面向能源互联网的数字储能系统

在能源互联网时代，电池储能系统将被广泛用于各种工业、商业和居民场景，如可再生能源、电动汽车和不间断电源等。因此，电池储能系统的效率、可靠性和安全性等主要性能指标对储能系统成功商业化部署至关重要。然而，电池单体差异性与固定串并联的电池成组方式之间的不匹配关系所形成的大规模电池成组中的莱比锡最小因子效应，即木桶短板效应，极大损害了电池储能系统，尤其是大规模电池储能系统的循环寿命、安全性、可靠性和有效容量。近年来，归功于材料科学的发展，高频电力电子开关器件日益普及，成本也日益降低。通过研发基于高频开关器件的电池能量交换背板，对电池模拟能量流进行高速离散化和数字化处理，从而将电池单体之间的硬连接方式转变为程序控制的柔性连接方式，进而将模拟电池储能系统转变为数字电池储能系统，实现与信息互联网业态无缝融合，支撑互联网+电池的共享经济模式的P2P能量运营。本文将系统阐述新型数字储能系统的设计框架和相关行业应用。

0 引言

能源互联网是一种将互联网与能源生产、传输、存储、消费以及能源市场深度融合的能源产业发展新形态。能源互联网通过信息物理深度融合技术重新定义传统相对独立的不同类型能源系统边界，构成以电力系统为核心的新型综合能源供给利用体系，进而有效解决大量双向电源接入，负荷的多样性、随机性、突发性，能源资产闲置和能源投资利用率不高，电能替代过程中的电能质量、分布式可再生能源波动性等核心行业问题，彻底改变我国能源生产和消费模式，实现能源清洁高效、安全便捷和可持续利用，从根本上保障国家能源安全[1-2]。

储能可以实现发电曲线与负荷曲线间的快速动态匹配，因此具有平抑波动、匹配供需、削峰填谷、提高供电质量的功能，是构建能源互联网的核心装置。2016年国家发改委、能源局、工信部联合发布了《关于推进“互联网+”智慧能源(能源互联网)发展的指导意见》(发改能源〔2016〕392号，简称“指导意见”)中多处提及推动储能产业发展，并对储能产业进行了新的定义，提出了集中式和分布式储能应用，赋予了能源更丰富的应用方式。此外，电力储能可以通过电能的线上线下互动交易构建电能的批发和现货市场，夯实“互联网+售电”的能源互联网装备基础，从而有力支撑了《中共中央国务院关于进一步深化电力体制改革的若干意见》(中发〔2015〕9号)和发改委《关于推进售电侧改革的实施意见》的贯彻执行。

然而需要看到的是，尽管近年来储能介质技术发展突飞猛进，行业应用和装机规模呈现出几何级数的增长，储能领域依然存在着政策标准缺失、单位系统成本高、信息化水平低、用户体验差、缺乏可复制的商业模式等一系列问题，严重阻碍了储能作为一个新兴产业的快速发展。2017年10月国家能源局《关于促进储能产业与技术发展的指导意见》正式发布，指导意见为解决这些问题提供了一系列很好的思路和方法，其中最为重要的一点就是提高储能系统的信息化管控水平，构建储能共建共享的新业态，支撑能源互联网的发展。

从技术发展升级换代层面看，现有储能系统本质上是模拟系统，其核心特征为模拟连续的能量流，并且储能系统中模拟能量流和数字信息流是在不同时空尺度上相互独立存在和运行的，缺乏能量流与信息流相同尺度上的深度融合。以目前发展速度最为迅猛的电池储能系统为例，电池储能系统中的连续能量流通过固定串并联能量回路，而电池管理系统则是叠加在固定串并联能量回路上的数字系统，形成能量和信息处理不匹配的“叠加性”问题。由于缺乏能量流和信息流在相同时空尺度上的互动和管控，电池储能系统会出现“短板效应”，进而极大影响了电池储能系统的性能，突出问题表现为用户体验到的系统循环寿命远低于单体电芯的循环寿命，单位电量转移的系统成本过高，无法形成不依赖于补贴的电池储能商业模式。因此，如同其他行业中模拟系统向数字系统的演进路径一样，储能系统向数字时代迈进的趋势是不可避免的。通过能量信息化技术促进储能系统技术与信息技术的深度融合，实现储能系统的数字化和软件定义化，进而与云计算和大数据等互联网技术紧密融合，实现储能系统的互联网化管控，提高储能系统运维的自动化程度和储能资源的利用效率，充分发挥储能系统在能源互联网中的多元化作用。

此外，储能系统的数字化和软件定义化还可以盘活利用碎片化闲置储能资源，构建基于能源互联网的共建共享储能商业新模式。例如，目前用户侧存在数亿kWh的分散闲置电池储能资源，如电动汽车动力电池、通信基站电池、各种不间断电源(uninterruptible power supply，UPS)电池、梯次利用电池等。通过采用电池能量交换系统和电池能量管控云平台等能源互联网的核心装备，可以将海量的碎片化闲置电池储能资源盘活为电网可以调度利用的大规模分布式储能系统，实现基于“虚拟电厂”的配电网储能系统。通过基于共享经济模式的闲散电池资产的细粒度复用和共用，极大降低了电池储能系统的单位成本和运维成本，催生出“互联网+电池”的储能系统的后付费共享商业模式，有力支撑了储能系统的推广应用和能源互联网的发展。

本文将系统地阐述数字电池储能系统的基本原理和方法，尤其是基于能量流和信息流紧密融合的数字电池系统设计理论和系统架构相关行业应用。本文第一节论述了能量信息化处理的原理和方法;第二节论述了基于可重构电池网络的数字电池储能系统工作原理和信息与能量耦合控制机制;第三节介绍了数字储能系统的应用案例并对系统成本、可靠性、安全性等进行了讨论;第四节对全文进行了总结。

1 能量信息化处理

能量信息化是能量信息融合技术的基础与核心，同时也是能源系统提高能效、实现多能协同互补利用的核心技术[3]。传统能源系统需要实现从模拟系统到数字系统的转变，即需要在物理上把模拟能量流进行离散化和数字化，将能量转化成与计算资源、带宽资源以及存储资源一样，进行灵活的管理与调控，实现未来个性化定制的能量运营服务。

能源信息化的可行性依赖于先进电力电子技术与信息通信技术的快速发展，其物理基础是基于片上系统的数字能量控制器和高速电力电子开关器件的数字电池能量交换系统，高频电力电子开关器件的比较如图1所示。

在数字化电池能量交换系统中，模拟能量流被以网络化连接的高频MOSFET电力电子开关离散化成为时间序列上的“能量片”(energy slice)，离散化后的“能量片”上附加其他信息数据，如电池资产的所有者、电池电荷状态、电池健康状态等信息。通过采用程序控制的电池网络控制器对来自不同电芯的“能量片”进行重组和优化，去除电池能量产生和使用过程中的不确定性和非线性，彻底屏蔽了电池物理和化学上的差异性，克服短板效应，进而提升了电池储能系统性能，可重构电池网络对电池管理技术的范式创新原理图如图2所示。

图1 高频电力电子开关器件比较

Fig.1 Comparison of high frequency power electronic switching devices

电池能量信息化技术带来的另一个革命性变化就是通过电池能量交换系统将传统模拟电池系统“格式化”为数字储能资产，从而将电池能量变为互联网可视可管的网络资源，进而无缝地融入互联网业态。可以通过数字储能技术盘活闲散电池存量资产，突破地域分布的限制，有效整合各种形态和特性的备用电池储能资产，提升能源投资和资产利用率，实现共享经济模式下的储能系统建设和运营，进而推动“互联网+电池”的能量服务模式。基于数字储能系统的虚拟电厂如图3所示

图2 可重构电池网络对电池管理技术的范式创新原理图

Fig.2 Reconfigurable battery network paradigm innovation for battery management technology

图3 基于数字储能系统的虚拟电厂

Fig.3 Virtual power plant based on digital energy storage system