能源互聯網中的儲能需求、儲能的功能和作用方式

朱永強， 郝嘉誠， 趙 娜， 王 欣

(新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室， 華北電力大學， 北京 102206)

1 引言

自20世紀以來，世界范圍內的能源與環(huán)境問題始終是促進能源科技進步和產業(yè)發(fā)展的原動力。隨著人們對生存環(huán)境和生活質量的深層關注，可持續(xù)發(fā)展已經成為世界各國的普遍共識，并且體現在社會生產的各個方面，尤其是能源領域。隨著人類社會能源消費總量的增長及對能源消費品質的需求的提升，社會能源消費結構和各種能源系統(tǒng)的結構組成甚至運行模式都在發(fā)生著潛移默化的改變。以智能電網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)電技術和改善能源利用效率的分布式發(fā)電技術成為亮點，這些都是對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)能量構成和運行方式的突破。

互聯網的應用普及和信息技術的快速發(fā)展為傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的變革帶來了新的契機，也使多種能源的協(xié)同發(fā)展成為可能。自2008年能源互聯網的概念被提出[1]以來，對能源互聯網的構想漸漸成形，并且正在一步步走向現實，有望成為第三次工業(yè)革命的核心代表[2]。近十年來，國內外有關能源互聯網的研究如雨后春筍，并且出現了一些示范項目[3]。目前，國內學者關于能源互聯網的討論和設想，大多是以智能電網為核心[4,5]，這是基于電網在目前各種能源網絡中最為成熟健全的現實考慮。

能源互聯網的發(fā)展理念應該包括[6]：①多類型能源的開放互聯、各種設備與系統(tǒng)的開放對等接入、各種參與者和終端用戶的開放參與；②以用戶為中心，有效推動能源互聯網在能源生產、運行、管理、消費、交易、服務等各環(huán)節(jié)創(chuàng)造價值；③分布式供能，實現能源產消的即插即用和能量時時處處平衡；④去中心化，不同參與者處于對等的位置，進行對等的交易；能源的生產和消費也是對等的，不再是單向的生產跟蹤。

能源互聯網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，能源互聯網的實現需要很多關鍵技術支撐，儲能技術就是其中的重要基礎。傳統(tǒng)能源系統(tǒng)中，儲能已經有廣泛的應用。在2016年5月召開的儲能國際論壇上，中關村儲能產業(yè)技術聯盟發(fā)布的《儲能產業(yè)研究白皮書2016》預測，到2020年，理想情景下儲能的總裝機規(guī)模將達24.2GW，常規(guī)情景下總裝機規(guī)模將達14.5GW，其中還不包含抽水蓄能的數據。根據國家《可再生能源“十三五”發(fā)展規(guī)劃(征求意見稿)》，我國抽水蓄能2020年裝機總規(guī)模將達40GW。能源互聯網要實現多種能源網絡的互通互聯，系統(tǒng)整體規(guī)模更大，涉及的能源種類更多，因此對儲能的數量和形式的要求更高。

現有文獻關于能源互聯網中儲能的討論，有些重點在于對儲能技術的分類介紹和對比[7-9]，有些專注于某種儲能技術在能源互聯網中的應用[10-12]，關于儲能的需求和作用的討論，大多是面向或沿襲了對電力系統(tǒng)(智能電網)中儲能應用的總結[13-16]。能源互聯網具有不同于智能電網的新特征，涉及多種能源形式及其相互轉換，組成結構和運行方式更加復雜多樣，因而對儲能的需求也更加多樣化，儲能作用方式更加豐富，能夠實現的功能也更加多樣。現有文獻對能源互聯網中儲能的討論還不夠系統(tǒng)全面，相關理論仍需不斷積累完善。

本文將系統(tǒng)地分析能源互聯網中的儲能需求，總結能源互聯網中儲能能夠實現的具體功能以及儲能的各種作用方式，并建立儲能的需求、功能、作用方式之間的對應關系。

2 能源互聯網中的儲能需求

2.1 能源互聯網中需要儲能參與實現的目標

為了實現能源互聯網發(fā)展的目標和理念，至少有以下幾個方面可能需要儲能技術作支撐：

(1)維持系統(tǒng)的能量平衡

既包括各種能源系統(tǒng)內部的能量平衡，也包括整個能源互聯網系統(tǒng)的能量平衡，實現安全、穩(wěn)定、可靠的能源生產和輸送。

(2)實現不同能源系統(tǒng)的耦合和協(xié)同

能源互聯網是多種能源網絡互通互聯的系統(tǒng)，不同時空維度的能源網絡之間的相互耦合，可能就需要儲能系統(tǒng)作為橋梁。并且可以通過儲能系統(tǒng)的調節(jié)作用，實現不同能源網絡之間的協(xié)同運行。

(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、棄光的概率，充分利用清潔的可再生資源提供的能量。

(4)保障能源供應的品質和連續(xù)性

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

(5)拓展新的用能方式和能源替代

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

(6)改變能源供應的管理和交易模式

利用儲能在一定程度上實現能源生產和消費在時間、空間上的解耦，有助于推進能源管理和交易模式的變革，促進能源消費的市場化。

2.2 能源互聯網對儲能系統(tǒng)的基本要求

能源互聯網中的儲能系統(tǒng)，作為一個整體考慮，應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

為了實現整個能源互聯網及各個能源網絡內部的能量平衡，儲能系統(tǒng)整體應該具有足夠大的儲能容量和交換功率，以實現能源網絡級別的能量調控。

(2)滿足各種性能要求的合理配置

能源互聯網對儲能系統(tǒng)的功能需求多種多樣，能源互聯網以及各個能源網絡內部往往都具有多種形式的儲能系統(tǒng)。不同的儲能形式具有不同的性能特點和經濟成本[7-9]，如表1所示。這就要求多種類、多個儲能系統(tǒng)進行合理的搭配，滿足能源互聯網整體及局部的不同儲能需求，如足夠快的功率響應速度、足夠大的交換功率、較長時間尺度的能量存儲能力。

表1 不同形式儲能的性能特點和經濟成本Tab.1 Performance characteristics and economic cost of different energy storage forms

(3)可以接受的經濟成本

能源互聯網中儲能的容量需求很大，而儲能設備的成本又普遍較高。這就要求通過技術革新或優(yōu)化配置，在滿足技術性能要求的前提下，設法降低儲能的總量需求，或者盡量降低高成本儲能設備的需求，提高設備的儲能效率，并通過合理的能量管理和控制策略，延長儲能設備的使用壽命，降低儲能設備的建設和運行成本。此外，對環(huán)境的二次污染也是選擇儲能系統(tǒng)時應該考慮的問題[13-16]。

3 能源互聯網中儲能的功能

儲能系統(tǒng)在能源互聯網中充當著多種角色：①服務于系統(tǒng)；②服務于用戶；③服務于整體；④服務于局部。本節(jié)將對能源互聯網中儲能的具體功能進行梳理。

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

任何擾動都會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，只要儲能裝置容量足夠大且響應速度足夠快，理論上就可以實現在任何情況下不同能源網內部的能量平衡，保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。儲能在提高系統(tǒng)運行安全性與穩(wěn)定性方面的具體表現形式有以下幾種：

(1)削峰填谷，減小失穩(wěn)壓力。儲能系統(tǒng)可根據供能與耗能之間的差異變化情況及時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，降低大擾動的影響。儲能可作為備用能源，在系統(tǒng)中出現大的擾動時即插即用，增加系統(tǒng)的抗干擾能力，降低擾動帶來的影響。

(3)功率支撐，改善系統(tǒng)供能穩(wěn)定性。儲能系統(tǒng)可向電網提供1～2s有功支撐，使電網中各機組在受擾動后仍能保持同步運行[17]，降低系統(tǒng)失穩(wěn)的概率。

3.2 提高系統(tǒng)運行的效率和效益(系統(tǒng)側)

系統(tǒng)中能量的供應應根據負荷的波動情況時刻保持平滑的變動。儲能系統(tǒng)在能量供應富余期間進行能量存儲，在供應緊張期間進行能量釋放，可在一定程度上減小能量供應的峰谷差，從而提高系統(tǒng)的運行效率。同時，由于儲能的存在，可減小系統(tǒng)對于備用容量的需求，降低擴容投入，減少由于能量供需差異帶來的能量運輸成本，從而提高系統(tǒng)的效益。

3.3 實現不同能源網絡之間的耦合(系統(tǒng)側)

儲能系統(tǒng)是各種能源網之間耦合的橋梁。儲能系統(tǒng)可以將不同能源網中的能源以不同的形式進行存儲，當系統(tǒng)需要時再釋放能量。在儲能系統(tǒng)存儲和釋放能量的過程中，還存在著能量的轉換問題，這就使不同的能源網通過儲能系統(tǒng)相互聯系，實現了能源網的耦合。此外，儲能系統(tǒng)還可以實現能源網的解耦。儲能系統(tǒng)可將儲存的能量在合適的時間進行釋放，實現時間上的解耦；也可根據不同能源網內部的能量供應與消耗的關系，將存儲的能量在不同的能源網之間進行適當的運輸轉移，實現空間上的解耦。儲能在能源互聯網中的作用方式如圖2所示。

圖2 儲能在能源互聯網中的作用方式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)

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

(1)儲能可以轉換能量形式，使能源的調度更加靈活。例如，電動汽車可以通過V2G (Vehicle-to-Grid，V2G)的方式扮演分布式負荷和電源的角色。當電動汽車作為負荷時，通過合理安排充電時間，可以實現有序充電管理，達到移峰填谷的效果，提高系統(tǒng)運行效率；當電動汽車作為儲能裝置時，可以將其作為系統(tǒng)的備用容量，峰荷時向電網提供電能，優(yōu)化電網運行。另外，在能源互聯網中，儲能系統(tǒng)存儲與輸出的能量形式未必相同，這就使得能量形式可相互轉換，滿足系統(tǒng)對于不同形式能量的需求。

(2)各種類型儲能間的協(xié)調配合，可以增強系統(tǒng)的協(xié)同性。不同種類的儲能可根據系統(tǒng)的整體需求，以儲能系統(tǒng)的經濟性更好及能源的利用效率更高為目標，進行協(xié)調配合，增強多能源系統(tǒng)的協(xié)同性，提高系統(tǒng)的運行效率。

3.5 充分利用可再生能源(發(fā)電側)

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

(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，當其大量接入時會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而儲能裝置可為系統(tǒng)提供快速有功支撐，平滑波動，提高系統(tǒng)接納可再生能源的能力。

(2)減少棄風、棄光等能源浪費現象。風能、太陽能等可再生能源已經得到了大量的利用，但因其受自然條件影響，具有較大的波動性和間歇性，因此保守的調度導致棄風棄光現象嚴重。儲能裝置可將被丟棄的能量進行存儲，用于平抑風力及光照條件不穩(wěn)定引起的輸出波動。

3.6 保障能源生產的安全性(發(fā)電側)

在能源生產過程中，總會或多或少地出現一些故障，導致無法進行能源供應，影響能源的生產安全。儲能系統(tǒng)可幫助供能系統(tǒng)重新啟動，恢復正常運行。例如，當火電機組沒有廠用電時，存儲的柴油可向燃機起動機提供能量，使系統(tǒng)恢復工作，實現系統(tǒng)自愈；水電站在沒有廠用交流電的情況下，可利用電廠直流系統(tǒng)蓄電池儲存的電能量和液壓系統(tǒng)儲存的液壓能量，完成機組自啟動，恢復自身及外部的能量供應，保障能源生產安全。

3.7 保障能量供應的質量(用戶側)

近年來系統(tǒng)能量供應品質的不穩(wěn)定問題受到了人們的關注，儲能系統(tǒng)的接入可改善能量供應的質量問題。

(1)平抑功率波動，保證能量供應的品質。在電源出現瞬時故障或者長時間退出運行時，儲能可以向系統(tǒng)提供功率支持，減小或消除功率的不規(guī)則波動，使能量供應質量得到提高。

(2)分布式儲能，保證電能質量。分布式儲能可改變傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)結構，改變系統(tǒng)中能量流動方向，改善功率分布，從而減少能量傳輸過程中的損耗，提高電壓水平。

3.8 保障能量供應的連續(xù)性(用戶側)

能量供應一般具有間歇性，而系統(tǒng)中的重要負荷要求能量供應不能出現任何時長的短缺情況。儲能系統(tǒng)可作為不間斷電源，有效解決能源供應的間歇性問題。

(1)作為應急，解決能量瞬時或短時間的供應短缺的問題。當系統(tǒng)中出現大擾動引起的瞬時供能波動時，儲能系統(tǒng)可在短時間內進行能量供應，平滑波動，保證能量供應的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

(2)作為備用，解決能量長時間供應不足問題。任何設備在使用一段時間后都要進行檢修，在設備檢修期間或是系統(tǒng)出現大的故障時，儲能系統(tǒng)可以進行供能，直至系統(tǒng)恢復正常運行。

3.9 拓展新的用能方式和能源替代(用戶側)

在能源互聯網背景下，用能方式也逐漸增多。例如，隨著人們對環(huán)境與氣候問題的不斷重視，電動汽車的研發(fā)和推廣得到了快速發(fā)展，且隨著電動汽車數量的不斷增多，它也將成為系統(tǒng)中的重要負荷。電動汽車儲能電站發(fā)揮著類似原有加油站的功能，可對電動汽車進行能量補充，使電動汽車的大規(guī)模應用成為可能。此外，用電動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，實現了能源替代，降低了環(huán)境污染。

3.10 支持新的能量管理模式(用戶側)

將儲能系統(tǒng)應用于用戶側的能量管理系統(tǒng)，使其在用戶側負荷低谷期時存儲能量，在負荷的高峰期時進行能量的釋放，適時地在合適位置進行有功及無功補償，從而改變系統(tǒng)的能量分布情況。儲能系統(tǒng)在用戶側能量管理系統(tǒng)中的應用，實現了用戶側對電能質量的調節(jié)，改變了用戶側的能量管理模式，使用戶不僅以負荷的形式存在，還可以參與對系統(tǒng)穩(wěn)定性的調節(jié)。

3.11 支持新的能源交易模式

在能源互聯網背景下，能源的交易模式會發(fā)生改變，實現生產者和消費者的角色互換。由于儲能系統(tǒng)的存在，大型能源供應商可利用儲能的庫存進行交易，用戶同樣可以利用儲能裝置，將能量進行存儲，以生產者的角色自主選擇進行能量交易或是退出市場，改變了其與能源供應商之間的固有關系。儲能的存在還為用戶直接參與能源交易提供了可能性，用戶可根據自身的能耗需求和生產能力，結合配置的儲能，向能源市場發(fā)出特定的能源需求；或在一些時段，以生產者的角色向市場提供可靠的能源供給。

能源互聯網下新的能源交易模式如圖3所示。能源供應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行交易，還可以利用儲能將能源以某種形式(例如電池)儲存起來，然后進行交易。用戶除了可以直接與能源供應商進行交易外，還可以根據自身需要從交易中心購買能源；或是在能源價格低廉時買進，進行儲備，待需要時使用。用戶也可以通過自身配置的儲能實現能源的自發(fā)自用，多余的能源還可以進行能源交易。

圖3 能源互聯網下新的能源交易模式Fig.3 New energy transaction model in Energy Internet

4 能源互聯網中儲能的作用方式

不同類型的儲能設備，由于其物理結構和工作原理的差別，往往具有不同的性能特點。即便是相同類型的儲能系統(tǒng)，由于承擔著不同的功能，在運行過程中往往也表現出不同的響應特征。因此，各種形式、各種功能的儲能系統(tǒng)，往往以不同的表現方式在能源互聯網中發(fā)揮著各自的作用，如圖2所示。

在能源互聯網中，儲能系統(tǒng)的作用方式大致可以分為能量的時間轉移、空間轉移、快速吞吐、保留備用、零存整取以及整存零取六種。廣義上來說，任何儲能過程都伴隨著時間轉移，任何儲能系統(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間轉移與保留備用均是狹義上的概念，能量的時間轉移指從儲能裝置吸收能量開始到釋放能量期間較長一段時間的推移；能量的保留備用是指為防出現能量的短缺現象而專門儲備留用的能量。

4.1 能量的時間轉移

在某種能源網絡中，當能源生產大于消費需求時，將多余的能量以特定的儲能方式存儲起來，留待將來該能源網絡能量不足時再釋放使用。例如抽水蓄能用于電網日負荷的削峰填谷，用于不同季節(jié)的能量轉移使用。

這種作用方式的特點是，儲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，只是被存儲的能量在該能源網絡中發(fā)揮作用的時刻被推遲了，因此稱之為能量的時間轉移。

這種作用方式往往要求儲能的容量足夠大、存儲的時間足夠長。

4.2 能量的空間轉移

整個能源互聯網又分為不同的能源子網，即各個局域能源網組成一個整體。不同能源網同時達到供需平衡是很難實現的，此時就需要儲能進行不同能源網之間的能量互補，維持系統(tǒng)的能量平衡。

這種作用方式的特點是，儲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，存儲的能量發(fā)揮作用的時刻由于能量在運輸過程中的時間消耗同樣被推遲。這種作用方式稱之為能量的空間轉移。

能量的時間轉移未必伴隨著空間轉移，能量的空間轉移一定伴隨著時間轉移。這種儲能方式往往要求能量存儲期間能量衰減程度較低，對儲能裝置安全可靠性要求較高。

4.3 能量的快速吞吐

能源互聯網的一個特點是新能源的大量接入，但新能源的接入會影響系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，包括系統(tǒng)的功率波動、頻率波動等。而一些能夠快速吞吐能量的儲能設備可在系統(tǒng)穩(wěn)定性波動期間進行快速的投入切出，平滑波動，改善系統(tǒng)性能。

這種作用方式的特點是能量的存儲及釋放速度較快，具有秒級甚至毫秒級的反應時間。

這種作用方式要求儲能設備的啟停速度較快，且一般要求具有較高的功率等級。

4.4 能量的保留備用

能源網中往往會由于某種原因出現能量的短缺現象，此時儲能可作為能源系統(tǒng)的備用，即插即用，及時進行能量補充。例如，當化石燃料短缺進而引起熱供應不足時，太陽能儲熱裝置進行的熱存儲可及時進行能量供應。

這種作用方式的特點是能量釋放速度較快，且根據實際情況不同，能量存儲時間的長短也不同。

這種作用方式一般要求具有較大的能量存儲容量，且能量存儲期間損耗較小，可進行短時間或長時間的存儲。

4.5 能量的零存整取

不同種類儲能的能量儲存規(guī)模及容量都不相同。對于一些儲能速度較慢、單次存儲能量較少的儲能方式，我們可利用其進行較長時間的能量存儲，當存儲的能量達到一定規(guī)模時再進行釋放，實現功率等級較大的儲能方式的功能。例如健身器材發(fā)電，首先將每個健身器材產生的較少能量進行存儲，當積累到一定量時再進行能量的釋放。

這種作用方式的特點是一次性存儲的能量較少，而供能時將積攢的能量進行大功率釋放，反映到時間上為長時間的能量存儲，短時間的能量釋放。這種作用方式稱之為零存整取。

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

4.6 能量的整存零取

在實際的儲能過程中，由于運輸條件及儲能裝置自身的原因經常會出現能量的囤積現象，即將能量進行大量囤積后再分批、分時段進行利用。例如，煤等化石原料在運輸存儲過程中往往會進行一次性大量囤積，進行幾天或者更長時間的能量供應。

這種作用方式的特點是能量一次性存儲的容量較大，能量利用為少量多次的利用方式，反映到時間上為在短時間內大量存儲能量，進行長時間的能量供應，這種作用方式稱之為整存零取。

這種作用方式要求儲能的容量大，能量存儲時間長且有較低的自耗散率，例如太陽池、存煤。

5 儲能需求、功能、作用方式的對應關系

能源互聯網中儲能的需求、功能、作用方式之間的對應關系如圖4所示。儲能不同作用方式的相互組合共同實現了儲能在能源互聯網中的各種功能，而要實現能源互聯網發(fā)展的目標和理念，則要由儲能的各種功能來滿足能源互聯網在某些方面對于儲能的需求。其中，作用方式是最基礎的分類依據，便于合理搭配不同類型的儲能，從而實現儲能的優(yōu)化配置和協(xié)調控制，進而改善和提高整個系統(tǒng)的性能和運行效率。

圖4 能源互聯網中儲能的作用方式、功能與目標的對應關系Fig.4 Correlation between action manners, functions and demands of energy storage in Energy Internet

6 結論

能源互聯網的提出為我們描繪了多能源系統(tǒng)協(xié)同運行和共同發(fā)展的新愿景。為實現能源互聯網發(fā)展的目標和理念，儲能技術將是支撐未來能源互聯網的關鍵技術之一。

本文從能源互聯網發(fā)展的目標和理念出發(fā)，系統(tǒng)地總結了儲能在能源互聯網中的需求、功能和作用方式，以及這三者之間的對應關系，即儲能不同作用方式的相互組合共同實現了儲能在能源互聯網中的各種功能，而這些功能又滿足了能源互聯網在某些方面對于儲能技術的需求。這些概念和理論的提出，使人們對能源互聯網及儲能技術有一個系統(tǒng)、全面的認識，同時建立了較為完善的能源互聯網中儲能技術的理論框架，有助于未來相關領域的理論研究和技術探討。

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