在能源互聯(lián)網(wǎng)時代，電池儲能系統(tǒng)將被廣泛用于各種工業(yè)、商業(yè)和居民場景，如可再生能源、電動汽車和不間斷電源等。因此，電池儲能系統(tǒng)的效率、可靠性和安全性等主要性能指標(biāo)對儲能系統(tǒng)成功商業(yè)化部署至關(guān)重要。然而，電池單體差異性與固定串并聯(lián)的電池成組方式之間的不匹配關(guān)系所形成的大規(guī)模電池成組中的萊比錫最小因子效應(yīng)，即木桶短板效應(yīng)，極大損害了電池儲能系統(tǒng)，尤其是大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)的循環(huán)壽命、安全性、可靠性和有效容量。近年來，歸功于材料科學(xué)的發(fā)展，高頻電力電子開關(guān)器件日益普及，成本也日益降低。通過研發(fā)基于高頻開關(guān)器件的電池能量交換背板，對電池模擬能量流進(jìn)行高速離散化和數(shù)字化處理，從而將電池單體之間的硬連接方式轉(zhuǎn)變?yōu)槌绦蚩刂频娜嵝赃B接方式，進(jìn)而將模擬電池儲能系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電池儲能系統(tǒng)，實現(xiàn)與信息互聯(lián)網(wǎng)業(yè)態(tài)無縫融合，支撐互聯(lián)網(wǎng)+電池的共享經(jīng)濟模式的P2P能量運營。本文將系統(tǒng)闡述新型數(shù)字儲能系統(tǒng)的設(shè)計框架和相關(guān)行業(yè)應(yīng)用。

0 引言

能源互聯(lián)網(wǎng)是一種將互聯(lián)網(wǎng)與能源生產(chǎn)、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合的能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展新形態(tài)。能源互聯(lián)網(wǎng)通過信息物理深度融合技術(shù)重新定義傳統(tǒng)相對獨立的不同類型能源系統(tǒng)邊界，構(gòu)成以電力系統(tǒng)為核心的新型綜合能源供給利用體系，進(jìn)而有效解決大量雙向電源接入，負(fù)荷的多樣性、隨機性、突發(fā)性，能源資產(chǎn)閑置和能源投資利用率不高，電能替代過程中的電能質(zhì)量、分布式可再生能源波動性等核心行業(yè)問題，徹底改變我國能源生產(chǎn)和消費模式，實現(xiàn)能源清潔高效、安全便捷和可持續(xù)利用，從根本上保障國家能源安全[1-2]。

儲能可以實現(xiàn)發(fā)電曲線與負(fù)荷曲線間的快速動態(tài)匹配，因此具有平抑波動、匹配供需、削峰填谷、提高供電質(zhì)量的功能，是構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)的核心裝置。2016年國家發(fā)改委、能源局、工信部聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源(能源互聯(lián)網(wǎng))發(fā)展的指導(dǎo)意見》(發(fā)改能源〔2016〕392號，簡稱“指導(dǎo)意見”)中多處提及推動儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并對儲能產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了新的定義，提出了集中式和分布式儲能應(yīng)用，賦予了能源更豐富的應(yīng)用方式。此外，電力儲能可以通過電能的線上線下互動交易構(gòu)建電能的批發(fā)和現(xiàn)貨市場，夯實“互聯(lián)網(wǎng)+售電”的能源互聯(lián)網(wǎng)裝備基礎(chǔ)，從而有力支撐了《中共中央國務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見》(中發(fā)〔2015〕9號)和發(fā)改委《關(guān)于推進(jìn)售電側(cè)改革的實施意見》的貫徹執(zhí)行。

然而需要看到的是，盡管近年來儲能介質(zhì)技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，行業(yè)應(yīng)用和裝機規(guī)模呈現(xiàn)出幾何級數(shù)的增長，儲能領(lǐng)域依然存在著政策標(biāo)準(zhǔn)缺失、單位系統(tǒng)成本高、信息化水平低、用戶體驗差、缺乏可復(fù)制的商業(yè)模式等一系列問題，嚴(yán)重阻礙了儲能作為一個新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。2017年10月國家能源局《關(guān)于促進(jìn)儲能產(chǎn)業(yè)與技術(shù)發(fā)展的指導(dǎo)意見》正式發(fā)布，指導(dǎo)意見為解決這些問題提供了一系列很好的思路和方法，其中最為重要的一點就是提高儲能系統(tǒng)的信息化管控水平，構(gòu)建儲能共建共享的新業(yè)態(tài)，支撐能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

從技術(shù)發(fā)展升級換代層面看，現(xiàn)有儲能系統(tǒng)本質(zhì)上是模擬系統(tǒng)，其核心特征為模擬連續(xù)的能量流，并且儲能系統(tǒng)中模擬能量流和數(shù)字信息流是在不同時空尺度上相互獨立存在和運行的，缺乏能量流與信息流相同尺度上的深度融合。以目前發(fā)展速度最為迅猛的電池儲能系統(tǒng)為例，電池儲能系統(tǒng)中的連續(xù)能量流通過固定串并聯(lián)能量回路，而電池管理系統(tǒng)則是疊加在固定串并聯(lián)能量回路上的數(shù)字系統(tǒng)，形成能量和信息處理不匹配的“疊加性”問題。由于缺乏能量流和信息流在相同時空尺度上的互動和管控，電池儲能系統(tǒng)會出現(xiàn)“短板效應(yīng)”，進(jìn)而極大影響了電池儲能系統(tǒng)的性能，突出問題表現(xiàn)為用戶體驗到的系統(tǒng)循環(huán)壽命遠(yuǎn)低于單體電芯的循環(huán)壽命，單位電量轉(zhuǎn)移的系統(tǒng)成本過高，無法形成不依賴于補貼的電池儲能商業(yè)模式。因此，如同其他行業(yè)中模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)的演進(jìn)路徑一樣，儲能系統(tǒng)向數(shù)字時代邁進(jìn)的趨勢是不可避免的。通過能量信息化技術(shù)促進(jìn)儲能系統(tǒng)技術(shù)與信息技術(shù)的深度融合，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的數(shù)字化和軟件定義化，進(jìn)而與云計算和大數(shù)據(jù)等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)緊密融合，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)化管控，提高儲能系統(tǒng)運維的自動化程度和儲能資源的利用效率，充分發(fā)揮儲能系統(tǒng)在能源互聯(lián)網(wǎng)中的多元化作用。

此外，儲能系統(tǒng)的數(shù)字化和軟件定義化還可以盤活利用碎片化閑置儲能資源，構(gòu)建基于能源互聯(lián)網(wǎng)的共建共享儲能商業(yè)新模式。例如，目前用戶側(cè)存在數(shù)億kWh的分散閑置電池儲能資源，如電動汽車動力電池、通信基站電池、各種不間斷電源(uninterruptible power supply，UPS)電池、梯次利用電池等。通過采用電池能量交換系統(tǒng)和電池能量管控云平臺等能源互聯(lián)網(wǎng)的核心裝備，可以將海量的碎片化閑置電池儲能資源盤活為電網(wǎng)可以調(diào)度利用的大規(guī)模分布式儲能系統(tǒng)，實現(xiàn)基于“虛擬電廠”的配電網(wǎng)儲能系統(tǒng)。通過基于共享經(jīng)濟模式的閑散電池資產(chǎn)的細(xì)粒度復(fù)用和共用，極大降低了電池儲能系統(tǒng)的單位成本和運維成本，催生出“互聯(lián)網(wǎng)+電池”的儲能系統(tǒng)的后付費共享商業(yè)模式，有力支撐了儲能系統(tǒng)的推廣應(yīng)用和能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

本文將系統(tǒng)地闡述數(shù)字電池儲能系統(tǒng)的基本原理和方法，尤其是基于能量流和信息流緊密融合的數(shù)字電池系統(tǒng)設(shè)計理論和系統(tǒng)架構(gòu)相關(guān)行業(yè)應(yīng)用。本文第一節(jié)論述了能量信息化處理的原理和方法;第二節(jié)論述了基于可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字電池儲能系統(tǒng)工作原理和信息與能量耦合控制機制;第三節(jié)介紹了數(shù)字儲能系統(tǒng)的應(yīng)用案例并對系統(tǒng)成本、可靠性、安全性等進(jìn)行了討論;第四節(jié)對全文進(jìn)行了總結(jié)。

1 能量信息化處理

能量信息化是能量信息融合技術(shù)的基礎(chǔ)與核心，同時也是能源系統(tǒng)提高能效、實現(xiàn)多能協(xié)同互補利用的核心技術(shù)[3]。傳統(tǒng)能源系統(tǒng)需要實現(xiàn)從模擬系統(tǒng)到數(shù)字系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，即需要在物理上把模擬能量流進(jìn)行離散化和數(shù)字化，將能量轉(zhuǎn)化成與計算資源、帶寬資源以及存儲資源一樣，進(jìn)行靈活的管理與調(diào)控，實現(xiàn)未來個性化定制的能量運營服務(wù)。

能源信息化的可行性依賴于先進(jìn)電力電子技術(shù)與信息通信技術(shù)的快速發(fā)展，其物理基礎(chǔ)是基于片上系統(tǒng)的數(shù)字能量控制器和高速電力電子開關(guān)器件的數(shù)字電池能量交換系統(tǒng)，高頻電力電子開關(guān)器件的比較如圖1所示。

在數(shù)字化電池能量交換系統(tǒng)中，模擬能量流被以網(wǎng)絡(luò)化連接的高頻MOSFET電力電子開關(guān)離散化成為時間序列上的“能量片”(energy slice)，離散化后的“能量片”上附加其他信息數(shù)據(jù)，如電池資產(chǎn)的所有者、電池電荷狀態(tài)、電池健康狀態(tài)等信息。通過采用程序控制的電池網(wǎng)絡(luò)控制器對來自不同電芯的“能量片”進(jìn)行重組和優(yōu)化，去除電池能量產(chǎn)生和使用過程中的不確定性和非線性，徹底屏蔽了電池物理和化學(xué)上的差異性，克服短板效應(yīng)，進(jìn)而提升了電池儲能系統(tǒng)性能，可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)對電池管理技術(shù)的范式創(chuàng)新原理圖如圖2所示。

圖1 高頻電力電子開關(guān)器件比較

Fig.1 Comparison of high frequency power electronic switching devices

電池能量信息化技術(shù)帶來的另一個革命性變化就是通過電池能量交換系統(tǒng)將傳統(tǒng)模擬電池系統(tǒng)“格式化”為數(shù)字儲能資產(chǎn)，從而將電池能量變?yōu)榛ヂ?lián)網(wǎng)可視可管的網(wǎng)絡(luò)資源，進(jìn)而無縫地融入互聯(lián)網(wǎng)業(yè)態(tài)?？梢酝ㄟ^數(shù)字儲能技術(shù)盤活閑散電池存量資產(chǎn)，突破地域分布的限制，有效整合各種形態(tài)和特性的備用電池儲能資產(chǎn)，提升能源投資和資產(chǎn)利用率，實現(xiàn)共享經(jīng)濟模式下的儲能系統(tǒng)建設(shè)和運營，進(jìn)而推動“互聯(lián)網(wǎng)+電池”的能量服務(wù)模式?；跀?shù)字儲能系統(tǒng)的虛擬電廠如圖3所示

圖2 可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)對電池管理技術(shù)的范式創(chuàng)新原理圖

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

圖3 基于數(shù)字儲能系統(tǒng)的虛擬電廠

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

2 基于可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字儲能系統(tǒng)架構(gòu)

如前所述，數(shù)字儲能系統(tǒng)是以高頻電池能量交換背板為基礎(chǔ)構(gòu)建的可重構(gòu)大規(guī)模電池能量交換硬件系統(tǒng)，以動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)控制器為基礎(chǔ)構(gòu)建本地實時控制的智能軟件系統(tǒng)，以軟件定義的可編程接口為基礎(chǔ)實現(xiàn)廣域協(xié)同和能量云平臺的新型信息物理能量系統(tǒng)[4]，這種“自下而上”的設(shè)計思路，貫通了電池單體與應(yīng)用需求之間的各個環(huán)節(jié)，形成了基于云和大數(shù)據(jù)及智能硬件的一體化新型數(shù)字儲能系統(tǒng)。接下來本文將詳細(xì)討論系統(tǒng)的主要組成部分。

2.1 動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)

動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)是數(shù)字儲能系統(tǒng)的核心單元，其架構(gòu)如圖4所示。大規(guī)?？芍貥?gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和運行實質(zhì)是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)優(yōu)化和控制問題，而電池網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)拓?fù)涞膭討B(tài)生成是影響大規(guī)模復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特性的重要因素。要解決大規(guī)模動態(tài)電池網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題，實現(xiàn)對電池網(wǎng)絡(luò)的細(xì)粒度高效管控，需要實時掌握網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的特性和狀態(tài)及由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點構(gòu)成的不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞奶匦院托阅?，繼而通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)重構(gòu)實現(xiàn)電池儲能系統(tǒng)性能的整體優(yōu)化[5-8]。

圖4 數(shù)字電池儲能系統(tǒng)架構(gòu)

Fig.4 Digital battery energy storage system architecture

具體來說，在動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)單元中，通過電池能量交換背板對每個電池單體或模塊的電流、電壓和溫度等信息進(jìn)行實時測量，電池網(wǎng)絡(luò)控制器可以在線精確估算電池的的健康狀態(tài)(state of health，SOH)和荷電狀態(tài)(state of ge，SOC)等狀態(tài)信息，然后分析形成電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖顑?yōu)控制策略，最后通過電池能量交換背板實現(xiàn)當(dāng)前時刻最優(yōu)電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。與互聯(lián)網(wǎng)中的分布式組網(wǎng)類似，多個可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以進(jìn)一步構(gòu)成更大規(guī)模的動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)，使得快速構(gòu)建任意規(guī)模的數(shù)字電池儲能系統(tǒng)成為可能[9]。

傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)(battery management system，BMS)與電池能量交換系統(tǒng)的比較如圖5所示。由于在可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)中電池單體或模塊之間的串并聯(lián)拓?fù)淇筛鶕?jù)電池運行狀況、負(fù)載需求、安全閾值等條件進(jìn)行細(xì)粒度動態(tài)重構(gòu)，實現(xiàn)了模擬電池能量流的離散化和數(shù)字化，從理論上解決了電池系統(tǒng)的短板效應(yīng)問題，因此極大提升了電池系統(tǒng)的有效容量、循環(huán)壽命、安全性和可靠性，與傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)有著本質(zhì)區(qū)別，對貫穿電池行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈和價值鏈具有重大意義。

2.2 軟件定義復(fù)合儲能系統(tǒng)

如前所述，儲能系統(tǒng)的功能定義和性能指標(biāo)應(yīng)與用戶需求匹配。然而，受限于目前電池電化學(xué)體系和性能上的限制，在儲能實際應(yīng)用中尚無法采用一套物理儲能系統(tǒng)同時滿足功率型和能量型的應(yīng)用，這種情況加大了儲能系統(tǒng)的建造成本和部署難度。通過能量信息化技術(shù)，可以實現(xiàn)異構(gòu)儲能介質(zhì)的數(shù)字化混用以解決儲能介質(zhì)體系和種類有限與用戶需求多樣性之間的矛盾，提升儲能系統(tǒng)的整體經(jīng)濟性、能量密度和功率密度。

軟件定義復(fù)合儲能與信息存儲體系的對照邏輯關(guān)系如圖6所示，類比于信息存儲體系中從頂端的寄存器到底端的云存儲，不同信息存儲介質(zhì)的單位成本是快速遞減的，但存儲介質(zhì)的存取時延是不斷增大的。通過信息存儲介質(zhì)的數(shù)字化和虛擬化(格式化)，不同信息存儲介質(zhì)可以無縫融合在一起使用，共同支撐起各類計算任務(wù)對信息存儲的要求。同樣在能源互聯(lián)網(wǎng)中，不同性質(zhì)的能量存儲介質(zhì)適用于不同儲能應(yīng)用需求?；谀芰啃畔⒒夹g(shù)，可以針對不同儲能應(yīng)用需求，將多種物理化學(xué)性質(zhì)迥異的儲能介質(zhì)進(jìn)行數(shù)字化混用，實現(xiàn)一套物理儲能系統(tǒng)同時滿足多種儲能應(yīng)用需求，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的價值最大化。

圖5 傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)與電池能量交換系統(tǒng)的比較

Fig.5 Comparison between traditional battery management system and battery energy exchange system

圖6 軟件定義復(fù)合儲能與信息存儲體系的對照邏輯關(guān)系

Fig.6 Comparison of software defined composite energy storage and information storage system

軟件定義復(fù)合儲能的提出對解決目前電池行業(yè)自身問題提供了新思路和新方法。目前，電池材料能量密度的發(fā)展嚴(yán)重滯后于電池系統(tǒng)應(yīng)用需求，并且單一類型電池難以滿足多樣化應(yīng)用需求以及負(fù)載動態(tài)變化。通過開發(fā)軟件定義電池儲能系統(tǒng)可以把不同廠家、不同批次、不同種類、不同電化學(xué)特性的儲能介質(zhì)集成到一個儲能系統(tǒng)中，通過數(shù)字化能量管控系統(tǒng)來選擇不同類型的儲能介質(zhì)以適應(yīng)負(fù)荷和工況的變化。在許多儲能應(yīng)用場景中，由于負(fù)荷是時變的，需要儲能系統(tǒng)在不同工況下提供不同的輸出功率。例如，電動汽車在加速時和平穩(wěn)行駛時需要的電池系統(tǒng)功率輸出會有數(shù)倍或數(shù)十倍的差異;又如，電力系統(tǒng)通常需要電池儲能系統(tǒng)用于調(diào)峰(能量型)或調(diào)頻(功率型)等應(yīng)用場景。傳統(tǒng)的電池儲能系統(tǒng)解決方案通常采用同廠家同批次同型號的電池單體組成電池系統(tǒng)，然而這樣做的問題是如此構(gòu)建的電池系統(tǒng)要么適用于功率型應(yīng)用，要么適用于能量型應(yīng)用，很難滿足復(fù)雜應(yīng)用需求。因此，傳統(tǒng)電池系統(tǒng)在功率或容量方面采用超配的方式來滿足應(yīng)用需求的多樣性，這不僅造成了電池系統(tǒng)成本高、體積大、重量大的問題，也造成了電池資源浪費的問題。針對此類問題，采用軟件定義數(shù)字電池儲能系統(tǒng)可以將功率型電池(如鈦酸鋰、三元鋰電池等)和能量型電池(如磷酸鐵鋰、鉛酸電池、鉛碳電池等)及其他能量存儲載體(如超級電容器等)無縫集成到一起形成一個高效儲能供電系統(tǒng)，滿足了不同工況對電池系統(tǒng)輸出功率和工作時間的多樣性要求，從而極大提升了電池系統(tǒng)的整體性能，并極大降低了電池系統(tǒng)的單位成本。

2.3 電池能量管控云平臺

隨著近年來能源和信息行業(yè)的迅猛發(fā)展，終端用戶和行業(yè)客戶對電池系統(tǒng)的管控能力提出了多種多樣的應(yīng)用需求，如細(xì)顆粒度管控與運維、高精度動態(tài)均衡、面向應(yīng)用需求的在線可編程、硬件系統(tǒng)對動態(tài)用戶需求的適應(yīng)性、基于云和大數(shù)據(jù)的電池服務(wù)等，為此在儲能系統(tǒng)數(shù)字化的基礎(chǔ)上，提出了基于云平臺的軟件定義電池能量管控系統(tǒng)。電池能量管控云平臺的實質(zhì)是就是將原來高度耦合的一體化電池硬件，如固定串并聯(lián)的電池硬件系統(tǒng)，通過標(biāo)準(zhǔn)化、抽象化(虛擬化)等信息技術(shù)手段解耦成不同的物理子系統(tǒng)，進(jìn)而圍繞這些物理子系統(tǒng)建立虛擬化軟件層，通過定義應(yīng)用編程接口(application programming interface，API)的方式實現(xiàn)原來硬件系統(tǒng)才提供的功能。通過管理控制軟件，系統(tǒng)可以自動地進(jìn)行硬件資源的部署、組合、優(yōu)化和管理，為應(yīng)用提供高度靈活性的服務(wù)。簡而言之，電池能量管控云平臺就是由軟件來驅(qū)動并控制電池硬件資源，將傳統(tǒng)固定串并聯(lián)的電池組演進(jìn)成為面向用戶需求的軟件可操控的電池智能硬件系統(tǒng)。因此，電池能量管控云平臺具備信息與能量緊密耦合的連接能力，支撐未來能源互聯(lián)網(wǎng)中電池能量服務(wù)的加載，形成“云+端”的典型架構(gòu)，具備了電池能量大數(shù)據(jù)運營等附加價值。

由于電池能量管控云平臺按應(yīng)用需求通過系統(tǒng)可編程接口或電池能量服務(wù)模式將電池硬件系統(tǒng)的管控能力開放到互聯(lián)網(wǎng)云平臺上，使終端用戶和行業(yè)客戶對其電池系統(tǒng)硬件資源實現(xiàn)多維度的軟件配置和管控，因此，電池能量管控云平臺解決了電池系統(tǒng)在設(shè)計過程中的成本與性能聯(lián)合優(yōu)化問題及其在使用過程中的適應(yīng)需求動態(tài)變化的問題，提高了系統(tǒng)的性能、效率和安全可靠性，實現(xiàn)了電池儲能資產(chǎn)的數(shù)字化、信息化和互聯(lián)化管控，使之成為一種可計量可計算的互聯(lián)網(wǎng)資源，有力支撐了“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”的應(yīng)用模式。值得指出的是電池能量管控云平臺是實現(xiàn)未來云儲能(或儲能云)的使能技術(shù)。云儲能被認(rèn)為是未來電力系統(tǒng)儲能的新形態(tài)，是一種基于已建成的現(xiàn)有電網(wǎng)的共享儲能技術(shù)，使用戶可以隨時、隨地、按需使用由集中式或分布式的儲能設(shè)施構(gòu)成的共享儲能資源，并按照使用需求支付服務(wù)費。通過大規(guī)模部署分布式電池能量交換系統(tǒng)，將用戶側(cè)現(xiàn)有的各種儲能資源(如備用電池等)數(shù)字化虛擬化為云端的數(shù)字儲能資產(chǎn)，進(jìn)而為各種用戶提供基于數(shù)字儲能資產(chǎn)的能量服務(wù)，催生基于能源互聯(lián)網(wǎng)的儲能業(yè)態(tài)。

除商業(yè)模式外，隨著儲能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，儲能系統(tǒng)的運維成本將快速上升，成為影響商業(yè)模式至關(guān)重要的因素。通過電池能量管控云平臺對電池單體或模塊進(jìn)行細(xì)粒度的管控和維護(hù)可以極大降低運維成本和系統(tǒng)有效運行時間。同時，還可以對電池單體或模塊狀態(tài)進(jìn)行細(xì)粒度感知，進(jìn)而在考慮到電網(wǎng)實時電價、用戶負(fù)荷、電池容量和健康狀態(tài)及安全閾值等邊界條件的前提下動態(tài)生成儲能系統(tǒng)高效安全運行控制策略，并與電網(wǎng)能量調(diào)度系統(tǒng)實時互動。

3 數(shù)字儲能系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 面向數(shù)據(jù)中心的軟件定義數(shù)字儲能系統(tǒng)

備用電源在各種通信系統(tǒng)中占有重要地位，是保障主營業(yè)務(wù)正常運行的必備保障條件。然而，目前備用電源普遍存在著建設(shè)投資和運維成本高、運行效率低、安全性和可靠性差、單位能量和功率密度低等痛點問題。而且，隨著電網(wǎng)供電質(zhì)量的顯著提升，現(xiàn)有備用電源的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范已經(jīng)無法適應(yīng)運營商的需求和要求。因此，新型備用電源架構(gòu)的設(shè)計和實施勢在必行。

隨著互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)量的爆炸式增長，作為互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)源頭的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(internet data center，IDC)的數(shù)量與規(guī)模在全球范圍內(nèi)急速膨脹。數(shù)據(jù)中心的急速發(fā)展帶來了嚴(yán)重的能耗問題，一個大型IDC的能耗超過美國一個中型城市的耗電量。中國的數(shù)據(jù)中心能耗正在高速增長，并顯著高于世界的平均水平。據(jù)ICT Research統(tǒng)計，2012年我國數(shù)據(jù)中心能耗高達(dá)664.5 億kWh，占當(dāng)年全國工業(yè)用電量的1.8%。2015年我國數(shù)據(jù)中心能耗高達(dá)1000 億kWh，相當(dāng)于三峽水電站當(dāng)年的發(fā)電量。造成這一現(xiàn)象的核心問題之一在于傳統(tǒng)IDC中UPS到服務(wù)器電源要經(jīng)過三次交直流轉(zhuǎn)換，其損耗占總能耗的50%左右，這部分損耗還將以熱量形式散發(fā)，造成二次能耗損失。另外，服務(wù)器通常有92%左右的時間處于空閑狀態(tài)，進(jìn)入服務(wù)器的能量利用率也十分低下，而目前IDC能效指標(biāo)計算方式中并沒有考慮此因素。除此之外，溫度、濕度等環(huán)境因素也會影響IDC的能耗。又如，基站和機房的備用電池系統(tǒng)的配置作用是保障供電安全和可靠性，在輸入電力中斷的情況下保證直流供電不間斷，蓄電池運行狀態(tài)好壞將直接影響到基站和機房直流系統(tǒng)正常、安全、可靠的運行。但是，由于基站和機房備用電源系統(tǒng)蓄電池存量大、長期處于浮充電狀態(tài)，缺少精細(xì)化管理，造成一系列效率、安全性、整組更換、人工運維成本高等問題。

因此，通過研發(fā)適用于數(shù)據(jù)中心的軟件定義數(shù)字UPS系統(tǒng)，對傳統(tǒng)備用電源供電架構(gòu)進(jìn)行革命性改進(jìn)，如圖7所示。通過采用電池能量交換系統(tǒng)，研發(fā)IDC數(shù)據(jù)中心和基站機房的分布式數(shù)字儲能供電系統(tǒng)，實現(xiàn)了備用供電系統(tǒng)的數(shù)字化和互聯(lián)網(wǎng)化能量管控。與傳統(tǒng)模擬備用供電系統(tǒng)相比，數(shù)字電池能量交換系統(tǒng)可以對備用供電系統(tǒng)中的電池單體輸出模擬能量流進(jìn)行微秒級的離散化和數(shù)字化處理和管控，通過毫秒級的電池網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)重構(gòu)保證了每一個電池單體不過充不過放，并且在微秒級隔離故障電池單體，從而極大提升了備用電池供電系統(tǒng)的有效容量、效率、安全性、可靠性和可維護(hù)性，顯著提升了備用電池儲能系統(tǒng)循環(huán)壽命(可單獨更換任一電池單體)。此外，數(shù)字儲能供電系統(tǒng)極大放寬了對電池單體一致性的要求，支持互聯(lián)網(wǎng)化自動運維巡檢和調(diào)度，降低了儲能系統(tǒng)的建設(shè)成本和運維成本，從根本上保證了備用供電系統(tǒng)的商業(yè)經(jīng)濟性。

圖7 軟件定義數(shù)字UPS系統(tǒng)

Fig.7 Software defined digital UPS system

示范系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)表明，數(shù)字儲能供電系統(tǒng)實現(xiàn)了信息流與能量流的緊密融合，從能量流、信息流和環(huán)境參數(shù)等三個方面對備用供電系統(tǒng)進(jìn)行全面感知與管控。通過采用分布式數(shù)字儲能供電系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)集中式UPS系統(tǒng)和模擬鉛酸電池系統(tǒng)，以及采用旁路式連接方式代替串入式連接方式，新系統(tǒng)可以減少兩次交直流轉(zhuǎn)換，降低10%以上的能耗，IDC的有效空間利用率提升30%左右，這些措施將大幅度提升IDC的運營收益。此外，通過采用鋰電池代替鉛酸電池，可成倍提高備用電池系統(tǒng)的有效容量、放電效率和使用壽命，在滿足備用電源要求的前提下，數(shù)字儲能供電系統(tǒng)可以用作分布式儲能系統(tǒng)，進(jìn)而從“節(jié)流”和“開源”兩個方面全面降低IDC的能耗和運營成本。同時，數(shù)字儲能供電系統(tǒng)還可以實現(xiàn)鉛酸電池和鋰離子電池數(shù)字化混用，最大程度的利用現(xiàn)有鉛酸電池的殘值，支撐從鉛酸電池到鋰電池的低成本平穩(wěn)過渡。

3.2 面向退役動力電池梯次利用的數(shù)字儲能系統(tǒng)

隨著電動汽車的大規(guī)模推廣使用，可以預(yù)見在未來幾年內(nèi)將有大批的退役動力電池。依據(jù)現(xiàn)行退役標(biāo)準(zhǔn)，退役動力電池依然具有巨大的經(jīng)濟價值和市場空間，因此在儲能需求迫切的智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。然而退役動力電池梯次利用在性能評估、分選成組、集成管控、安全與經(jīng)濟性、商業(yè)模式等方面有著大量原理性和技術(shù)性問題需要研究與解決?；跀?shù)字電池能量交換系統(tǒng)，本文提出了數(shù)字無損梯次利用方法，如圖8所示。

不同廠家、類型、批次、使用工況的動力電池退役后在健康狀態(tài)、有效容量等方面差異顯著，而目前的電池拆解、精細(xì)分選和固定串并聯(lián)重組的梯次利用方法采用的是基于電池一致性的思路，這就造成了退役動力電池規(guī)?；荽卫脮r面臨難度大、效率低、成本高等問題，進(jìn)而降低了退役動力電池再利用價值，并且難以保證梯次利用電池儲能系統(tǒng)的整體性能、安全性和經(jīng)濟性。針對上述問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列研究工作。在基礎(chǔ)理論研究方面，國內(nèi)外研究主要集中在基于電性能參數(shù)探測的健康狀態(tài)(SOH)和荷電狀態(tài)(SOC)的電池剩余容量和安全閾值評估。在梯次利用技術(shù)方面，傳統(tǒng)精選方法難以適應(yīng)海量差異化退役電池的低成本快速分選要求，而固定串并聯(lián)重組方式難以適應(yīng)退役動力電池差異性大的事實，因此傳統(tǒng)電池分選成組方法難以達(dá)到梯次利用電池儲能系統(tǒng)在整體性能、安全性和經(jīng)濟性之間的平衡。在系統(tǒng)集成管理方面，國內(nèi)外研究主要集中在電池管理系統(tǒng)高級功能擴展和電池組均衡方法以及傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)電、熱、安全管理方法在梯次利用動力電池儲能系統(tǒng)上的可用性。然而，退役動力電池參數(shù)離散度大，效率和可靠性低，發(fā)生系統(tǒng)安全事故的概率顯著增大，這些都對儲能系統(tǒng)電、熱管理提出了更為苛刻的要求。

圖8 傳統(tǒng)梯次利用與數(shù)字無損梯次利用的比較

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

與傳統(tǒng)方法不同，數(shù)字無損梯次利用方法無需將電池進(jìn)行單體層面的拆解、精選和重組，通過可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)對退役的電池單體或焊接在一起的低壓電池模塊進(jìn)行簡單電氣和外觀粗選及柔性重構(gòu)。通過數(shù)字電池能量交換系統(tǒng)，可以實現(xiàn)退役動力電池單體或模塊的精準(zhǔn)充放電均衡和微秒級故障電池精準(zhǔn)隔離，同時對電池進(jìn)行“邊用邊測邊管(on-the-go)”式的實時狀態(tài)量測和性能分析，實現(xiàn)基于可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化梯次利用退役動力電池電、熱及安全管控。從圖9和圖10可以看出數(shù)字無損梯次利用方法可以在很大程度上消除退役動力電池單體或模塊在充放電過程中的差異性，屏蔽系統(tǒng)短板效應(yīng)帶來的一系列電池應(yīng)用問題，如系統(tǒng)有效容量、可靠性和安全性等問題。此外，基于軟件定義電池能量交換系統(tǒng)構(gòu)建的梯次利用動力電池自動巡檢和智能管控云平臺可以對電池單體或模組進(jìn)行雙向細(xì)粒度能量管控，實現(xiàn)電池運維和能量調(diào)度的自動化、網(wǎng)絡(luò)化及智能化。因此，數(shù)字無損梯次利用幾乎是當(dāng)前唯一一種可以解決退役動力電池低成本安全高效梯次利用的方法。

3.3 結(jié)論和討論

圖9 傳統(tǒng)電池系統(tǒng)與數(shù)字儲能系統(tǒng)充電特性比較(測試基于64只退役動力電池單體)

Fig.9 Charging comparison between traditional battery system and digital energy storage system (test based on 64 decommissioned battery cells).

圖10 傳統(tǒng)電池系統(tǒng)與數(shù)字儲能系統(tǒng)放電特性比較

Fig.10 Disging comparison between traditional battery system and digital energy storage system.

基于上述應(yīng)用案例，可以看到基于能量數(shù)字化和信息化處理技術(shù)的數(shù)字電池儲能系統(tǒng)與傳統(tǒng)模擬電池有著本質(zhì)上的不同，是電池應(yīng)用領(lǐng)域的范式創(chuàng)新。由于采用可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)，電池本體物理化學(xué)差異性與電池應(yīng)用場景需求實現(xiàn)了徹底分離，因此數(shù)字電池系統(tǒng)將比模擬電池系統(tǒng)具有更高的可靠性和安全性及更長的系統(tǒng)循環(huán)壽命。從另一方面看，數(shù)字儲能作為一種范式創(chuàng)新，必然面臨著一系列理論和應(yīng)用方面的問題和不足，如性能優(yōu)化、系統(tǒng)成本、應(yīng)用場景和用戶體驗等。數(shù)字儲能系統(tǒng)在一些應(yīng)用場景下的大規(guī)模推廣離不開產(chǎn)業(yè)界的緊密配合，例如數(shù)字儲能系統(tǒng)在電動汽車上的推廣應(yīng)用必然會改變目前電動汽車電池系統(tǒng)的成本構(gòu)成、運營模式和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，這些必然需要電池生產(chǎn)廠商和整車設(shè)計及生產(chǎn)廠商的支持和配合。

然而，通過采用超大規(guī)模集成電路(very large scale integration，VLSI)技術(shù)和高頻電力電子半導(dǎo)體技術(shù)，數(shù)字電池能量交換系統(tǒng)的成本將符合摩爾定律的產(chǎn)業(yè)規(guī)律，隨著大規(guī)模普及，其成本必將呈現(xiàn)幾何級數(shù)快速下降，因此數(shù)字儲能實質(zhì)上是通過利用摩爾定律克服電池本體問題的新方法、新技術(shù)。值得指出的是，電池能量交換背板采用的低壓電力電子半導(dǎo)體開關(guān)器件(40 V以下)近年來隨著出貨量增大，價格快速下降(平均單價0.5元)，性能極大提升(通流能力達(dá)到數(shù)百安，內(nèi)阻小于1 mΩ)，隨著電池能量交換系統(tǒng)的大規(guī)模普及，其平準(zhǔn)化成本(levelized cost)將達(dá)到每次度電成本0.1元以下。

數(shù)字系統(tǒng)取代傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)是技術(shù)演進(jìn)的明確方向，也是第三次工業(yè)革命和工業(yè)4.0的核心技術(shù)路徑。信息通信和互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域在過去的數(shù)十年的發(fā)展路徑已經(jīng)證明了這一論斷。摩爾定律作為數(shù)字系統(tǒng)的核心產(chǎn)業(yè)規(guī)律必將對能源行業(yè)和能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展產(chǎn)生巨大而深遠(yuǎn)的影響。

4 總結(jié)與展望

數(shù)字儲能顛覆了電池系統(tǒng)構(gòu)建范式，將傳統(tǒng)模擬電池系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電池系統(tǒng)，進(jìn)而將電池能量變?yōu)樾畔⒒ヂ?lián)網(wǎng)中可視可管的一種新型網(wǎng)絡(luò)資源，實現(xiàn)電池儲能系統(tǒng)中能量流與信息流的深度融合，使得儲能電站基于共享經(jīng)濟的輕資產(chǎn)建設(shè)方式和互聯(lián)網(wǎng)+電池的后付費服務(wù)模式成為可能。通過數(shù)字儲能構(gòu)建軟件定義復(fù)合儲能系統(tǒng)實現(xiàn)異構(gòu)儲能介質(zhì)的數(shù)字化復(fù)用，解決了電池種類有限和用戶需求多樣的矛盾，并且極大降低了成本和部署難度。數(shù)字電池系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)態(tài)的無縫融合可以支撐低成本電池儲能系統(tǒng)的能量云服務(wù)，催生用戶側(cè)新型售電業(yè)務(wù)的發(fā)展。值得指出的是，作為電池應(yīng)用的范式創(chuàng)新，數(shù)字儲能的未來發(fā)展需要進(jìn)一步研究信息能量同頻處理、多尺度物理信息能量耦合、高維度非線性優(yōu)化、大規(guī)模低成本可重構(gòu)電池能量交換背板設(shè)計、高效數(shù)字儲能系統(tǒng)的系統(tǒng)集成和能量管控等核心科學(xué)和技術(shù)問題，以及基于能源互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字電池儲能系統(tǒng)的后付費建設(shè)和運營模式。能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展離不開摩爾定律對傳統(tǒng)能源行業(yè)的滲透和改造，數(shù)字儲能系統(tǒng)必將替代模擬儲能系統(tǒng)成為“互聯(lián)網(wǎng)+電池”商業(yè)模式的信息物理基礎(chǔ)設(shè)施。

參考文獻(xiàn)

[1]周孝信. 期望2030年初步建成新一代能源系統(tǒng)[J]. 中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，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，曾嶸，高峰，等. 能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 中國科學(xué)：信息科學(xué)，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. 能量信息化和互聯(lián)網(wǎng)化管控技術(shù)及其在分布式電池儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 中國電機工程學(xué)報，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，陳鑫，等. 能源互聯(lián)網(wǎng)重要基礎(chǔ)支撐：分布式儲能技術(shù)的探索與實踐[J]. 中國科學(xué)：信息科學(xué)，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，周楊林，林倪. 軟件定義可重構(gòu)電池系統(tǒng)及其應(yīng)用[J]. 中國材料進(jìn)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]康重慶，劉靜琨，張寧. 未來電力系統(tǒng)儲能的新形態(tài)：云儲能[J]. 電力系統(tǒng)自動化，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.