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能量信息化和分布式储能将推动能源互联共享

2018-11-01 09:55:53

能量信息化和分布式储能将推动能源互联共享时代的到来

一切坚固的东西都烟消云散。 马克思

能源行业经历着巨大变革,分布式发电大量兴起,用电速率快速增长,以不断增加化石能源消耗的解决方式不可持续。正在人们不断探寻有效的能源革命路径的同时,以实现范围的信息互联共享为基本目标的互联,正以前所未有的速度与力度影响着人类世界,改变人类生产生活方式的同时也颠覆了许多传统行业保持了数十年的运作方式,如 工业4.0 和 互联+ 的快速兴起。信息资源作为当今互联时代的一种生产资料,能够衍生出不同形态的产品,效益与价值。

互联的成功,在于借助生产资料形态的信息资源实现 物质,信息,能量 的三元融合,互联共享,进而的激发了每个智能单元创造新的生产力,推动了各行各业的创新与变革。互联思想与应用正潜移默化的渗透到世界每个角落,在这样的背景下,第三次工业革命和能源互联应时而生,其核心思想是传统产业模式和基础设施碎片化后进而通过信息手段进行重组融合,在能源领域由现代化大工业催生出的集中式发输变配用的供电模式,将转向与工业4.0为代表的个性化定制化生产相匹配的大规模分布式发电和用电,并且将产生以个性化、定制化的能量需求为目标的虚拟电和电厂,通过能量的互联共享(类似互联中的信息共享),对能源系统进行优化配置。

要真正实现能源互联,需要思想、技术与模式的创新,甚至颠覆。例如,目前能量从信息领域的角度看通常只是一个模拟变量,即只关注其物理属性(如开/关,电流,电压,功率等)而忽略其内在的信息属性,更无法从信息世界进行能量的调配。

要实现如互联中信息共享那样的能量互联共享,首先需要基于信息物理融合系统(cyber-physicalsystem,CPS)实现能量的信息化与互联化管控,即在物理上把能量进行离散化(或碎片化),使离散化的能量进行调度;其次,基于能量的离散化,将能量系统与负载系统通过信息化整合,使能量转化成同计算资源、带宽资源以及存储资源等信息通信领域的资源一样,进而通过互联技术进行灵活的络化管理与调控。

能量的信息化和分布式储能是能源互联的实现基础

能源互联的核心思想与目标可以概括为能量分布式生产、本地化供给以及能量的互联互通。以风能、太阳能、潮汐能等可再生能源为代表的分布式生产的能量具有先天的不确定性或随机性。这种能量不确定性一方面将严重影响能量供给与共享的安全性,稳定性与可靠性;另一方面,能量互联中的能量互联共享是像互联中信息互联共享,即,用户侧驱动的能量互联共享。因此,由于分布式能量源的不确定性与用户需求的随机性,从任意时刻看,能量供给和需求之间自发的平衡显然是不可能,分布式生产的能量将无秩序的从低熵的能量源流向高熵负载。

能量流无秩序流动导致其有效利用率极低。这种能量源的不确定性与能量流与无秩序性,使得分布式储能成为解决上述能源互联两大问题的支撑性基础。即,以分布式储能来平滑能量源的不确定性,并为能量的有序流动提供基础。

过去十年,我一直在针对分布式储能系统进行研发,采用能量信息化思想,以电池单元为能量单位将能量离散化,并采用络化管控思想,将电池单元络化互联成组,以电池络拓扑动态可重构管控技术为手段实现了基于互联技术的分布式能量管控,从而彻底解决传统电池管理中的关键问题,如效率、均衡、可靠性与安全性等问题。

在储能系统的安全性、可靠性和可管性方面,小容量单体电池成组有着大容量单体电池不可比拟的优势,众多应用实践均可证实这一观点。例如,特斯拉ModelS型号电动力汽车采用了8000多节18650小容量单体电池。然而,如何管理大量单体电池成组后构成的储能系统是目前公认的技术难题。

首先,电池单体间具有无法避免的不一致性。其次,为了满足所需的电流、电压或功率要求,单体电池以固定的串联与并联形式直接成组,而这种沿用近三百年的刚性成组方式易导致系统的短板问题。第三,电池荷电状态(stateofcharge,SOC)的精确估计是进行有效电池管理的关键,而SOC受到温度,电压,电流,老化程度及个体差异等多种因素的影响,并且SOC与这些因素间呈现非线性关系,难以做到准确的测量和估算。

因此,基于能量信息化与互联化管控的思想,以电池单元为能量离散化单位,将电池单元络化互联成组,以电池络拓扑动态可重构管控技术为手段,形成自适应、动态、可重构的电池络,从而实现电池能量的信息化。

具体而言,单体电池通过物理开关器件组合形成可重构拓扑的电池络,称为级分布式电池络单元,其中信息采集传感器通过并行多路采集对每个电池元的电流、温度等信息进行对电池单体实时感知,通过摩尔定律发展速度的控制芯片精确估算电池的SOC与健康状态(stateofhealth,SOH)等信息,并形成络拓扑控制策略,控制电子开关状态形成当前的电池络拓扑。级分布式电池络储能单元可以通过同样的络化方法进一步形成第二级、第三级 以及更大规模的电池络,以满足不同应用场景与领域的储能需求。这个技术获得了美国NSF(混合系统,智能系统和智能电等)项目的资助。

分布式储能使得电力不再是即时性消费,而是可延时、可移动的,电力也从一个稍纵即逝的脆弱体系里解放出来,放到一个可以存储能量的容器里。这使得能量可与基于互联的信息技术无缝链接,从而真正能够实现能量的互联共享。分布式储能的大规模应用将带来真正的能源互联革命。基于互联管控的分布式储能系统将有力支撑新的能量运营模式,如能源的C2C和C2B。(慈松教授,国家能源局中国能源互联战略研究课题组首席科学家。)

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