数字储能系统

慈松

(1.美国内布拉斯加大学林肯分校,美国 内布拉斯加州 林肯市 68588;2.清华大学,北京市 海淀区 100084)

摘要

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。

关键词 : 能量信息化;储能系统;能源互联网;云储能

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

2 基于可重构电池网络的数字储能系统架构

如前所述,数字储能系统是以高频电池能量交换背板为基础构建的可重构大规模电池能量交换硬件系统,以动态可重构电池网络控制器为基础构建本地实时控制的智能软件系统,以软件定义的可编程接口为基础实现广域协同和能量云平台的新型信息物理能量系统[4],这种“自下而上”的设计思路,贯通了电池单体与应用需求之间的各个环节,形成了基于云和大数据及智能硬件的一体化新型数字储能系统。接下来本文将详细讨论系统的主要组成部分。

2.1 动态可重构电池网络

动态可重构电池网络是数字储能系统的核心单元,其架构如图4所示。大规模可重构电池网络的设计和运行实质是复杂网络的动态优化和控制问题,而电池网络最优拓扑的动态生成是影响大规模复杂网络特性的重要因素。要解决大规模动态电池网络优化问题,实现对电池网络的细粒度高效管控,需要实时掌握网络节点的特性和状态及由网络节点构成的不同网络拓扑的特性和性能,继而通过网络拓扑的动态重构实现电池储能系统性能的整体优化[5-8]

图4 数字电池储能系统架构
Fig.4 Digital battery energy storage system architecture

具体来说,在动态可重构电池网络单元中,通过电池能量交换背板对每个电池单体或模块的电流、电压和温度等信息进行实时测量,电池网络控制器可以在线精确估算电池的的健康状态(state of health,SOH)和荷电状态(state of charge,SOC)等状态信息,然后分析形成电池网络拓扑的最优控制策略,最后通过电池能量交换背板实现当前时刻最优电池网络拓扑。与互联网中的分布式组网类似,多个可重构电池网络系统可以进一步构成更大规模的动态可重构电池网络,使得快速构建任意规模的数字电池储能系统成为可能[9]

传统电池管理系统(battery management system,BMS)与电池能量交换系统的比较如图5所示。由于在可重构电池网络中电池单体或模块之间的串并联拓扑可根据电池运行状况、负载需求、安全阈值等条件进行细粒度动态重构,实现了模拟电池能量流的离散化和数字化,从理论上解决了电池系统的短板效应问题,因此极大提升了电池系统的有效容量、循环寿命、安全性和可靠性,与传统电池管理系统有着本质区别,对贯穿电池行业产业链和价值链具有重大意义。

2.2 软件定义复合储能系统

如前所述,储能系统的功能定义和性能指标应与用户需求匹配。然而,受限于目前电池电化学体系和性能上的限制,在储能实际应用中尚无法采用一套物理储能系统同时满足功率型和能量型的应用,这种情况加大了储能系统的建造成本和部署难度。通过能量信息化技术,可以实现异构储能介质的数字化混用以解决储能介质体系和种类有限与用户需求多样性之间的矛盾,提升储能系统的整体经济性、能量密度和功率密度。

软件定义复合储能与信息存储体系的对照逻辑关系如图6所示,类比于信息存储体系中从顶端的寄存器到底端的云存储,不同信息存储介质的单位成本是快速递减的,但存储介质的存取时延是不断增大的。通过信息存储介质的数字化和虚拟化(格式化),不同信息存储介质可以无缝融合在一起使用,共同支撑起各类计算任务对信息存储的要求。同样在能源互联网中,不同性质的能量存储介质适用于不同储能应用需求。基于能量信息化技术,可以针对不同储能应用需求,将多种物理化学性质迥异的储能介质进行数字化混用,实现一套物理储能系统同时满足多种储能应用需求,实现储能系统的价值最大化。

图5 传统电池管理系统与电池能量交换系统的比较
Fig.5 Comparison between traditional battery management system and battery energy exchange system

图6 软件定义复合储能与信息存储体系的对照逻辑关系
Fig.6 Comparison of software defined composite energy storage and information storage system

软件定义复合储能的提出对解决目前电池行业自身问题提供了新思路和新方法。目前,电池材料能量密度的发展严重滞后于电池系统应用需求,并且单一类型电池难以满足多样化应用需求以及负载动态变化。通过开发软件定义电池储能系统可以把不同厂家、不同批次、不同种类、不同电化学特性的储能介质集成到一个储能系统中,通过数字化能量管控系统来选择不同类型的储能介质以适应负荷和工况的变化。在许多储能应用场景中,由于负荷是时变的,需要储能系统在不同工况下提供不同的输出功率。例如,电动汽车在加速时和平稳行驶时需要的电池系统功率输出会有数倍或数十倍的差异;又如,电力系统通常需要电池储能系统用于调峰(能量型)或调频(功率型)等应用场景。传统的电池储能系统解决方案通常采用同厂家同批次同型号的电池单体组成电池系统,然而这样做的问题是如此构建的电池系统要么适用于功率型应用,要么适用于能量型应用,很难满足复杂应用需求。因此,传统电池系统在功率或容量方面采用超配的方式来满足应用需求的多样性,这不仅造成了电池系统成本高、体积大、重量大的问题,也造成了电池资源浪费的问题。针对此类问题,采用软件定义数字电池储能系统可以将功率型电池(如钛酸锂、三元锂电池等)和能量型电池(如磷酸铁锂、铅酸电池、铅碳电池等)及其他能量存储载体(如超级电容器等)无缝集成到一起形成一个高效储能供电系统,满足了不同工况对电池系统输出功率和工作时间的多样性要求,从而极大提升了电池系统的整体性能,并极大降低了电池系统的单位成本。

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。

3.3 结论和讨论

图9 传统电池系统与数字储能系统充电特性比较(测试基于64只退役动力电池单体)
Fig.9 Charging comparison between traditional battery system and digital energy storage system (test based on 64 decommissioned battery cells).

图10 传统电池系统与数字储能系统放电特性比较
Fig.10 Discharging comparison between traditional battery system and digital energy storage system.

基于上述应用案例,可以看到基于能量数字化和信息化处理技术的数字电池储能系统与传统模拟电池有着本质上的不同,是电池应用领域的范式创新。由于采用可重构电池网络,电池本体物理化学差异性与电池应用场景需求实现了彻底分离,因此数字电池系统将比模拟电池系统具有更高的可靠性和安全性及更长的系统循环寿命。从另一方面看,数字储能作为一种范式创新,必然面临着一系列理论和应用方面的问题和不足,如性能优化、系统成本、应用场景和用户体验等。数字储能系统在一些应用场景下的大规模推广离不开产业界的紧密配合,例如数字储能系统在电动汽车上的推广应用必然会改变目前电动汽车电池系统的成本构成、运营模式和系统结构设计,这些必然需要电池生产厂商和整车设计及生产厂商的支持和配合。

然而,通过采用超大规模集成电路(very large scale integration,VLSI)技术和高频电力电子半导体技术,数字电池能量交换系统的成本将符合摩尔定律的产业规律,随着大规模普及,其成本必将呈现几何级数快速下降,因此数字储能实质上是通过利用摩尔定律克服电池本体问题的新方法、新技术。值得指出的是,电池能量交换背板采用的低压电力电子半导体开关器件(40 V以下)近年来随着出货量增大,价格快速下降(平均单价0.5元),性能极大提升(通流能力达到数百安,内阻小于1 mΩ),随着电池能量交换系统的大规模普及,其平准化成本(levelized cost)将达到每次度电成本0.1元以下。

数字系统取代传统模拟系统是技术演进的明确方向,也是第三次工业革命和工业4.0的核心技术路径。信息通信和互联网领域在过去的数十年的发展路径已经证明了这一论断。摩尔定律作为数字系统的核心产业规律必将对能源行业和能源互联网的发展产生巨大而深远的影响。

4 总结与展望

数字储能颠覆了电池系统构建范式,将传统模拟电池系统转变为数字电池系统,进而将电池能量变为信息互联网中可视可管的一种新型网络资源,实现电池储能系统中能量流与信息流的深度融合,使得储能电站基于共享经济的轻资产建设方式和互联网+电池的后付费服务模式成为可能。通过数字储能构建软件定义复合储能系统实现异构储能介质的数字化复用,解决了电池种类有限和用户需求多样的矛盾,并且极大降低了成本和部署难度。数字电池系统与互联网业态的无缝融合可以支撑低成本电池储能系统的能量云服务,催生用户侧新型售电业务的发展。值得指出的是,作为电池应用的范式创新,数字储能的未来发展需要进一步研究信息能量同频处理、多尺度物理信息能量耦合、高维度非线性优化、大规模低成本可重构电池能量交换背板设计、高效数字储能系统的系统集成和能量管控等核心科学和技术问题,以及基于能源互联网的数字电池储能系统的后付费建设和运营模式。能源互联网的发展离不开摩尔定律对传统能源行业的渗透和改造,数字储能系统必将替代模拟储能系统成为“互联网+电池”商业模式的信息物理基础设施。

参考文献

[1]周孝信. 期望2030年初步建成新一代能源系统[J]. 中国战略新兴产业,2017(13):94-94.Zhou Xiaoxin. Expect to Initially Build a New Generation of Energy Systems by 2030[J]. China Strategic Emerging Industry, 2017(13): 94-94 (in Chinese).

[2]周孝信,曾嵘,高峰,等. 能源互联网的发展现状与展望[J]. 中国科学:信息科学,2017, 47(02):149-170.Zhou Xiaoxin, Zeng Rong, Gao Feng, et al. Development Status and Prospects of the Energy Internet[J]. Scientia Sinica(Informationis), 2017, 47(02): 149-170 (in Chinese).

[3]慈松. 能量信息化和互联网化管控技术及其在分布式电池储能系统中的应用[J]. 中国电机工程学报,2015, 35(14):3643-3648.Ci Song. Energy Informatization and Internet-based Management and Its Applications in Distributed Energy Storage System[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(14):3643-3648 (in Chinese).

[4]慈松,李宏佳,陈鑫,等. 能源互联网重要基础支撑:分布式储能技术的探索与实践[J]. 中国科学:信息科学,2014, 4(6):762-773.Ci Song, Li Hongjia, Chen Xin, et al. The Cornerstone of Energy Internet: Research and Practice of Distributed Energy Storage Technology[J]. Scientia Sinica(Informationis), 2017,47(02): 149-170 (in Chinese).

[5]慈松,周杨林,林倪. 软件定义可重构电池系统及其应用[J]. 中国材料进展,2017, 36(10):694-699.Ci Song, Zhou Yanglin, Lin Ni. Software-Defined Reconfigurable Battery System and Its Applications[J].Materials China, 2017, 36(10):694-699 (in Chinese).

[6]康重庆,刘静琨,张宁. 未来电力系统储能的新形态:云储能[J]. 电力系统自动化,2017, 41(21):2-8.Kang Chongqing, Liu Jingkun, Zhang Ning. A New Form of Energy Storage in Future Power System: Cloud Energy Storage[J]. Automation of Electric Power Systems, 2017,41(21): 2-8 (in Chinese).

[7]A. K. Panda, R. K. Parida, N. C. Agrawala, et al. Comparative Study on the High-Bandgap Material (GaN and SiC)-Based Impact Avalanche Transit Time Device [J]. IET Microwaves,Antennas & Propagation, 2008, 2(8): 789-793.

[8]N. Lin, S. Ci, D. Wu, et al. An Optimization Framework for Dynamically Reconfigurable Battery Systems [J]. IEEE Transactions on Energy Conversion (To be appeared).

[9]S. Ci, Ni. Lin, D. Wu, Reconfigurable Battery Techniquesand Systems: A Survey [J]. IEEE Acess, 2016(4): 1175-1189.

Digital Energy Storage System

CI Song
(1. University of Nebraska-Lincoln, NE 68588, USA;2. Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China)

Abstract:In the energy internet era, battery energy storage systems will be widely used in various industrial, commercial and residential application scenarios, such as renewable energy harvesting, electric vehicles, uninterrupted power supply.Therefore, the key performance metrics of battery energy storage systems in terms of efficiency, reliability and safety are crucial to the successful deployments. However, the mismatched relationship between battery cell difference and fixed battery cell topology makes multi-cell battery systems suffer from the Liebig’s law of minimum, a.k.a. the barrel effect, which will significantly reduce the cycle life, safety, reliability and usable capacity of a battery energy storage system. In recent years, with the fast-pacing development of power electronics semiconductors such as Wide Band Gap devices SiC and GaN,which allow energy processing operations at high switching speed, high voltage, and feverish temperature, thanks to their outstanding material properties. By using high switching speed power semiconductors to develop a battery energy switching backplane, digital battery energy processing becomes feasible,transforming traditional analog energy storage systems into digital programmed-controlled energy storage systems, which can be further integrated with the existing Internet ecosystem seamlessly and support “Internet+Battery” energy service model.In this paper, we will describe the novel design framework of digital energy storage systems followed by two real-world case studies. Experimental results show the effectiveness and efficiency of digital energy storage systems.

Keywords:digital energy processing; energy storage system;energy internet; cloud energy storage


慈松

作者简介:慈松(1970),男,博士,美国内布拉斯加大学林肯分校副教授终身教职,清华大学电机系特聘研究员,国家能源局中国能源互联网发展战略研究课题组首席科学家,国家能源局能源互联网行动计划预研课题组负责人,主要从事大规模复杂系统建模与优化理论及其在能源互联网、绿色通信与计算和移动互联网的应用等方面研究工作。E-mail:sci@unl.edu。

(责任编辑 张宇)

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