中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：傳統(tǒng)能源網(wǎng)絡(luò)主要以化石能源為主，采用單向潮流樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(luò))，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(cè)能源需求的快速增長(zhǎng)，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(chǎn)業(yè)對(duì)能源供給的需求，如電動(dòng)汽車和云計(jì)算等國(guó)家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。因此，如何從根本上變革能源結(jié)構(gòu)和提高能源綜合利用效率成為政府與產(chǎn)、學(xué)、研、用各界共同關(guān)注的熱點(diǎn)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(zhì)，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(chǎn)資料之后對(duì)能源領(lǐng)域里的各種生產(chǎn)要素進(jìn)行重新配置和優(yōu)化的必然結(jié)果。從技術(shù)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(shí)現(xiàn)的物理基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)它也是一種以用戶用能體驗(yàn)為中心的定制化能源服務(wù)產(chǎn)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(gòu)將傳統(tǒng)垂直集成、條塊分割的異構(gòu)物理能源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(例如電，熱，氣，油，核，交通等各自獨(dú)立運(yùn)行的能源網(wǎng)絡(luò))進(jìn)行橫向資源整合和產(chǎn)業(yè)拉動(dòng)，實(shí)現(xiàn)通過信息輕資產(chǎn)增量盤活傳統(tǒng)能源行業(yè)的重資產(chǎn)存量，支持多種能源的集成高效利用，從而產(chǎn)生新的價(jià)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(chǎn)生的動(dòng)因首先是由用戶側(cè)日益多樣的用能需求所驅(qū)動(dòng)的，我們已經(jīng)可以從分布式光伏，電動(dòng)汽車，家庭儲(chǔ)能等新型用戶側(cè)雙向電源的普及不難得出這一結(jié)論。在能源互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，傳統(tǒng)用戶的市場(chǎng)定位已經(jīng)從原來簡(jiǎn)單的用能(consumer)變成動(dòng)態(tài)產(chǎn)能用能(prosumer)，這種角色的轉(zhuǎn)變將對(duì)能源系統(tǒng)的演進(jìn)和發(fā)展產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響。從用戶側(cè)看，能源互聯(lián)網(wǎng)要滿足多樣化用能需求驅(qū)動(dòng)的能源生產(chǎn)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(lǐng)域的具體實(shí)例，其主要產(chǎn)出是為各種用戶需求提供靈活多樣的定制化用能服務(wù)。
在能源互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，傳統(tǒng)能源網(wǎng)絡(luò)邊緣將存在海量雙向能量節(jié)點(diǎn)，這將在技術(shù)和商業(yè)模式上對(duì)垂直集成，單向潮流，邊緣封閉的傳統(tǒng)能源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所支撐的B2C模式形成極大的挑戰(zhàn)。特別是網(wǎng)絡(luò)邊緣出現(xiàn)大規(guī)模雙向能量節(jié)點(diǎn)這一現(xiàn)象打破了傳統(tǒng)能源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和管控邊界條件，用戶從consumer到prosumer的轉(zhuǎn)變帶來了更加復(fù)雜的隨機(jī)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(jī)疊加將會(huì)干擾到傳統(tǒng)能源網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)架的運(yùn)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(luò)管控層面的對(duì)立和矛盾，從而影響整個(gè)新能源產(chǎn)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(gè)緊耦合的單向模擬系統(tǒng)，是一個(gè)無記憶的簡(jiǎn)單應(yīng)激系統(tǒng)，而能源互聯(lián)網(wǎng)則是一個(gè)松耦合的雙向數(shù)字系統(tǒng)，是一個(gè)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(jìn)需要在傳統(tǒng)能源系統(tǒng)中加入大量的分布式存儲(chǔ)(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(chǔ)能是能源互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的核心技術(shù)之一。從技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段上看，目前分布式儲(chǔ)能有電池儲(chǔ)能，相變儲(chǔ)能，蓄冷蓄熱儲(chǔ)能，飛輪儲(chǔ)能，抽水儲(chǔ)能，超級(jí)電容儲(chǔ)能及壓縮空氣儲(chǔ)能等眾多方式。其中，電池儲(chǔ)能方式在千瓦時(shí)級(jí)至兆瓦時(shí)級(jí)儲(chǔ)能有著其它儲(chǔ)能方式不可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此在本文中我們將以目前應(yīng)用最廣的電池儲(chǔ)能為例來具體說明分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展的問題和對(duì)策。
分布式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)發(fā)電曲線與用電曲線間動(dòng)態(tài)匹配的核心設(shè)備，具有平抑波動(dòng)、匹配供需，削峰填谷，提高供電質(zhì)量，提升災(zāi)備能力，延緩電網(wǎng)升級(jí)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(chǔ)能中，鋰離子電池儲(chǔ)能方式具有效應(yīng)速度快，能量轉(zhuǎn)換效率高，成本下降快和可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)而被列為首選。因此，鋰電池儲(chǔ)能是最具市場(chǎng)應(yīng)用前景的儲(chǔ)能方式之一。然而由于生產(chǎn)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(fù)載對(duì)于儲(chǔ)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(shù)上，小容量單體成組或成網(wǎng)在儲(chǔ)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(shì)，這一觀點(diǎn)已被所眾多應(yīng)用實(shí)踐證實(shí)，例如，特斯拉Model S電動(dòng)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(gòu)成的儲(chǔ)能系統(tǒng)在效率、運(yùn)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(rèn)的技術(shù)難題，其科學(xué)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(shù)采用的固定串并聯(lián)的剛性系統(tǒng)架構(gòu)之間的不匹配，從而引起電池組的“短板效應(yīng)”。此外，電池本身是一個(gè)電化學(xué)反應(yīng)過程，其工作過程表現(xiàn)出非常強(qiáng)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(zhǔn)確的測(cè)量和估算，這進(jìn)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(cè)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(hù)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(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)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(shí)現(xiàn)“電池與管控系統(tǒng)分離，電池系統(tǒng)與應(yīng)用系統(tǒng)分離”，把電池能量虛擬化為可計(jì)算可計(jì)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(chǔ)能的發(fā)展。
此外，能源互聯(lián)網(wǎng)中分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)是分布式能源接入傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的必要設(shè)備，所以分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的功能和性能定義應(yīng)與分布式能源接入需求匹配，正如信息領(lǐng)域中信息存儲(chǔ)系統(tǒng)的多樣性對(duì)應(yīng)于信息處理的不同要求。如圖所示，類似于信息存儲(chǔ)架構(gòu)從最上層的寄存器到最下層的互聯(lián)網(wǎng)存儲(chǔ)，自上而下的單位存儲(chǔ)成本是逐步遞減的，但存儲(chǔ)系統(tǒng)的響應(yīng)速度和延遲中斷性能卻不斷增大，能源互聯(lián)網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)具有同樣的特征。能源互聯(lián)網(wǎng)中能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的構(gòu)建需要應(yīng)對(duì)各種分布式電源無序隨機(jī)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(chǔ)系統(tǒng)搭配使用，以達(dá)到降低單位成本，優(yōu)化系統(tǒng)性能的目的。
例如用戶側(cè)能源互聯(lián)網(wǎng)中，為了應(yīng)對(duì)區(qū)域內(nèi)新型分布式能源發(fā)電的波動(dòng)性問題及新型負(fù)荷接入的隨機(jī)性問題，如電動(dòng)汽車充電負(fù)載，我們只需要應(yīng)用超級(jí)電容和功率型鋰離子電池來平滑小容量的凈負(fù)荷高頻波動(dòng),保證負(fù)荷曲線趨近于常規(guī)能源系統(tǒng)的負(fù)荷曲線形狀，然后應(yīng)用成熟的能源調(diào)度策略實(shí)現(xiàn)滿足能源應(yīng)用的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。值得注意的是在上述場(chǎng)景中，我們并不需要采用大容量集中式儲(chǔ)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(shí)又可以有效地保證能源網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案的投資效益和保全現(xiàn)有固定資產(chǎn)的使用效率。
此外，通過構(gòu)建儲(chǔ)能云平臺(tái)，基于能量信息化技術(shù)的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)可以進(jìn)一步通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息物理系統(tǒng)(CPS)技術(shù)進(jìn)行迭代組合與管控，并可以按需靈活擴(kuò)展以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求，如數(shù)據(jù)中心UPS儲(chǔ)能，電動(dòng)車儲(chǔ)能、建筑和家庭儲(chǔ)能、可再生能源電廠儲(chǔ)能以及社區(qū)儲(chǔ)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(luò)化管控將數(shù)量巨大而利用率極低的存量碎片化儲(chǔ)能電池資源盤活利用，而不是重新營(yíng)建全新的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)。例如，我國(guó)已部署移動(dòng)通信基站數(shù)量已超過數(shù)百萬個(gè)，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(fèi)和運(yùn)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(jià)的波動(dòng)與用電負(fù)載變化，使這些碎片化的儲(chǔ)能電池在峰電價(jià)時(shí)放電，谷電價(jià)時(shí)儲(chǔ)電，達(dá)到削峰填谷，提高資產(chǎn)利用率，降低移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)用電成本的目的。又例如，在電動(dòng)汽車發(fā)展中，缺少充電基礎(chǔ)設(shè)施與電動(dòng)汽車電池成本過高這兩點(diǎn)是制約我國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展與推廣應(yīng)用的重要瓶頸。通過能量信息化與網(wǎng)絡(luò)化管控，可以通過“車電分離，電池自選，自主換電，能量運(yùn)營(yíng)”的模式盤活目前電動(dòng)汽車的閑置電池資源，打通動(dòng)力鋰離子電池梯次利用的產(chǎn)業(yè)鏈和價(jià)值鏈，降低用戶購(gòu)買與使用電動(dòng)汽車的成本，實(shí)現(xiàn)電池資產(chǎn)面向需求的細(xì)粒度復(fù)用，創(chuàng)造出新的價(jià)值。
總而言之，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的必要技術(shù)手段。盡管分布式儲(chǔ)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(shù)，我們可以屏蔽不同分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的物理形態(tài)差異性，將其中的能量進(jìn)行歸一化和數(shù)字化管控，使能量變成一種可計(jì)量可以計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)資源，進(jìn)而通過信息互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(fù)載攔截在網(wǎng)絡(luò)邊緣，使分布式能源的發(fā)展不依賴于電網(wǎng)側(cè)的升級(jí)改造，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。由于分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)通常貼近負(fù)荷，我們可以通過信息輕資產(chǎn)盤活用戶側(cè)大量閑置的儲(chǔ)能電池資源，貫徹電池產(chǎn)業(yè)鏈與價(jià)值鏈，創(chuàng)造出新的價(jià)值。
原標(biāo)題:能源互聯(lián)網(wǎng)中的分布式儲(chǔ)能
