馬守達，楊錦成,2，崔承剛，盛晏

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

0 引言

21世紀以來，高速發(fā)展的工業(yè)以及社會使中國面臨著能源危機和環(huán)境污染雙重挑戰(zhàn)[1]，發(fā)展以可再生、分布式、聯(lián)起來、開放式、融進去為特征的能源互聯(lián)網(wǎng)至關(guān)重要[2]。各機構(gòu)、企業(yè)對能源互聯(lián)網(wǎng)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(zhuǎn)型[3-4]；國內(nèi)以智能電網(wǎng)為代表，發(fā)展分布式能源、多能協(xié)調(diào)互補、能源物聯(lián)網(wǎng)、用戶側(cè)服務(wù)等，在實現(xiàn)“能源互聯(lián)網(wǎng)”美好愿景的道路上快速前進。

發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)需要很多關(guān)鍵技術(shù)。儲能技術(shù)是能源互聯(lián)網(wǎng)的重要基礎(chǔ)支撐。文獻[5-6]按不同分類對比分析了各種儲能技術(shù)的發(fā)展情況及相應(yīng)的優(yōu)缺點。文獻[7-9]從儲能技術(shù)發(fā)展情況出發(fā)，提出可能實現(xiàn)的儲能商業(yè)模式并搭建數(shù)學(xué)模型予以驗證。文獻[10]從發(fā)電側(cè)、輸電側(cè)及配電側(cè)分別分析了電池儲能系統(tǒng)的功能及應(yīng)用情景，并指出電池儲能電站在新能源并網(wǎng)和電網(wǎng)安全控制等領(lǐng)域的重要作用。文獻[11]從能源互聯(lián)網(wǎng)下各種能量需求的特點出發(fā)，如風、光等新能源并網(wǎng)、電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻等，指出儲能協(xié)調(diào)的必要性，并提出協(xié)調(diào)原則和實施步驟。文獻[12]對能源互聯(lián)網(wǎng)中儲能在不同應(yīng)用場景下的 4種調(diào)度算法(動態(tài)規(guī)劃法、基于場景的隨機規(guī)劃法、魯棒優(yōu)化算法和啟發(fā)式算法)進行介紹和分析，提出對于儲能的優(yōu)化調(diào)度是充分發(fā)揮儲能作用的基礎(chǔ)，并督促技術(shù)、政策和規(guī)劃手段要與時俱進。文獻[13-14]對配電網(wǎng)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(tǒng)進行優(yōu)化調(diào)度，實現(xiàn)儲能對配電網(wǎng)供電可靠性的影響收益比。

本文將從能源互聯(lián)網(wǎng)對儲能系統(tǒng)的需求出發(fā)，總結(jié)儲能系統(tǒng)的功能及儲能系統(tǒng)在能源互聯(lián)網(wǎng)中的作用方式，并建立三者之間的對應(yīng)關(guān)系。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)對儲能的需求

1.1 能源互聯(lián)網(wǎng)中需要儲能參與實現(xiàn)的目標

能源互聯(lián)網(wǎng)是一個大型能源互聯(lián)系統(tǒng)，儲能作為重要基礎(chǔ)支撐，至少需要參與實現(xiàn)以下幾個方面的功能：

1）維持系統(tǒng)能量平衡。

隨著各類型能源網(wǎng)絡(luò)不斷擴展，能量的供應(yīng)不平衡問題日益凸顯，尤其在當前各能源網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)內(nèi)最大限度維持能量供應(yīng)平衡，也可在不同能源系統(tǒng)間維持能量的相對平衡。

2）實現(xiàn)不同能源網(wǎng)絡(luò)的耦合與協(xié)同。

能源互聯(lián)網(wǎng)涉及各種類型能源網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。電網(wǎng)、氣網(wǎng)、冷熱網(wǎng)等不同的能源形式要實現(xiàn)互聯(lián)必須有中間環(huán)節(jié)作為緩沖和能量解調(diào)。解調(diào)的方式也不盡相同，如將天然氣轉(zhuǎn)換為電能、冷熱能，將電能轉(zhuǎn)換為冷熱能、氫氣等。無論轉(zhuǎn)換成何種形式，轉(zhuǎn)換之后的能量存儲都不可或缺。儲能之后，原地或運輸?shù)侥衬茉淳W(wǎng)絡(luò)入口處按相應(yīng)控制策略對外釋能，實現(xiàn)不同能源網(wǎng)絡(luò)的耦合，合理有效的控制策略可進一步實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)的協(xié)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(fā)電存在波動性、不可預(yù)測性等缺點，若大量、直接并網(wǎng)將對電網(wǎng)帶來巨大危害，引進儲能技術(shù)作為并網(wǎng)緩沖環(huán)節(jié)能夠有效降低新能源發(fā)電對電網(wǎng)的危害性，減少“棄風棄光”等資源浪費情況的發(fā)生[16-17]。

4）保障能源供應(yīng)的品質(zhì)和連續(xù)性。

能源系統(tǒng)中，發(fā)電側(cè)和用電側(cè)存在間歇性能源和負荷，儲能系統(tǒng)能夠在系統(tǒng)能量波動時及時地進行有功或無功的補償，保障能量平穩(wěn)供應(yīng)。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，儲能系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)，保障能量供應(yīng)連續(xù)性。

5）改變能源供應(yīng)及消費模式。

儲能既可以實現(xiàn)不同能源網(wǎng)絡(luò)的耦合，也可以實現(xiàn)能源供應(yīng)和消費在時間和空間上的解耦。儲能技術(shù)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(yè)的進步。

1.2 能源互聯(lián)網(wǎng)對儲能系統(tǒng)的基本要求

儲能系統(tǒng)在能源互聯(lián)網(wǎng)中想要發(fā)揮理想中的作用，必須滿足以下一些要求。

1）與系統(tǒng)匹配的儲能規(guī)模。

若將能源互聯(lián)網(wǎng)中儲能設(shè)備看作一個整體，要實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)中各能源網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部及不同能源網(wǎng)絡(luò)間的能量調(diào)控，則必須配備足夠的儲能規(guī)模和調(diào)控功率，才能有效保證供能的平衡性和穩(wěn)定性。

2）滿足不同應(yīng)用場景的不同配置要求。

能源互聯(lián)網(wǎng)中能源應(yīng)用情景多種多樣，不同應(yīng)用情景對于是否需要儲能系統(tǒng)，需要什么類型的儲能系統(tǒng)都不盡相同。當前儲能技術(shù)處于平穩(wěn)發(fā)展階段，儲能效果(容量要求、功率要求)在穩(wěn)步提升，儲能成本在逐步下降。主要儲能技術(shù)參數(shù)對比如表 1[18-22]所示。儲能技術(shù)既包含適用于電網(wǎng)調(diào)頻或快速響應(yīng)的大功率儲能技術(shù)，也包含適用于電網(wǎng)調(diào)峰的大容量儲能技術(shù)，還包含適用于分布式儲能的技術(shù)。若將多種儲能技術(shù)合理組合，可實現(xiàn)同時具備快速功率響應(yīng)能力、大功率交換能力及大容量存儲能力的儲能系統(tǒng)，為實現(xiàn)能源網(wǎng)絡(luò)之間的能量調(diào)控提供技術(shù)保障。

3）經(jīng)濟可行。

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

表1 不同儲能技術(shù)的參數(shù)對比Tab. 1 Comparison of parameters of different energy storage technologies

2 能源互聯(lián)網(wǎng)中儲能的主要功能

儲能在能源互聯(lián)網(wǎng)各個環(huán)節(jié)，即發(fā)電側(cè)(能源源頭側(cè))、系統(tǒng)側(cè)(能源傳輸側(cè))、用戶側(cè)(能源消費側(cè))，都發(fā)揮著重要作用。

2.1 發(fā)電側(cè)

1）最大限度利用可再生能源。

儲能技術(shù)與可再生能源結(jié)合，其作用主要體現(xiàn)在：①提高可再生能源接入比例；②緩解“棄風棄光”等現(xiàn)象；③提高經(jīng)濟效益。

由于可再生能源往往伴隨著波動性和不可預(yù)測性等對能源系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生負面影響的現(xiàn)象，若大量接入能源系統(tǒng)則降低系統(tǒng)的整體安全性，局部電力網(wǎng)絡(luò)可能產(chǎn)生電壓失控等嚴重事故[23]。而儲能系統(tǒng)能夠快速提供功率響應(yīng)，及時做出功率補償，使得可再生能源發(fā)電變得相對可控，大幅提升能源系統(tǒng)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(jīng)濟效益，并且隨著技術(shù)、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(chǎn)的安全性。

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

2.2 系統(tǒng)側(cè)

1）提高系統(tǒng)運行安全性和穩(wěn)定性。

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

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

2）提高系統(tǒng)運行效率和效益。

系統(tǒng)中，能量供應(yīng)會根據(jù)負荷的變動情況而實時改變，但存在滯后。儲能系統(tǒng)在能量供應(yīng)富余時儲能，短缺時釋能，因其響應(yīng)速度快等優(yōu)勢，使得系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)靈活性和協(xié)同性。

儲能既可作為電源，也可作為負荷，儲能系統(tǒng)的削峰填谷作用也是基于此特性。而隨著儲能技術(shù)的快速提升及成本的持續(xù)下降，分布式儲能越發(fā)被廣泛應(yīng)用。如電動汽車、戶用儲能系統(tǒng)等，通過合理的調(diào)控策略使大量分布式儲能可靈活地參與到系統(tǒng)中，協(xié)同作用，維護系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性。

4）實現(xiàn)不同能源網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)。能源互聯(lián)網(wǎng)將各類型能源網(wǎng)絡(luò)有效互聯(lián)，須在能源網(wǎng)絡(luò)之間建立安全、有效的連接。儲能技術(shù)可將能量以其原本形式或轉(zhuǎn)換成其他形式存儲，經(jīng)過時間或空間的轉(zhuǎn)移，再將能量以其原本形式或轉(zhuǎn)換成其他形式釋放，實現(xiàn)不同能源網(wǎng)絡(luò)的耦合，也能實現(xiàn)能量傳輸在時間和空間上的解耦。儲能在能源互聯(lián)網(wǎng)中的作用方式如圖1所示。

圖1 儲能在能源互聯(lián)網(wǎng)中的作用方式Fig. 1 The way energy storage works in the Energy Internet

2.3 用戶側(cè)

1）保證能量供應(yīng)的質(zhì)量。

隨著電力網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，負荷種類在增加，負荷對供能品質(zhì)的要求在提升，而儲能具備調(diào)控供能質(zhì)量的優(yōu)越能力。當系統(tǒng)中因不可預(yù)測因素而產(chǎn)生電源短時或長時退出運行情況時，儲能系統(tǒng)可根據(jù)情況提供功率支撐，使供能質(zhì)量平穩(wěn)。分布式儲能技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，改變了能源系統(tǒng)的功率分布，降低了系統(tǒng)中能量傳輸損耗，也降低了系統(tǒng)供能質(zhì)量調(diào)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(zhì)量保證，如家用分布式儲能可以保證家庭電能質(zhì)量。

2）保證能量供應(yīng)的連續(xù)性。

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

3）促進新的能量管理方式產(chǎn)生。

在傳統(tǒng)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(tǒng)，而在能源互聯(lián)網(wǎng)中，因儲能的存在，用戶可根據(jù)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(tǒng)能量管理壓力，提升穩(wěn)定性。

4）促進新的用能方式產(chǎn)生。

當前，環(huán)境管理日益受到重視，電動汽車隨著儲能電池技術(shù)的快速發(fā)展在近幾年呈現(xiàn)出爆發(fā)增長的勢態(tài)，電動汽車將成為能源系統(tǒng)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(fā)展，實現(xiàn)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(chǎn)生。

在能源互聯(lián)網(wǎng)中，能量的生產(chǎn)者和消費者角色不再固定，根據(jù)不同時間、不同需求、不同規(guī)劃，角色可轉(zhuǎn)換。能源供應(yīng)商在原有能源供應(yīng)基礎(chǔ)上，可以利用儲能系統(tǒng)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(chǎn)能基礎(chǔ)上，結(jié)合自身生產(chǎn)力和能耗需求，選擇合適的時間利用儲能系統(tǒng)存儲能量，再根據(jù)能源交易市場實時的變化選擇是否以能量生產(chǎn)者身份參與交易以獲取利益。

能源互聯(lián)網(wǎng)中新的能源交易模式如圖 2所示，能源供應(yīng)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(jù)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(lián)網(wǎng)中能量交易模式Fig. 2 Energy trading in Energy Internet

3 能源互聯(lián)網(wǎng)中儲能的作用方式

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

3.1 能量的時空轉(zhuǎn)移

能源系統(tǒng)的日益復(fù)雜使得系統(tǒng)能量平衡難度與日俱增。當某些區(qū)域或某些能源網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)能量供應(yīng)大于能量需求時，將能量存儲待該區(qū)域出現(xiàn)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(zhuǎn)移(特指能量存儲之后相對較長一段時間的時間轉(zhuǎn)移)。除了時間轉(zhuǎn)移，能量的空間轉(zhuǎn)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(qū)域或能源網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)能量的時間轉(zhuǎn)移需要具備長時儲能能力的儲能技術(shù)支撐。能量的空間轉(zhuǎn)移總是伴隨著時間轉(zhuǎn)移，還需要加強對儲能設(shè)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(lián)網(wǎng)中，新能源的大量接入會導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生功率及頻率的波動。儲能可以快速跟蹤系統(tǒng)波動情況并及時吸收多余或補償短缺，平滑系統(tǒng)波動，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。

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

3.3 能量的保留備用

能源互聯(lián)網(wǎng)作為大型互聯(lián)系統(tǒng)，難免會有故障發(fā)生。當發(fā)生故障導(dǎo)致能量短缺時，儲能系統(tǒng)作為備用電源，可快速響應(yīng)，并根據(jù)情況調(diào)整輸出功率，補償系統(tǒng)緊缺能量。

儲能作為備用系統(tǒng)需要有快速響應(yīng)能力，儲能容量要根據(jù)應(yīng)用場景總功率等級來配置相應(yīng)容量。此外，儲能系統(tǒng)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(fā)生時能夠平穩(wěn)供電至系統(tǒng)恢復(fù)[32]。

3.4 能量的零存整取

在能源互聯(lián)網(wǎng)中，能量的生產(chǎn)存在分布式的熱點。有一些生產(chǎn)能量的方式因其產(chǎn)能功率小、速度慢，需將這些能量經(jīng)過一段時間的存儲待達到一定規(guī)模之后，再整體進行能量交易或能量供應(yīng)，如健身器材發(fā)電、小規(guī)模光伏或風力發(fā)電。

零存整取的方式使得小功率、分散式產(chǎn)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(shè)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(nèi)按需有序的向負荷提供能量供應(yīng)，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(guī)模大，后續(xù)少量多次對外釋能，儲能系統(tǒng)需要能大容量儲能且能量耗散要很低。

4 能源互聯(lián)網(wǎng)中儲能的需求、功能及作用方式之間的關(guān)系

能源互聯(lián)網(wǎng)中儲能需求、功能及作用方式的組合實現(xiàn)了多種儲能功能，而不同儲能功能的組合實現(xiàn)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(lián)網(wǎng)對儲能的基本需求的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示，為能源互聯(lián)網(wǎng)實際應(yīng)用中的儲能系統(tǒng)合理搭配、協(xié)調(diào)作用提供了有效參考。

5 結(jié)論

本文從能源互聯(lián)網(wǎng)對儲能的基本需求出發(fā)，列舉了儲能在能源互聯(lián)網(wǎng)中可以發(fā)揮的重要功能；在這些功能中發(fā)現(xiàn)它們的共同點，提出了儲能在能源互聯(lián)網(wǎng)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(guān)系；詳細總結(jié)了儲能在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用概況，建立了清晰的儲能系統(tǒng)框架，有助于人們理解和研究能源互聯(lián)網(wǎng)儲能技術(shù)。

圖3 能源互聯(lián)網(wǎng)中儲能的作用方式、功能及目標的對應(yīng)關(guān)系Fig.3 The corresponding relationship between the mode of operation, function and targets of energy storage in Energy Internet