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一文读懂“数字储能系统”

作者:中国储能网新闻中心 来源:全球能源互联网期刊 发布时间:2020-05-06 浏览:次
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中国储能网讯:日前,联合国国际电信联盟(ITU)电信标准化部门第五研究组(ITU-T SG5)提交关于支持IMT-2020(5G)可持续供电解决方案建议(No. L.1210)“Sustainable power-feeding solutions for 5G network”获得批准并发布,清华大学电机系慈松教授团队联合中国信息通信研究院中国泰尔实验室共同提交的“数字储能系统解决方案”获该标准采纳。ITU L.1210标准致力于解决5G网络功耗给现有供电系统带来的挑战,从通信供电系统基础设施、备电容量、网络化运维等方面,提出了5G网络演进中支持简单、智能、绿色的数字化、网络化能源部署的解决方案与规范建议。

那么,究竟什么是高大上的“数字储能系统”呢?通过清华大学慈松教授在《全球能源互联网》(Vol. 1 No. 3)发表的研究综述《数字储能系统》一起了解一下吧。

一、“数字储能系统”解决什么问题?

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,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,会出现系统“短板效应”,进而极大影响了电池储能系统的性能。

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。

二、能量信息化

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。

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1所示。

? 图1 可重构电池网络对当前电池管理技术的范式创新原理图

三、基于可重构电池网络的数字储能系统架构

3.1 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2所示。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(SOH)和荷电状态(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。

? 图2 数字电池储能系统架构

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3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。

? 图3 传统电池管理系统与电池能量交换系统的比较

3.2 软件定义数字复合储能系统

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。值得指出的是,软件定义数字复合储能系统可以从根本上解耦电池系统应用需求与电池单体物理化学特性,在系统应用层面上打破对当前电池应用依赖于电池单体能量密度和功率密度的迷思。为了方便读者理解这个概念,图4表述软件定义数字复合储能与信息存储体系的对照逻辑关系。

? 图4 软件定义数字复合储能与信息存储体系的对照逻辑关系

3.3 电池能量管控云平台

电池能量管控云平台的实质是将原来高度耦合的一体化电池硬件通过标准化、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(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。

四、数字储能系统的应用

4.1 面向数据中心的软件定义数字储能系统

通过采用电池能量交换系统,与中国移动联合研发了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。

? 图5 软件定义数字UPS系统(与中国移动设计院联合研发)

4.2 面向退役动力电池梯次利用的数字储能系统

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。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。(目前,该技术已应用于国家电网、南方电网、中国铁塔、安徽国轩、天津力神多个应用示范项目。)

? 图6 传统梯次利用与数字无损梯次利用的比较 

本文引文信息

慈松. 数字储能系统[J]. 全球能源互联网,2018,1(3):338-347.

CI Song. Digital Energy Storage System[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2018, 1(3): 338-347(in Chinese).

关键字:数字储能系统

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