用、可靠性與安全性等問題。因此，我們需要從能源互聯(lián)網(wǎng)中能量流和信息流緊密耦合的角度重新看待分布式電池儲能系統(tǒng)的技術路線，引入基于能源虛擬化與能量信息化的分布式能量管控的新思想，實現(xiàn)“電池與管控系統(tǒng)分離，電池系統(tǒng)與應用系統(tǒng)分離”，把電池能量虛擬化為可計算可計量的互聯(lián)網(wǎng)資源，有力支撐能源互聯(lián)網(wǎng)中分布式儲能的發(fā)展。
此外，能源互聯(lián)網(wǎng)中分布式儲能系統(tǒng)是分布式能源接入傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的必要設備，所以分布式儲能系統(tǒng)的功能和性能定義應與分布式能源接入需求匹配，正如信息領域中信息存儲系統(tǒng)的多樣性對應于信息處理的不同要求。如圖所示，類似于信息存儲架構從最上層的寄存器到最下層的互聯(lián)網(wǎng)存儲，自上而下的單位存儲成本是逐步遞減的，但存儲系統(tǒng)的響應速度和延遲中斷性能卻不斷增大，能源互聯(lián)網(wǎng)儲能系統(tǒng)架構具有同樣的特征。能源互聯(lián)網(wǎng)中能量存儲系統(tǒng)的構建需要應對各種分布式電源無序隨機接入傳統(tǒng)電網(wǎng)的要求，我們需要引入軟件定義能量管控系統(tǒng)，做到不同種類的能量存儲系統(tǒng)搭配使用，以達到降低單位成本，優(yōu)化系統(tǒng)性能的目的。
例如用戶側能源互聯(lián)網(wǎng)中，為了應對區(qū)域內新型分布式能源發(fā)電的波動性問題及新型負荷接入的隨機性問題，如電動汽車充電負載，我們只需要應用超級電容和功率型鋰離子電池來平滑小容量的凈負荷高頻波動,保證負荷曲線趨近于常規(guī)能源系統(tǒng)的負荷曲線形狀，然后應用成熟的能源調度策略實現(xiàn)滿足能源應用的安全性、可靠性和經(jīng)濟性。值得注意的是在上述場景中，我們并不需要采用大容量集中式儲能系統(tǒng)，只需采用小容量高功率密度的能量緩存系統(tǒng)即可以有效解決分布式能源的接入問題，同時又可以有效地保證能源網(wǎng)絡規(guī)劃方案的投資效益和保全現(xiàn)有固定資產的使用效率。
此外，通過構建儲能云平臺，基于能量信息化技術的分布式儲能系統(tǒng)可以進一步通過互聯(lián)網(wǎng)技術和信息物理系統(tǒng)(CPS)技術進行迭代組合與管控，并可以按需靈活擴展以滿足不同應用場景的需求，如數(shù)據(jù)中心UPS儲能，電動車儲能、建筑和家庭儲能、可再生能源電廠儲能以及社區(qū)儲能等。在能源互聯(lián)網(wǎng)中，能量流與信息流的緊密耦合可以讓我們基于能量信息化與網(wǎng)絡化管控將數(shù)量巨大而利用率極低的存量碎片化儲能電池資源盤活利用，而不是重新營建全新的分布式儲能系統(tǒng)。例如，我國已部署移動通信基站數(shù)量已超過數(shù)百萬個，單站平均配備1000Ah的備用電池能力，平均每年使用次數(shù)小于10次，并且每5年需要更換，造成了巨大電池資源浪費和運維成本。通過采用能量信息化和互聯(lián)網(wǎng)化的分布式能量管控與協(xié)同，我們可以根據(jù)峰谷電價的波動與用電負載變化，使這些碎片化的儲能電池在峰電價時放電，谷電價時儲電，達到削峰填谷，提高資產利用率，降低移動通信網(wǎng)絡用電成本的目的。又例如，在電動汽車發(fā)展中，缺少充電基礎設施與電動汽車電池成本過高這兩點是制約我國電動汽車產業(yè)發(fā)展與推廣應用的重要瓶頸。通過能量信息化與網(wǎng)絡化管控，可以通過“車電分離，電池自選，自主換電，能量運營”的模式盤活目前電動汽車的閑置電池資源，打通動力鋰離子電池梯次利用的產業(yè)鏈和價值鏈，降低用戶購買與使用電動汽車的成本，實現(xiàn)電池資產面向需求的細粒度復用，創(chuàng)造出新的價值。
總而言之，分布式儲能系統(tǒng)是實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的必要技術手段。盡管分布式儲能系統(tǒng)的物理形態(tài)多種多樣，但是通過能源虛擬化與能量信息化技術，我們可以屏蔽不同分布式儲能系統(tǒng)的物理形態(tài)差異性，將其中的能量進行歸一化和數(shù)字化管控，使能量變成一種可計量可以計算的網(wǎng)絡資源，進而通過信息互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)分布式儲能系統(tǒng)的網(wǎng)絡化管控。作為能源互聯(lián)網(wǎng)中海量分布式電源接入電網(wǎng)的必要設備，小容量高功率密度的分布式能量緩存系統(tǒng)可以將分布式電源帶來的高頻沖擊負載攔截在網(wǎng)絡邊緣，使分布式能源的發(fā)展不依賴于電網(wǎng)側的升級改造，具有重大的現(xiàn)實意義。由于分布式儲能系統(tǒng)通常貼近負荷，我們可以通過信息輕資產盤活用戶側大量閑置的儲能電池資源，貫徹電池產業(yè)鏈與價值鏈，創(chuàng)造出新的價值。
原標題:能源互聯(lián)網(wǎng)中的分布式儲能
