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能源互联网未来发展的核心 分布式储能电池技术

       储能系统在实现分布式电源接入、发用电匹配、平抑电网波动、提高电能质量,以及提升灾备能力等方面起着关键作用。随着能源互联网思想的崛起,通过能源虚拟化与能量信息化技术把储能系统中转变为可计算、可计量的互联网资源,将会成为支撑分布式能源健康快速发展的关键。
       传统能源网络主要以化石能源为主,采用单向潮流树状拓扑结构,集中化管控,供能与用能垂直集成(包括目前的智能区域能源网络),不同能源系统之间条块分割。随着分布式能源的兴起和用户侧能源需求的快速增长,传统能源系统已不具备可持续性,并且无法有效解决大规模分布式可再生能源的接入和新兴产业对能源供给的需求。因此,如何从根本上变革能源结构和提高能源综合利用效率成为政府与产、学、研、用各界共同关注的热点问题。
      近年来能源互联网思想被视为解决前述问题的有力理论支撑。究其本质,是信息(数据)演变成为一种新型生产资料对能源领域里的各种生产要素进行重新配置和优化的必然结果。从技术方面分析,能源互联网是支撑“互联网+智慧能源”得以实现的物理基础设施,同时也是以用户用能体验为中心的定制化能源服务存在的产业生态环境。
      能源互联网通过信息技术与传统能源系统耦合的系统架构,横向打通了传统垂直集成、条块分割的异构物理能源网络,实现通过信息轻资产增量盘活传统能源行业的重资产存量,支持多能协同的集成高效率利用,从而产生新的价值。边缘开放的能源互联网,产生的动因之一是用户侧日益多样的用能需求,包括:分布式光伏、电动汽车、家庭储能等新型用户侧双向电源。从用户侧分析,用户在市场中定位已经从原来简单的用能者(consumer)变成动态产消合一者(prosumer),这种角色的转变将对能源系统的演进和发展产生重大而深远的影响。能源互联网满足能源生产和供给的C2B和C2C模式,因此能源互联网也被看做“工业4.0”在能源领域的具体实例,其主要产出是为各种用户需求提供灵活多样的定制化用能服务。
在能源互联网时代,传统能源网络边缘将存在海量双向能量节点,这将在技术和商业模式上对传统能源网络系统所支撑的B2C模式形成极大的挑战。尤其在于,用户从consumer到prosumer的转变带来了更加复杂的随机性、突发性与不确定性,这些要素随机叠加将会干扰到传统能源网络核心网架的运行稳定和安全,引发分布式能源系统和传统能源系统在网络管控层面的对立和矛盾,从而影响整个新能源产业的发展。
      从系统理论角度分析,能源互联网是一个松耦合的双向数字系统,是一个智能信息物理系统。由传统能源系统向能源互联网的演进过程中,需要在传统能源系统中加入大量的具有分布式储能(记忆)能力的设备,能够支撑能源虚拟化和数字化处理,用以优化能源系统的全局效率和稳定性。因此,分布式储能是能源互联网快速发展的核心技术之一。
从技术实现角度分析,在众多形式的储能方式中,尤其是在千瓦时级至兆瓦时级储能应用时,电池储能有着其它储能方式不可比拟的优势,因此在本文中我们将以目前应用最广的电池储能为例来具体说明分布式储能系统发展的问题和对策。
      在分布式电池储能中,锂离子电池储能方式具有效应速度快、能量转换效率高、成本下降快、可扩展性好等优点而被列为首选。然而锂电池单体容量无法满足负载对于储能容量的需求,所以电池成组使用是必然。在电池成组技术上,小容量单体成组或成网在储能系统的安全性,可靠性和可管性方面有着大容量单体不可比拟的优势。
然而,电池成组技术存在以下两点困难:
      无法避免的单体之间的差异性,以及固定串并联的刚性接入方式,从而引起电池组的“短板效应”。
      电池单体本身具有强烈的非线性特征,电池荷电状态SOC难以做到准确的测量和估算。
      基于以上两点,传统电池管理系统BMS无法彻底解决目前大规模电池组存在的单体均衡、效率、可维护性、使用寿命、梯次利用、可靠性与安全性等问题。此外,锂电池的度电成本问题导致分布式电池储能的经济性较差。
      能源互联网思想为我们提供了分布式电池储能管控的技术路线,加之引入基于能源虚拟化与能量信息化的分布式能量管控方式,把电池能量虚拟化为可计算、计量的互联网资源,将有力支撑能源互联网中分布式储能的发展。
      能源互联网中分布式储能系统是分布式能源接入传统能源系统的必要设备,所以分布式储能系统的功能和性能定义应与分布式能源接入需求匹配,正如信息领域中信息存储系统的多样性对应于信息处理的不同要求。如图所示,类似于信息存储架构从最上层的寄存器到最下层的互联网存储,自上而下的单位存储成本是逐步递减的,但存储系统的响应延迟性能却不断增大。不难看出能源互联网储能系统架构具有同样的特征,能源互联网中能量存储系统的构建需要应对各种分布式电源无序随机接入传统电网的各种功率和容量上的要求,因此我们需要引入软件定义能量管控等新技术做到不同种类的能量存储介质搭配使用,实现软件定义电池储能系统,降低电池储能系统的单位成本,并达到采用一套物理电池系统同时满足功率型和能量型储能需求及优化系统性能等目的。
      分布式储能系统是实现能源互联网的必要技术手段。通过能源虚拟化与能量信息化技术,屏蔽不同分布式储能介质的物理和化学上的差异性,将能量进行归一化和数字化管控,使其变成一种可计量、计算的互联网资源,进而利用信息互联网实现分布式储能系统的网络化管控。

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