能源互聯網儲能技術應用研究

馬守達，楊錦成,2，崔承剛，盛晏

（1．上海電力學院自動化工程學院，上海市 楊浦區 200093；2．新奧數能科技有限公司，上海市 楊浦區 200093）

0 引言

21世紀以來，高速發展的工業以及社會使中國面臨著能源危機和環境污染雙重挑戰[1]，發展以可再生、分布式、聯起來、開放式、融進去為特征的能源互聯網至關重要[2]。各機構、企業對能源互聯網提出了不同的理解方式，美國、德國、歐盟和日本分別開展了FREEDM項目、E-Energy計劃、FINSENY項目等以加快能源轉型[3-4]；國內以智能電網為代表，發展分布式能源、多能協調互補、能源物聯網、用戶側服務等，在實現“能源互聯網”美好愿景的道路上快速前進。

發展能源互聯網需要很多關鍵技術。儲能技術是能源互聯網的重要基礎支撐。文獻[5-6]按不同分類對比分析了各種儲能技術的發展情況及相應的優缺點。文獻[7-9]從儲能技術發展情況出發，提出可能實現的儲能商業模式并搭建數學模型予以驗證。文獻[10]從發電側、輸電側及配電側分別分析了電池儲能系統的功能及應用情景，并指出電池儲能電站在新能源并網和電網安全控制等領域的重要作用。文獻[11]從能源互聯網下各種能量需求的特點出發，如風、光等新能源并網、電網調峰調頻等，指出儲能協調的必要性，并提出協調原則和實施步驟。文獻[12]對能源互聯網中儲能在不同應用場景下的 4種調度算法(動態規劃法、基于場景的隨機規劃法、魯棒優化算法和啟發式算法)進行介紹和分析，提出對于儲能的優化調度是充分發揮儲能作用的基礎，并督促技術、政策和規劃手段要與時俱進。文獻[13-14]對配電網供電可靠性進行研究，建立了儲能成本及其可靠性收益模型，對儲能系統進行優化調度，實現儲能對配電網供電可靠性的影響收益比。

本文將從能源互聯網對儲能系統的需求出發，總結儲能系統的功能及儲能系統在能源互聯網中的作用方式，并建立三者之間的對應關系。

1 能源互聯網對儲能的需求

1.1 能源互聯網中需要儲能參與實現的目標

能源互聯網是一個大型能源互聯系統，儲能作為重要基礎支撐，至少需要參與實現以下幾個方面的功能：

1）維持系統能量平衡。

隨著各類型能源網絡不斷擴展，能量的供應不平衡問題日益凸顯，尤其在當前各能源網絡普遍存在用能峰谷問題時，供能不平衡帶來的不便和隱患被進一步放大。儲能可在某單一系統內最大限度維持能量供應平衡，也可在不同能源系統間維持能量的相對平衡。

2）實現不同能源網絡的耦合與協同。

能源互聯網涉及各種類型能源網絡的互聯互通。電網、氣網、冷熱網等不同的能源形式要實現互聯必須有中間環節作為緩沖和能量解調。解調的方式也不盡相同，如將天然氣轉換為電能、冷熱能，將電能轉換為冷熱能、氫氣等。無論轉換成何種形式，轉換之后的能量存儲都不可或缺。儲能之后，原地或運輸到某能源網絡入口處按相應控制策略對外釋能，實現不同能源網絡的耦合，合理有效的控制策略可進一步實現不同網絡的協同工作[15]。

3）最大限度利用可再生能源。

以太陽能和風能為代表的新能源發電存在波動性、不可預測性等缺點，若大量、直接并網將對電網帶來巨大危害，引進儲能技術作為并網緩沖環節能夠有效降低新能源發電對電網的危害性，減少“棄風棄光”等資源浪費情況的發生[16-17]。

4）保障能源供應的品質和連續性。

能源系統中，發電側和用電側存在間歇性能源和負荷，儲能系統能夠在系統能量波動時及時地進行有功或無功的補償，保障能量平穩供應。當系統出現故障時，儲能系統能夠快速響應，保障能量供應連續性。

5）改變能源供應及消費模式。

儲能既可以實現不同能源網絡的耦合，也可以實現能源供應和消費在時間和空間上的解耦。儲能技術水平的不斷提升，催化出新的用能模式，如電動汽車，家用分布式儲能裝置等，有助于推動能源消費市場的變革，加速能源行業的進步。

1.2 能源互聯網對儲能系統的基本要求

儲能系統在能源互聯網中想要發揮理想中的作用，必須滿足以下一些要求。

1）與系統匹配的儲能規模。

若將能源互聯網中儲能設備看作一個整體，要實現能源互聯網中各能源網絡內部及不同能源網絡間的能量調控，則必須配備足夠的儲能規模和調控功率，才能有效保證供能的平衡性和穩定性。

2）滿足不同應用場景的不同配置要求。

能源互聯網中能源應用情景多種多樣，不同應用情景對于是否需要儲能系統，需要什么類型的儲能系統都不盡相同。當前儲能技術處于平穩發展階段，儲能效果(容量要求、功率要求)在穩步提升，儲能成本在逐步下降。主要儲能技術參數對比如表 1[18-22]所示。儲能技術既包含適用于電網調頻或快速響應的大功率儲能技術，也包含適用于電網調峰的大容量儲能技術，還包含適用于分布式儲能的技術。若將多種儲能技術合理組合，可實現同時具備快速功率響應能力、大功率交換能力及大容量存儲能力的儲能系統，為實現能源網絡之間的能量調控提供技術保障。

3）經濟可行。

能源互聯網對儲能的容量需求巨大，但成本偏高及實際應用場景受限是目前大規模推廣儲能技術的主要障礙。在致力于降低儲能成本的同時，需從技術層面提高儲能兼容性、從政策層面鼓勵儲能應用。在無法降低儲能成本時，應盡量降低高成本儲能需求，以安全可行為原則采用技術較為成熟、應用場景適宜的儲能系統，并采取合適的控制策略及商業模式逐步體現儲能的價值。

表1 不同儲能技術的參數對比Tab. 1 Comparison of parameters of different energy storage technologies

2 能源互聯網中儲能的主要功能

儲能在能源互聯網各個環節，即發電側(能源源頭側)、系統側(能源傳輸側)、用戶側(能源消費側)，都發揮著重要作用。

2.1 發電側

1）最大限度利用可再生能源。

儲能技術與可再生能源結合，其作用主要體現在：①提高可再生能源接入比例；②緩解“棄風棄光”等現象；③提高經濟效益。

由于可再生能源往往伴隨著波動性和不可預測性等對能源系統穩定性產生負面影響的現象，若大量接入能源系統則降低系統的整體安全性，局部電力網絡可能產生電壓失控等嚴重事故[23]。而儲能系統能夠快速提供功率響應，及時做出功率補償，使得可再生能源發電變得相對可控，大幅提升能源系統對可再生能源的接納能力，也即能夠有效緩解當前“棄風棄光”等嚴重資源浪費情況。此外，可再生能源與儲能的組合顯著提升經濟效益，并且隨著技術、市場的逐漸成熟，項目對于政策及補貼的依賴性將逐步降低，自主盈利能力漸長[24-25]。

2）保障能源生產的安全性。

能源的安全生產是能源互聯網重要基石之一，但是總會存在一些特殊情況，使得能源生產不在安全范圍內，如機組故障，無法有效保證能源供應的穩定性，對負荷產生不可預料的影響；又如福島核電站備用柴油發電機浸水失效無法及時冷卻反應堆，造成不可挽回的損失[26]。此外，火電廠、水電站等能源產地在無廠用交流電的情況下，儲能技術無疑是啟動機組、保障能源安全生產的最佳選擇[27]。

2.2 系統側

1）提高系統運行安全性和穩定性。

各種能量波動對系統的安全性和穩定性存在不同程度的影響。儲能技術的快速功率響應和功率補償能及時對能量波動產生的影響進行針對性調控，保證系統的能量平衡。實時、完全調控能量系統在理論上成立，但在實際應用中，主要體現在三個方面：①削峰填谷；②電能質量調控；③保留備用。

能源系統峰谷差日益增加，給系統帶來的壓力也與日俱增，儲能系統根據負荷的變化改變自身充放能時間，有效實現削峰填谷，降低系統失穩壓力。在能源系統無法完全兼顧能量供應不平衡問題而出現電壓失穩、頻率失調等問題時，儲能系統可提供快速功率支撐，即使進行有效的補償。當系統遭遇大擾動時，儲能系統可作為即插即用的備用電源，提高系統抗干擾能力。

2）提高系統運行效率和效益。

系統中，能量供應會根據負荷的變動情況而實時改變，但存在滯后。儲能系統在能量供應富余時儲能，短缺時釋能，因其響應速度快等優勢，使得系統效率得到提升。此外，儲能的存在，可以減少備用機組容量，降低了成本，相當于提高了效益。

3）提高能源網絡靈活性和協同性。

儲能既可作為電源，也可作為負荷，儲能系統的削峰填谷作用也是基于此特性。而隨著儲能技術的快速提升及成本的持續下降，分布式儲能越發被廣泛應用。如電動汽車、戶用儲能系統等，通過合理的調控策略使大量分布式儲能可靈活地參與到系統中，協同作用，維護系統穩定性和安全性。

4）實現不同能源網絡的耦合。

儲能不僅儲電，還可儲氣、儲熱、儲冷，不同的能源形式存在各自的能源網絡。能源互聯網將各類型能源網絡有效互聯，須在能源網絡之間建立安全、有效的連接。儲能技術可將能量以其原本形式或轉換成其他形式存儲，經過時間或空間的轉移，再將能量以其原本形式或轉換成其他形式釋放，實現不同能源網絡的耦合，也能實現能量傳輸在時間和空間上的解耦。儲能在能源互聯網中的作用方式如圖1所示。

圖1 儲能在能源互聯網中的作用方式Fig. 1 The way energy storage works in the Energy Internet

2.3 用戶側

1）保證能量供應的質量。

隨著電力網絡的發展，負荷種類在增加，負荷對供能品質的要求在提升，而儲能具備調控供能質量的優越能力。當系統中因不可預測因素而產生電源短時或長時退出運行情況時，儲能系統可根據情況提供功率支撐，使供能質量平穩。分布式儲能技術的應用日益廣泛，改變了能源系統的功率分布，降低了系統中能量傳輸損耗，也降低了系統供能質量調控壓力。此外，分布式儲能自身也能為一定容量負荷提供有效供能質量保證，如家用分布式儲能可以保證家庭電能質量。

2）保證能量供應的連續性。

儲能作為備用電源具有重要意義。其響應速度快，能量供應平穩，當系統中出現供能中斷或供能短缺情況時，儲能系統能夠快速響應，并保證能量供應連續。在一些特殊場景，如通信基站、數據中心等，負荷量較大且必須保證供能連續，以儲能作為備用電源，不僅可以快速響應緊急事件，還可以通過合理的充、放電策略實現谷電峰用，為通信基站或數據中心等節省大量開支。

3）促進新的能量管理方式產生。

在傳統用能模式下，用戶僅作為負荷，只能被動參與到能量管理系統，而在能源互聯網中，因儲能的存在，用戶可根據自身需求在不同時間進行充能和釋能。用戶不再僅作為負荷存在，還可以自主參與到能量管理中，有助于降低系統能量管理壓力，提升穩定性。

4）促進新的用能方式產生。

當前，環境管理日益受到重視，電動汽車隨著儲能電池技術的快速發展在近幾年呈現出爆發增長的勢態，電動汽車將成為能源系統中的重要負荷。電動汽車充電站、儲能電站日益增加，使得電動將取代燃油動力，促進新的用能方式發展，實現可再生能源替代不可再生能源[28]。

5）促進新的能源消費及交易模式產生。

在能源互聯網中，能量的生產者和消費者角色不再固定，根據不同時間、不同需求、不同規劃，角色可轉換。能源供應商在原有能源供應基礎上，可以利用儲能系統將部分能量存儲，然后選擇可以利益更大化的時間或空間進行交易；用戶在原有用能和產能基礎上，結合自身生產力和能耗需求，選擇合適的時間利用儲能系統存儲能量，再根據能源交易市場實時的變化選擇是否以能量生產者身份參與交易以獲取利益。

能源互聯網中新的能源交易模式如圖 2所示，能源供應商既可以直接向用戶供能，也可以直接參與到能量交易中，還可以將能量存儲起來擇時進行能量交易；用戶借助于儲能，也可以參與到能量交易中，根據自身需求及利益最大化原則進行購買能源和出售能源[29]。

圖2 能源互聯網中能量交易模式Fig. 2 Energy trading in Energy Internet

3 能源互聯網中儲能的作用方式

儲能技術有多種類型，每種儲能技術都有自身優缺點。在能源互聯網中，即使是同種儲能技術，其擔任的職責也不盡相同，即各類儲能技術在能源互聯網中以不同的作用方式發揮著不同的作用。儲能在能源互聯網中的主要作用方式包括：①能量的時空轉移；②能量的快儲快釋；③能量的保留備用，④能量的零存整取；⑤能量的整存零取[30]。

3.1 能量的時空轉移

能源系統的日益復雜使得系統能量平衡難度與日俱增。當某些區域或某些能源網絡出現能量供應大于能量需求時，將能量存儲待該區域出現能量短缺時再釋能，能量在存儲前和釋放后的形式相同，推遲了能量的作用時間，達到能量的時間轉移(特指能量存儲之后相對較長一段時間的時間轉移)。除了時間轉移，能量的空間轉移也可以有效解決能量供需不平衡問題，將存儲的能量運輸至其他區域或能源網絡釋放，能量在存儲前和釋放后可以是相同的能量形式也可以是不同的能量形式。

實現能量的時間轉移需要具備長時儲能能力的儲能技術支撐。能量的空間轉移總是伴隨著時間轉移，還需要加強對儲能設備可靠性及能量自耗散水平的提升。

3.2 能量的快儲快釋

在能源互聯網中，新能源的大量接入會導致系統產生功率及頻率的波動。儲能可以快速跟蹤系統波動情況并及時吸收多余或補償短缺，平滑系統波動，提升系統穩定性。

能量的快速存儲和快速釋放要求儲能系統具備快速啟停能力，響應時間在s級到 ms級，同時還需具備相應的功率等級和容量等級[31]。

3.3 能量的保留備用

能源互聯網作為大型互聯系統，難免會有故障發生。當發生故障導致能量短缺時，儲能系統作為備用電源，可快速響應，并根據情況調整輸出功率，補償系統緊缺能量。

儲能作為備用系統需要有快速響應能力，儲能容量要根據應用場景總功率等級來配置相應容量。此外，儲能系統還需具備能長時間或較長時間存儲能量的能力，以保證故障發生時能夠平穩供電至系統恢復[32]。

3.4 能量的零存整取

在能源互聯網中，能量的生產存在分布式的熱點。有一些生產能量的方式因其產能功率小、速度慢，需將這些能量經過一段時間的存儲待達到一定規模之后，再整體進行能量交易或能量供應，如健身器材發電、小規模光伏或風力發電。

零存整取的方式使得小功率、分散式產能方式可大功率釋能，但因為能量存儲周期較長，所以要求儲能設備必須具備很低的能量耗散水平。

3.5 能量的整存零取

能量的整存零取與零存整取恰好相反，將大量能量存儲，在之后的一段時間內按需有序的向負荷提供能量供應，如燃氣站儲氣向下屬負荷供氣。整存零取方式下，能量一次性存儲規模大，后續少量多次對外釋能，儲能系統需要能大容量儲能且能量耗散要很低。

4 能源互聯網中儲能的需求、功能及作用方式之間的關系

能源互聯網中儲能需求、功能及作用方式的組合實現了多種儲能功能，而不同儲能功能的組合實現了不同儲能的需求(目標)。儲能的作用方式、功能分類及能源互聯網對儲能的基本需求的對應關系如圖3所示，為能源互聯網實際應用中的儲能系統合理搭配、協調作用提供了有效參考。

5 結論

本文從能源互聯網對儲能的基本需求出發，列舉了儲能在能源互聯網中可以發揮的重要功能；在這些功能中發現它們的共同點，提出了儲能在能源互聯網中的作用方式，并明確了儲能的需求、功能、作用方式之間的關系；詳細總結了儲能在能源互聯網中的應用概況，建立了清晰的儲能系統框架，有助于人們理解和研究能源互聯網儲能技術。

圖3 能源互聯網中儲能的作用方式、功能及目標的對應關系Fig.3 The corresponding relationship between the mode of operation, function and targets of energy storage in Energy Internet