朱永強(qiáng)， 郝嘉誠(chéng)， 趙 娜， 王 欣

(新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 華北電力大學(xué)， 北京 102206)

1 引言

自20世紀(jì)以來(lái)，世界范圍內(nèi)的能源與環(huán)境問(wèn)題始終是促進(jìn)能源科技進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的原動(dòng)力。隨著人們對(duì)生存環(huán)境和生活質(zhì)量的深層關(guān)注，可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為世界各國(guó)的普遍共識(shí)，并且體現(xiàn)在社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)方面，尤其是能源領(lǐng)域。隨著人類社會(huì)能源消費(fèi)總量的增長(zhǎng)及對(duì)能源消費(fèi)品質(zhì)的需求的提升，社會(huì)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)和各種能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成甚至運(yùn)行模式都在發(fā)生著潛移默化的改變。以智能電網(wǎng)為代表的新型能源系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展，其中旨在提高能源可持續(xù)性的可再生能源發(fā)電技術(shù)和改善能源利用效率的分布式發(fā)電技術(shù)成為亮點(diǎn)，這些都是對(duì)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)能量構(gòu)成和運(yùn)行方式的突破。

互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用普及和信息技術(shù)的快速發(fā)展為傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的變革帶來(lái)了新的契機(jī)，也使多種能源的協(xié)同發(fā)展成為可能。自2008年能源互聯(lián)網(wǎng)的概念被提出[1]以來(lái)，對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想漸漸成形，并且正在一步步走向現(xiàn)實(shí)，有望成為第三次工業(yè)革命的核心代表[2]。近十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外有關(guān)能源互聯(lián)網(wǎng)的研究如雨后春筍，并且出現(xiàn)了一些示范項(xiàng)目[3]。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者關(guān)于能源互聯(lián)網(wǎng)的討論和設(shè)想，大多是以智能電網(wǎng)為核心[4,5]，這是基于電網(wǎng)在目前各種能源網(wǎng)絡(luò)中最為成熟健全的現(xiàn)實(shí)考慮。

能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展理念應(yīng)該包括[6]：①多類型能源的開放互聯(lián)、各種設(shè)備與系統(tǒng)的開放對(duì)等接入、各種參與者和終端用戶的開放參與；②以用戶為中心，有效推動(dòng)能源互聯(lián)網(wǎng)在能源生產(chǎn)、運(yùn)行、管理、消費(fèi)、交易、服務(wù)等各環(huán)節(jié)創(chuàng)造價(jià)值；③分布式供能，實(shí)現(xiàn)能源產(chǎn)消的即插即用和能量時(shí)時(shí)處處平衡；④去中心化，不同參與者處于對(duì)等的位置，進(jìn)行對(duì)等的交易；能源的生產(chǎn)和消費(fèi)也是對(duì)等的，不再是單向的生產(chǎn)跟蹤。

能源互聯(lián)網(wǎng)的概念開辟了能源系統(tǒng)發(fā)展的新愿景，但是作為新生事物，能源互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)需要很多關(guān)鍵技術(shù)支撐，儲(chǔ)能技術(shù)就是其中的重要基礎(chǔ)。傳統(tǒng)能源系統(tǒng)中，儲(chǔ)能已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用。在2016年5月召開的儲(chǔ)能國(guó)際論壇上，中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布的《儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)研究白皮書2016》預(yù)測(cè)，到2020年，理想情景下儲(chǔ)能的總裝機(jī)規(guī)模將達(dá)24.2GW，常規(guī)情景下總裝機(jī)規(guī)模將達(dá)14.5GW，其中還不包含抽水蓄能的數(shù)據(jù)。根據(jù)國(guó)家《可再生能源“十三五”發(fā)展規(guī)劃(征求意見稿)》，我國(guó)抽水蓄能2020年裝機(jī)總規(guī)模將達(dá)40GW。能源互聯(lián)網(wǎng)要實(shí)現(xiàn)多種能源網(wǎng)絡(luò)的互通互聯(lián)，系統(tǒng)整體規(guī)模更大，涉及的能源種類更多，因此對(duì)儲(chǔ)能的數(shù)量和形式的要求更高。

現(xiàn)有文獻(xiàn)關(guān)于能源互聯(lián)網(wǎng)中儲(chǔ)能的討論，有些重點(diǎn)在于對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的分類介紹和對(duì)比[7-9]，有些專注于某種儲(chǔ)能技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用[10-12]，關(guān)于儲(chǔ)能的需求和作用的討論，大多是面向或沿襲了對(duì)電力系統(tǒng)(智能電網(wǎng))中儲(chǔ)能應(yīng)用的總結(jié)[13-16]。能源互聯(lián)網(wǎng)具有不同于智能電網(wǎng)的新特征，涉及多種能源形式及其相互轉(zhuǎn)換，組成結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式更加復(fù)雜多樣，因而對(duì)儲(chǔ)能的需求也更加多樣化，儲(chǔ)能作用方式更加豐富，能夠?qū)崿F(xiàn)的功能也更加多樣?，F(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)中儲(chǔ)能的討論還不夠系統(tǒng)全面，相關(guān)理論仍需不斷積累完善。

本文將系統(tǒng)地分析能源互聯(lián)網(wǎng)中的儲(chǔ)能需求，總結(jié)能源互聯(lián)網(wǎng)中儲(chǔ)能能夠?qū)崿F(xiàn)的具體功能以及儲(chǔ)能的各種作用方式，并建立儲(chǔ)能的需求、功能、作用方式之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2 能源互聯(lián)網(wǎng)中的儲(chǔ)能需求

2.1 能源互聯(lián)網(wǎng)中需要儲(chǔ)能參與實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)

為了實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的目標(biāo)和理念，至少有以下幾個(gè)方面可能需要儲(chǔ)能技術(shù)作支撐：

(1)維持系統(tǒng)的能量平衡

既包括各種能源系統(tǒng)內(nèi)部的能量平衡，也包括整個(gè)能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的能量平衡，實(shí)現(xiàn)安全、穩(wěn)定、可靠的能源生產(chǎn)和輸送。

(2)實(shí)現(xiàn)不同能源系統(tǒng)的耦合和協(xié)同

能源互聯(lián)網(wǎng)是多種能源網(wǎng)絡(luò)互通互聯(lián)的系統(tǒng)，不同時(shí)空維度的能源網(wǎng)絡(luò)之間的相互耦合，可能就需要儲(chǔ)能系統(tǒng)作為橋梁。并且可以通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，實(shí)現(xiàn)不同能源網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)同運(yùn)行。

(3)最大限度地利用可再生能源

支持高比例的可再生能源接入，并且減少棄風(fēng)、棄光的概率，充分利用清潔的可再生資源提供的能量。

(4)保障能源供應(yīng)的品質(zhì)和連續(xù)性

在系統(tǒng)中存在波動(dòng)性、間歇性能源或負(fù)荷的情況下，保證能量供應(yīng)的平穩(wěn)。在系統(tǒng)受到擾動(dòng)或者發(fā)生故障的情況下，保證能量生產(chǎn)和供應(yīng)的連續(xù)性。

(5)拓展新的用能方式和能源替代

例如提高儲(chǔ)能電池的容量、性能和壽命，并降低成本，助力電動(dòng)汽車的普及，加快替代以石油和天然氣為燃料的汽車，實(shí)現(xiàn)能源的清潔利用。

(6)改變能源供應(yīng)的管理和交易模式

利用儲(chǔ)能在一定程度上實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)在時(shí)間、空間上的解耦，有助于推進(jìn)能源管理和交易模式的變革，促進(jìn)能源消費(fèi)的市場(chǎng)化。

2.2 能源互聯(lián)網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本要求

能源互聯(lián)網(wǎng)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)，作為一個(gè)整體考慮，應(yīng)該滿足下列基本要求：

(1)與系統(tǒng)規(guī)模相稱的總量規(guī)模

為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)能源互聯(lián)網(wǎng)及各個(gè)能源網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的能量平衡，儲(chǔ)能系統(tǒng)整體應(yīng)該具有足夠大的儲(chǔ)能容量和交換功率，以實(shí)現(xiàn)能源網(wǎng)絡(luò)級(jí)別的能量調(diào)控。

(2)滿足各種性能要求的合理配置

能源互聯(lián)網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的功能需求多種多樣，能源互聯(lián)網(wǎng)以及各個(gè)能源網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部往往都具有多種形式的儲(chǔ)能系統(tǒng)。不同的儲(chǔ)能形式具有不同的性能特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)成本[7-9]，如表1所示。這就要求多種類、多個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行合理的搭配，滿足能源互聯(lián)網(wǎng)整體及局部的不同儲(chǔ)能需求，如足夠快的功率響應(yīng)速度、足夠大的交換功率、較長(zhǎng)時(shí)間尺度的能量存儲(chǔ)能力。

表1 不同形式儲(chǔ)能的性能特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)成本Tab.1 Performance characteristics and economic cost of different energy storage forms

(3)可以接受的經(jīng)濟(jì)成本

能源互聯(lián)網(wǎng)中儲(chǔ)能的容量需求很大，而儲(chǔ)能設(shè)備的成本又普遍較高。這就要求通過(guò)技術(shù)革新或優(yōu)化配置，在滿足技術(shù)性能要求的前提下，設(shè)法降低儲(chǔ)能的總量需求，或者盡量降低高成本儲(chǔ)能設(shè)備的需求，提高設(shè)備的儲(chǔ)能效率，并通過(guò)合理的能量管理和控制策略，延長(zhǎng)儲(chǔ)能設(shè)備的使用壽命，降低儲(chǔ)能設(shè)備的建設(shè)和運(yùn)行成本。此外，對(duì)環(huán)境的二次污染也是選擇儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該考慮的問(wèn)題[13-16]。

3 能源互聯(lián)網(wǎng)中儲(chǔ)能的功能

儲(chǔ)能系統(tǒng)在能源互聯(lián)網(wǎng)中充當(dāng)著多種角色：①服務(wù)于系統(tǒng)；②服務(wù)于用戶；③服務(wù)于整體；④服務(wù)于局部。本節(jié)將對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)中儲(chǔ)能的具體功能進(jìn)行梳理。

3.1 提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性(系統(tǒng)側(cè))

任何擾動(dòng)都會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，只要儲(chǔ)能裝置容量足夠大且響應(yīng)速度足夠快，理論上就可以實(shí)現(xiàn)在任何情況下不同能源網(wǎng)內(nèi)部的能量平衡，保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。儲(chǔ)能在提高系統(tǒng)運(yùn)行安全性與穩(wěn)定性方面的具體表現(xiàn)形式有以下幾種：

(1)削峰填谷，減小失穩(wěn)壓力。儲(chǔ)能系統(tǒng)可根據(jù)供能與耗能之間的差異變化情況及時(shí)可靠地改變其出力水平，削峰填谷，從而改善系統(tǒng)穩(wěn)定性，減小失穩(wěn)壓力。儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的削峰填谷作用如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的削峰填谷作用Fig.1 Role of peak shaving and valley filling of energy storage system in power system

(2)增加備用，降低大擾動(dòng)的影響。儲(chǔ)能可作為備用能源，在系統(tǒng)中出現(xiàn)大的擾動(dòng)時(shí)即插即用，增加系統(tǒng)的抗干擾能力，降低擾動(dòng)帶來(lái)的影響。

(3)功率支撐，改善系統(tǒng)供能穩(wěn)定性。儲(chǔ)能系統(tǒng)可向電網(wǎng)提供1～2s有功支撐，使電網(wǎng)中各機(jī)組在受擾動(dòng)后仍能保持同步運(yùn)行[17]，降低系統(tǒng)失穩(wěn)的概率。

3.2 提高系統(tǒng)運(yùn)行的效率和效益(系統(tǒng)側(cè))

系統(tǒng)中能量的供應(yīng)應(yīng)根據(jù)負(fù)荷的波動(dòng)情況時(shí)刻保持平滑的變動(dòng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)在能量供應(yīng)富余期間進(jìn)行能量存儲(chǔ)，在供應(yīng)緊張期間進(jìn)行能量釋放，可在一定程度上減小能量供應(yīng)的峰谷差，從而提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。同時(shí)，由于儲(chǔ)能的存在，可減小系統(tǒng)對(duì)于備用容量的需求，降低擴(kuò)容投入，減少由于能量供需差異帶來(lái)的能量運(yùn)輸成本，從而提高系統(tǒng)的效益。

3.3 實(shí)現(xiàn)不同能源網(wǎng)絡(luò)之間的耦合(系統(tǒng)側(cè))

儲(chǔ)能系統(tǒng)是各種能源網(wǎng)之間耦合的橋梁。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以將不同能源網(wǎng)中的能源以不同的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)系統(tǒng)需要時(shí)再釋放能量。在儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)和釋放能量的過(guò)程中，還存在著能量的轉(zhuǎn)換問(wèn)題，這就使不同的能源網(wǎng)通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)相互聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了能源網(wǎng)的耦合。此外，儲(chǔ)能系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)能源網(wǎng)的解耦。儲(chǔ)能系統(tǒng)可將儲(chǔ)存的能量在合適的時(shí)間進(jìn)行釋放，實(shí)現(xiàn)時(shí)間上的解耦；也可根據(jù)不同能源網(wǎng)內(nèi)部的能量供應(yīng)與消耗的關(guān)系，將存儲(chǔ)的能量在不同的能源網(wǎng)之間進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪\(yùn)輸轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)空間上的解耦。儲(chǔ)能在能源互聯(lián)網(wǎng)中的作用方式如圖2所示。

圖2 儲(chǔ)能在能源互聯(lián)網(wǎng)中的作用方式Fig.2 Action manner of energy storage in Energy Internet

3.4 提高多能源系統(tǒng)的靈活性和協(xié)同性(系統(tǒng)側(cè))

儲(chǔ)能系統(tǒng)除具有儲(chǔ)存能量的功能外，還可以將不同形式的能量聯(lián)系在一起，使能源網(wǎng)各元素之間的聯(lián)系更加緊密，提高多能源系統(tǒng)的靈活性和協(xié)同性。

(1)儲(chǔ)能可以轉(zhuǎn)換能量形式，使能源的調(diào)度更加靈活。例如，電動(dòng)汽車可以通過(guò)V2G (Vehicle-to-Grid，V2G)的方式扮演分布式負(fù)荷和電源的角色。當(dāng)電動(dòng)汽車作為負(fù)荷時(shí)，通過(guò)合理安排充電時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)有序充電管理，達(dá)到移峰填谷的效果，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率；當(dāng)電動(dòng)汽車作為儲(chǔ)能裝置時(shí)，可以將其作為系統(tǒng)的備用容量，峰荷時(shí)向電網(wǎng)提供電能，優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行。另外，在能源互聯(lián)網(wǎng)中，儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)與輸出的能量形式未必相同，這就使得能量形式可相互轉(zhuǎn)換，滿足系統(tǒng)對(duì)于不同形式能量的需求。

(2)各種類型儲(chǔ)能間的協(xié)調(diào)配合，可以增強(qiáng)系統(tǒng)的協(xié)同性。不同種類的儲(chǔ)能可根據(jù)系統(tǒng)的整體需求，以儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性更好及能源的利用效率更高為目標(biāo)，進(jìn)行協(xié)調(diào)配合，增強(qiáng)多能源系統(tǒng)的協(xié)同性，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

3.5 充分利用可再生能源(發(fā)電側(cè))

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，可再生能源將逐步成為主要能源，但其能量供應(yīng)受自然條件影響，具有間歇性和波動(dòng)性。儲(chǔ)能系統(tǒng)可平衡可再生能源帶來(lái)的不穩(wěn)定性，平滑可再生能源帶來(lái)的波動(dòng)，增加其滲透率，并減少能源的浪費(fèi)。

(1)支持高比例可再生能源接入。由于可再生能源具有間歇性，當(dāng)其大量接入時(shí)會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而儲(chǔ)能裝置可為系統(tǒng)提供快速有功支撐，平滑波動(dòng)，提高系統(tǒng)接納可再生能源的能力。

(2)減少棄風(fēng)、棄光等能源浪費(fèi)現(xiàn)象。風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源已經(jīng)得到了大量的利用，但因其受自然條件影響，具有較大的波動(dòng)性和間歇性，因此保守的調(diào)度導(dǎo)致棄風(fēng)棄光現(xiàn)象嚴(yán)重。儲(chǔ)能裝置可將被丟棄的能量進(jìn)行存儲(chǔ)，用于平抑風(fēng)力及光照條件不穩(wěn)定引起的輸出波動(dòng)。

3.6 保障能源生產(chǎn)的安全性(發(fā)電側(cè))

在能源生產(chǎn)過(guò)程中，總會(huì)或多或少地出現(xiàn)一些故障，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行能源供應(yīng)，影響能源的生產(chǎn)安全。儲(chǔ)能系統(tǒng)可幫助供能系統(tǒng)重新啟動(dòng)，恢復(fù)正常運(yùn)行。例如，當(dāng)火電機(jī)組沒(méi)有廠用電時(shí)，存儲(chǔ)的柴油可向燃機(jī)起動(dòng)機(jī)提供能量，使系統(tǒng)恢復(fù)工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自愈；水電站在沒(méi)有廠用交流電的情況下，可利用電廠直流系統(tǒng)蓄電池儲(chǔ)存的電能量和液壓系統(tǒng)儲(chǔ)存的液壓能量，完成機(jī)組自啟動(dòng)，恢復(fù)自身及外部的能量供應(yīng)，保障能源生產(chǎn)安全。

3.7 保障能量供應(yīng)的質(zhì)量(用戶側(cè))

近年來(lái)系統(tǒng)能量供應(yīng)品質(zhì)的不穩(wěn)定問(wèn)題受到了人們的關(guān)注，儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入可改善能量供應(yīng)的質(zhì)量問(wèn)題。

(1)平抑功率波動(dòng)，保證能量供應(yīng)的品質(zhì)。在電源出現(xiàn)瞬時(shí)故障或者長(zhǎng)時(shí)間退出運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能可以向系統(tǒng)提供功率支持，減小或消除功率的不規(guī)則波動(dòng)，使能量供應(yīng)質(zhì)量得到提高。

(2)分布式儲(chǔ)能，保證電能質(zhì)量。分布式儲(chǔ)能可改變傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，改變系統(tǒng)中能量流動(dòng)方向，改善功率分布，從而減少能量傳輸過(guò)程中的損耗，提高電壓水平。

3.8 保障能量供應(yīng)的連續(xù)性(用戶側(cè))

能量供應(yīng)一般具有間歇性，而系統(tǒng)中的重要負(fù)荷要求能量供應(yīng)不能出現(xiàn)任何時(shí)長(zhǎng)的短缺情況。儲(chǔ)能系統(tǒng)可作為不間斷電源，有效解決能源供應(yīng)的間歇性問(wèn)題。

(1)作為應(yīng)急，解決能量瞬時(shí)或短時(shí)間的供應(yīng)短缺的問(wèn)題。當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)大擾動(dòng)引起的瞬時(shí)供能波動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行能量供應(yīng)，平滑波動(dòng)，保證能量供應(yīng)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

(2)作為備用，解決能量長(zhǎng)時(shí)間供應(yīng)不足問(wèn)題。任何設(shè)備在使用一段時(shí)間后都要進(jìn)行檢修，在設(shè)備檢修期間或是系統(tǒng)出現(xiàn)大的故障時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以進(jìn)行供能，直至系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

3.9 拓展新的用能方式和能源替代(用戶側(cè))

在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，用能方式也逐漸增多。例如，隨著人們對(duì)環(huán)境與氣候問(wèn)題的不斷重視，電動(dòng)汽車的研發(fā)和推廣得到了快速發(fā)展，且隨著電動(dòng)汽車數(shù)量的不斷增多，它也將成為系統(tǒng)中的重要負(fù)荷。電動(dòng)汽車儲(chǔ)能電站發(fā)揮著類似原有加油站的功能，可對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行能量補(bǔ)充，使電動(dòng)汽車的大規(guī)模應(yīng)用成為可能。此外，用電動(dòng)汽車代替部分燃油汽車，利用可再生能源代替不可再生能源，實(shí)現(xiàn)了能源替代，降低了環(huán)境污染。

3.10 支持新的能量管理模式(用戶側(cè))

將儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于用戶側(cè)的能量管理系統(tǒng)，使其在用戶側(cè)負(fù)荷低谷期時(shí)存儲(chǔ)能量，在負(fù)荷的高峰期時(shí)進(jìn)行能量的釋放，適時(shí)地在合適位置進(jìn)行有功及無(wú)功補(bǔ)償，從而改變系統(tǒng)的能量分布情況。儲(chǔ)能系統(tǒng)在用戶側(cè)能量管理系統(tǒng)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了用戶側(cè)對(duì)電能質(zhì)量的調(diào)節(jié)，改變了用戶側(cè)的能量管理模式，使用戶不僅以負(fù)荷的形式存在，還可以參與對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)。

3.11 支持新的能源交易模式

在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，能源的交易模式會(huì)發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者和消費(fèi)者的角色互換。由于儲(chǔ)能系統(tǒng)的存在，大型能源供應(yīng)商可利用儲(chǔ)能的庫(kù)存進(jìn)行交易，用戶同樣可以利用儲(chǔ)能裝置，將能量進(jìn)行存儲(chǔ)，以生產(chǎn)者的角色自主選擇進(jìn)行能量交易或是退出市場(chǎng)，改變了其與能源供應(yīng)商之間的固有關(guān)系。儲(chǔ)能的存在還為用戶直接參與能源交易提供了可能性，用戶可根據(jù)自身的能耗需求和生產(chǎn)能力，結(jié)合配置的儲(chǔ)能，向能源市場(chǎng)發(fā)出特定的能源需求；或在一些時(shí)段，以生產(chǎn)者的角色向市場(chǎng)提供可靠的能源供給。

能源互聯(lián)網(wǎng)下新的能源交易模式如圖3所示。能源供應(yīng)商可以直接將能源賣給用戶，也可以將能源放到交易中心進(jìn)行交易，還可以利用儲(chǔ)能將能源以某種形式(例如電池)儲(chǔ)存起來(lái)，然后進(jìn)行交易。用戶除了可以直接與能源供應(yīng)商進(jìn)行交易外，還可以根據(jù)自身需要從交易中心購(gòu)買能源；或是在能源價(jià)格低廉時(shí)買進(jìn)，進(jìn)行儲(chǔ)備，待需要時(shí)使用。用戶也可以通過(guò)自身配置的儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)能源的自發(fā)自用，多余的能源還可以進(jìn)行能源交易。

圖3 能源互聯(lián)網(wǎng)下新的能源交易模式Fig.3 New energy transaction model in Energy Internet

4 能源互聯(lián)網(wǎng)中儲(chǔ)能的作用方式

不同類型的儲(chǔ)能設(shè)備，由于其物理結(jié)構(gòu)和工作原理的差別，往往具有不同的性能特點(diǎn)。即便是相同類型的儲(chǔ)能系統(tǒng)，由于承擔(dān)著不同的功能，在運(yùn)行過(guò)程中往往也表現(xiàn)出不同的響應(yīng)特征。因此，各種形式、各種功能的儲(chǔ)能系統(tǒng)，往往以不同的表現(xiàn)方式在能源互聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮著各自的作用，如圖2所示。

在能源互聯(lián)網(wǎng)中，儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用方式大致可以分為能量的時(shí)間轉(zhuǎn)移、空間轉(zhuǎn)移、快速吞吐、保留備用、零存整取以及整存零取六種。廣義上來(lái)說(shuō)，任何儲(chǔ)能過(guò)程都伴隨著時(shí)間轉(zhuǎn)移，任何儲(chǔ)能系統(tǒng)也都起到了能量的保留備用的作用。而下文所定義的能量的時(shí)間轉(zhuǎn)移與保留備用均是狹義上的概念，能量的時(shí)間轉(zhuǎn)移指從儲(chǔ)能裝置吸收能量開始到釋放能量期間較長(zhǎng)一段時(shí)間的推移；能量的保留備用是指為防出現(xiàn)能量的短缺現(xiàn)象而專門儲(chǔ)備留用的能量。

4.1 能量的時(shí)間轉(zhuǎn)移

在某種能源網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)能源生產(chǎn)大于消費(fèi)需求時(shí)，將多余的能量以特定的儲(chǔ)能方式存儲(chǔ)起來(lái)，留待將來(lái)該能源網(wǎng)絡(luò)能量不足時(shí)再釋放使用。例如抽水蓄能用于電網(wǎng)日負(fù)荷的削峰填谷，用于不同季節(jié)的能量轉(zhuǎn)移使用。

這種作用方式的特點(diǎn)是，儲(chǔ)能吸收和釋放能量的位置是相同的，吸收之前和釋放之后的能量形式也是相同的，只是被存儲(chǔ)的能量在該能源網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮作用的時(shí)刻被推遲了，因此稱之為能量的時(shí)間轉(zhuǎn)移。

這種作用方式往往要求儲(chǔ)能的容量足夠大、存儲(chǔ)的時(shí)間足夠長(zhǎng)。

4.2 能量的空間轉(zhuǎn)移

整個(gè)能源互聯(lián)網(wǎng)又分為不同的能源子網(wǎng)，即各個(gè)局域能源網(wǎng)組成一個(gè)整體。不同能源網(wǎng)同時(shí)達(dá)到供需平衡是很難實(shí)現(xiàn)的，此時(shí)就需要儲(chǔ)能進(jìn)行不同能源網(wǎng)之間的能量互補(bǔ)，維持系統(tǒng)的能量平衡。

這種作用方式的特點(diǎn)是，儲(chǔ)能吸收和釋放能量的位置是不相同的，吸收之前和釋放之后的能量形式也未必相同，存儲(chǔ)的能量發(fā)揮作用的時(shí)刻由于能量在運(yùn)輸過(guò)程中的時(shí)間消耗同樣被推遲。這種作用方式稱之為能量的空間轉(zhuǎn)移。

能量的時(shí)間轉(zhuǎn)移未必伴隨著空間轉(zhuǎn)移，能量的空間轉(zhuǎn)移一定伴隨著時(shí)間轉(zhuǎn)移。這種儲(chǔ)能方式往往要求能量存儲(chǔ)期間能量衰減程度較低，對(duì)儲(chǔ)能裝置安全可靠性要求較高。

4.3 能量的快速吞吐

能源互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)特點(diǎn)是新能源的大量接入，但新能源的接入會(huì)影響系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，包括系統(tǒng)的功率波動(dòng)、頻率波動(dòng)等。而一些能夠快速吞吐能量的儲(chǔ)能設(shè)備可在系統(tǒng)穩(wěn)定性波動(dòng)期間進(jìn)行快速的投入切出，平滑波動(dòng)，改善系統(tǒng)性能。

這種作用方式的特點(diǎn)是能量的存儲(chǔ)及釋放速度較快，具有秒級(jí)甚至毫秒級(jí)的反應(yīng)時(shí)間。

這種作用方式要求儲(chǔ)能設(shè)備的啟停速度較快，且一般要求具有較高的功率等級(jí)。

4.4 能量的保留備用

能源網(wǎng)中往往會(huì)由于某種原因出現(xiàn)能量的短缺現(xiàn)象，此時(shí)儲(chǔ)能可作為能源系統(tǒng)的備用，即插即用，及時(shí)進(jìn)行能量補(bǔ)充。例如，當(dāng)化石燃料短缺進(jìn)而引起熱供應(yīng)不足時(shí)，太陽(yáng)能儲(chǔ)熱裝置進(jìn)行的熱存儲(chǔ)可及時(shí)進(jìn)行能量供應(yīng)。

這種作用方式的特點(diǎn)是能量釋放速度較快，且根據(jù)實(shí)際情況不同，能量存儲(chǔ)時(shí)間的長(zhǎng)短也不同。

這種作用方式一般要求具有較大的能量存儲(chǔ)容量，且能量存儲(chǔ)期間損耗較小，可進(jìn)行短時(shí)間或長(zhǎng)時(shí)間的存儲(chǔ)。

4.5 能量的零存整取

不同種類儲(chǔ)能的能量?jī)?chǔ)存規(guī)模及容量都不相同。對(duì)于一些儲(chǔ)能速度較慢、單次存儲(chǔ)能量較少的儲(chǔ)能方式，我們可利用其進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的能量存儲(chǔ)，當(dāng)存儲(chǔ)的能量達(dá)到一定規(guī)模時(shí)再進(jìn)行釋放，實(shí)現(xiàn)功率等級(jí)較大的儲(chǔ)能方式的功能。例如健身器材發(fā)電，首先將每個(gè)健身器材產(chǎn)生的較少能量進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)積累到一定量時(shí)再進(jìn)行能量的釋放。

這種作用方式的特點(diǎn)是一次性存儲(chǔ)的能量較少，而供能時(shí)將積攢的能量進(jìn)行大功率釋放，反映到時(shí)間上為長(zhǎng)時(shí)間的能量存儲(chǔ)，短時(shí)間的能量釋放。這種作用方式稱之為零存整取。

這種作用方式要求儲(chǔ)能裝置性能較好，且能量存儲(chǔ)期間基本沒(méi)有或者只有少量的能量損耗。

4.6 能量的整存零取

在實(shí)際的儲(chǔ)能過(guò)程中，由于運(yùn)輸條件及儲(chǔ)能裝置自身的原因經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)能量的囤積現(xiàn)象，即將能量進(jìn)行大量囤積后再分批、分時(shí)段進(jìn)行利用。例如，煤等化石原料在運(yùn)輸存儲(chǔ)過(guò)程中往往會(huì)進(jìn)行一次性大量囤積，進(jìn)行幾天或者更長(zhǎng)時(shí)間的能量供應(yīng)。

這種作用方式的特點(diǎn)是能量一次性存儲(chǔ)的容量較大，能量利用為少量多次的利用方式，反映到時(shí)間上為在短時(shí)間內(nèi)大量存儲(chǔ)能量，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的能量供應(yīng)，這種作用方式稱之為整存零取。

這種作用方式要求儲(chǔ)能的容量大，能量存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)且有較低的自耗散率，例如太陽(yáng)池、存煤。

5 儲(chǔ)能需求、功能、作用方式的對(duì)應(yīng)關(guān)系

能源互聯(lián)網(wǎng)中儲(chǔ)能的需求、功能、作用方式之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示。儲(chǔ)能不同作用方式的相互組合共同實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能在能源互聯(lián)網(wǎng)中的各種功能，而要實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的目標(biāo)和理念，則要由儲(chǔ)能的各種功能來(lái)滿足能源互聯(lián)網(wǎng)在某些方面對(duì)于儲(chǔ)能的需求。其中，作用方式是最基礎(chǔ)的分類依據(jù)，便于合理搭配不同類型的儲(chǔ)能，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的優(yōu)化配置和協(xié)調(diào)控制，進(jìn)而改善和提高整個(gè)系統(tǒng)的性能和運(yùn)行效率。

圖4 能源互聯(lián)網(wǎng)中儲(chǔ)能的作用方式、功能與目標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.4 Correlation between action manners, functions and demands of energy storage in Energy Internet

6 結(jié)論

能源互聯(lián)網(wǎng)的提出為我們描繪了多能源系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行和共同發(fā)展的新愿景。為實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的目標(biāo)和理念，儲(chǔ)能技術(shù)將是支撐未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

本文從能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的目標(biāo)和理念出發(fā)，系統(tǒng)地總結(jié)了儲(chǔ)能在能源互聯(lián)網(wǎng)中的需求、功能和作用方式，以及這三者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即儲(chǔ)能不同作用方式的相互組合共同實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能在能源互聯(lián)網(wǎng)中的各種功能，而這些功能又滿足了能源互聯(lián)網(wǎng)在某些方面對(duì)于儲(chǔ)能技術(shù)的需求。這些概念和理論的提出，使人們對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)及儲(chǔ)能技術(shù)有一個(gè)系統(tǒng)、全面的認(rèn)識(shí)，同時(shí)建立了較為完善的能源互聯(lián)網(wǎng)中儲(chǔ)能技術(shù)的理論框架，有助于未來(lái)相關(guān)領(lǐng)域的理論研究和技術(shù)探討。

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