面向能源互联网的数字储能系统

2.3 电池能量管控云平台

随着近年来能源和信息行业的迅猛发展，终端用户和行业客户对电池系统的管控能力提出了多种多样的应用需求，如细颗粒度管控与运维、高精度动态均衡、面向应用需求的在线可编程、硬件系统对动态用户需求的适应性、基于云和大数据的电池服务等，为此在储能系统数字化的基础上，提出了基于云平台的软件定义电池能量管控系统。电池能量管控云平台的实质是就是将原来高度耦合的一体化电池硬件，如固定串并联的电池硬件系统，通过标准化、抽象化(虚拟化)等信息技术手段解耦成不同的物理子系统，进而围绕这些物理子系统建立虚拟化软件层，通过定义应用编程接口(application programming interface，API)的方式实现原来硬件系统才提供的功能。通过管理控制软件，系统可以自动地进行硬件资源的部署、组合、优化和管理，为应用提供高度灵活性的服务。简而言之，电池能量管控云平台就是由软件来驱动并控制电池硬件资源，将传统固定串并联的电池组演进成为面向用户需求的软件可操控的电池智能硬件系统。因此，电池能量管控云平台具备信息与能量紧密耦合的连接能力，支撑未来能源互联网中电池能量服务的加载，形成“云+端”的典型架构，具备了电池能量大数据运营等附加价值。

由于电池能量管控云平台按应用需求通过系统可编程接口或电池能量服务模式将电池硬件系统的管控能力开放到互联网云平台上，使终端用户和行业客户对其电池系统硬件资源实现多维度的软件配置和管控，因此，电池能量管控云平台解决了电池系统在设计过程中的成本与性能联合优化问题及其在使用过程中的适应需求动态变化的问题，提高了系统的性能、效率和安全可靠性，实现了电池储能资产的数字化、信息化和互联化管控，使之成为一种可计量可计算的互联网资源，有力支撑了“互联网+智慧能源”的应用模式。值得指出的是电池能量管控云平台是实现未来云储能(或储能云)的使能技术。云储能被认为是未来电力系统储能的新形态，是一种基于已建成的现有电网的共享储能技术，使用户可以随时、随地、按需使用由集中式或分布式的储能设施构成的共享储能资源，并按照使用需求支付服务费。通过大规模部署分布式电池能量交换系统，将用户侧现有的各种储能资源(如备用电池等)数字化虚拟化为云端的数字储能资产，进而为各种用户提供基于数字储能资产的能量服务，催生基于能源互联网的储能业态。

除商业模式外，随着储能产业的快速发展，储能系统的运维成本将快速上升，成为影响商业模式至关重要的因素。通过电池能量管控云平台对电池单体或模块进行细粒度的管控和维护可以极大降低运维成本和系统有效运行时间。同时，还可以对电池单体或模块状态进行细粒度感知，进而在考虑到电网实时电价、用户负荷、电池容量和健康状态及安全阈值等边界条件的前提下动态生成储能系统高效安全运行控制策略，并与电网能量调度系统实时互动。

3 数字储能系统的应用

3.1 面向数据中心的软件定义数字储能系统

备用电源在各种通信系统中占有重要地位，是保障主营业务正常运行的必备保障条件。然而，目前备用电源普遍存在着建设投资和运维成本高、运行效率低、安全性和可靠性差、单位能量和功率密度低等痛点问题。而且，随着电网供电质量的显著提升，现有备用电源的设计标准和规范已经无法适应运营商的需求和要求。因此，新型备用电源架构的设计和实施势在必行。

随着互联网数据量的爆炸式增长，作为互联网数据源头的互联网数据中心(internet data center，IDC)的数量与规模在全球范围内急速膨胀。数据中心的急速发展带来了严重的能耗问题，一个大型IDC的能耗超过美国一个中型城市的耗电量。中国的数据中心能耗正在高速增长，并显著高于世界的平均水平。据ICT Research统计，2012年我国数据中心能耗高达664.5 亿kWh，占当年全国工业用电量的1.8%。2015年我国数据中心能耗高达1000 亿kWh，相当于三峡水电站当年的发电量。造成这一现象的核心问题之一在于传统IDC中UPS到服务器电源要经过三次交直流转换，其损耗占总能耗的50%左右，这部分损耗还将以热量形式散发，造成二次能耗损失。另外，服务器通常有92%左右的时间处于空闲状态，进入服务器的能量利用率也十分低下，而目前IDC能效指标计算方式中并没有考虑此因素。除此之外，温度、湿度等环境因素也会影响IDC的能耗。又如，基站和机房的备用电池系统的配置作用是保障供电安全和可靠性，在输入电力中断的情况下保证直流供电不间断，蓄电池运行状态好坏将直接影响到基站和机房直流系统正常、安全、可靠的运行。但是，由于基站和机房备用电源系统蓄电池存量大、长期处于浮充电状态，缺少精细化管理，造成一系列效率、安全性、整组更换、人工运维成本高等问题。

因此，通过研发适用于数据中心的软件定义数字UPS系统，对传统备用电源供电架构进行革命性改进，如图7所示。通过采用电池能量交换系统，研发IDC数据中心和基站机房的分布式数字储能供电系统，实现了备用供电系统的数字化和互联网化能量管控。与传统模拟备用供电系统相比，数字电池能量交换系统可以对备用供电系统中的电池单体输出模拟能量流进行微秒级的离散化和数字化处理和管控，通过毫秒级的电池网络拓扑动态重构保证了每一个电池单体不过充不过放，并且在微秒级隔离故障电池单体，从而极大提升了备用电池供电系统的有效容量、效率、安全性、可靠性和可维护性，显著提升了备用电池储能系统循环寿命(可单独更换任一电池单体)。此外，数字储能供电系统极大放宽了对电池单体一致性的要求，支持互联网化自动运维巡检和调度，降低了储能系统的建设成本和运维成本，从根本上保证了备用供电系统的商业经济性。

图7 软件定义数字UPS系统

Fig.7 Software defined digital UPS system

示范系统运行数据表明，数字储能供电系统实现了信息流与能量流的紧密融合，从能量流、信息流和环境参数等三个方面对备用供电系统进行全面感知与管控。通过采用分布式数字储能供电系统代替传统集中式UPS系统和模拟铅酸电池系统，以及采用旁路式连接方式代替串入式连接方式，新系统可以减少两次交直流转换，降低10%以上的能耗，IDC的有效空间利用率提升30%左右，这些措施将大幅度提升IDC的运营收益。此外，通过采用锂电池代替铅酸电池，可成倍提高备用电池系统的有效容量、放电效率和使用寿命，在满足备用电源要求的前提下，数字储能供电系统可以用作分布式储能系统，进而从“节流”和“开源”两个方面全面降低IDC的能耗和运营成本。同时，数字储能供电系统还可以实现铅酸电池和锂离子电池数字化混用，最大程度的利用现有铅酸电池的残值，支撑从铅酸电池到锂电池的低成本平稳过渡。

3.2 面向退役动力电池梯次利用的数字储能系统

随着电动汽车的大规模推广使用，可以预见在未来几年内将有大批的退役动力电池。依据现行退役标准，退役动力电池依然具有巨大的经济价值和市场空间，因此在储能需求迫切的智能电网和能源互联网中有着广阔的应用前景。然而退役动力电池梯次利用在性能评估、分选成组、集成管控、安全与经济性、商业模式等方面有着大量原理性和技术性问题需要研究与解决。基于数字电池能量交换系统，本文提出了数字无损梯次利用方法，如图8所示。

不同厂家、类型、批次、使用工况的动力电池退役后在健康状态、有效容量等方面差异显著，而目前的电池拆解、精细分选和固定串并联重组的梯次利用方法采用的是基于电池一致性的思路，这就造成了退役动力电池规模化梯次利用时面临难度大、效率低、成本高等问题，进而降低了退役动力电池再利用价值，并且难以保证梯次利用电池储能系统的整体性能、安全性和经济性。针对上述问题，国内外学者开展了一系列研究工作。在基础理论研究方面，国内外研究主要集中在基于电性能参数探测的健康状态(SOH)和荷电状态(SOC)的电池剩余容量和安全阈值评估。在梯次利用技术方面，传统精选方法难以适应海量差异化退役电池的低成本快速分选要求，而固定串并联重组方式难以适应退役动力电池差异性大的事实，因此传统电池分选成组方法难以达到梯次利用电池储能系统在整体性能、安全性和经济性之间的平衡。在系统集成管理方面，国内外研究主要集中在电池管理系统高级功能扩展和电池组均衡方法以及传统储能系统电、热、安全管理方法在梯次利用动力电池储能系统上的可用性。然而，退役动力电池参数离散度大，效率和可靠性低，发生系统安全事故的概率显著增大，这些都对储能系统电、热管理提出了更为苛刻的要求。

图8 传统梯次利用与数字无损梯次利用的比较

Fig.8 Comparison of traditional second-use and digital lossless second-use

与传统方法不同，数字无损梯次利用方法无需将电池进行单体层面的拆解、精选和重组，通过可重构电池网络对退役的电池单体或焊接在一起的低压电池模块进行简单电气和外观粗选及柔性重构。通过数字电池能量交换系统，可以实现退役动力电池单体或模块的精准充放电均衡和微秒级故障电池精准隔离，同时对电池进行“边用边测边管(on-the-go)”式的实时状态量测和性能分析，实现基于可重构电池网络的数字化梯次利用退役动力电池电、热及安全管控。从图9和图10可以看出数字无损梯次利用方法可以在很大程度上消除退役动力电池单体或模块在充放电过程中的差异性，屏蔽系统短板效应带来的一系列电池应用问题，如系统有效容量、可靠性和安全性等问题。此外，基于软件定义电池能量交换系统构建的梯次利用动力电池自动巡检和智能管控云平台可以对电池单体或模组进行双向细粒度能量管控，实现电池运维和能量调度的自动化、网络化及智能化。因此，数字无损梯次利用几乎是当前唯一一种可以解决退役动力电池低成本安全高效梯次利用的方法。