能源互联网中的储能需求、储能的功能和作用方式

朱永强， 郝嘉诚， 赵 娜， 王 欣

(新能源电力系统国家重点实验室， 华北电力大学， 北京 102206)

1 引言

自20世纪以来，世界范围内的能源与环境问题始终是促进能源科技进步和产业发展的原动力。随着人们对生存环境和生活质量的深层关注，可持续发展已经成为世界各国的普遍共识，并且体现在社会生产的各个方面，尤其是能源领域。随着人类社会能源消费总量的增长及对能源消费品质的需求的提升，社会能源消费结构和各种能源系统的结构组成甚至运行模式都在发生着潜移默化的改变。以智能电网为代表的新型能源系统得到了快速的发展，其中旨在提高能源可持续性的可再生能源发电技术和改善能源利用效率的分布式发电技术成为亮点，这些都是对传统电力系统能量构成和运行方式的突破。

互联网的应用普及和信息技术的快速发展为传统能源系统的变革带来了新的契机，也使多种能源的协同发展成为可能。自2008年能源互联网的概念被提出[1]以来，对能源互联网的构想渐渐成形，并且正在一步步走向现实，有望成为第三次工业革命的核心代表[2]。近十年来，国内外有关能源互联网的研究如雨后春笋，并且出现了一些示范项目[3]。目前，国内学者关于能源互联网的讨论和设想，大多是以智能电网为核心[4,5]，这是基于电网在目前各种能源网络中最为成熟健全的现实考虑。

能源互联网的发展理念应该包括[6]：①多类型能源的开放互联、各种设备与系统的开放对等接入、各种参与者和终端用户的开放参与；②以用户为中心，有效推动能源互联网在能源生产、运行、管理、消费、交易、服务等各环节创造价值；③分布式供能，实现能源产消的即插即用和能量时时处处平衡；④去中心化，不同参与者处于对等的位置，进行对等的交易；能源的生产和消费也是对等的，不再是单向的生产跟踪。

能源互联网的概念开辟了能源系统发展的新愿景，但是作为新生事物，能源互联网的实现需要很多关键技术支撑，储能技术就是其中的重要基础。传统能源系统中，储能已经有广泛的应用。在2016年5月召开的储能国际论坛上，中关村储能产业技术联盟发布的《储能产业研究白皮书2016》预测，到2020年，理想情景下储能的总装机规模将达24.2GW，常规情景下总装机规模将达14.5GW，其中还不包含抽水蓄能的数据。根据国家《可再生能源“十三五”发展规划(征求意见稿)》，我国抽水蓄能2020年装机总规模将达40GW。能源互联网要实现多种能源网络的互通互联，系统整体规模更大，涉及的能源种类更多，因此对储能的数量和形式的要求更高。

现有文献关于能源互联网中储能的讨论，有些重点在于对储能技术的分类介绍和对比[7-9]，有些专注于某种储能技术在能源互联网中的应用[10-12]，关于储能的需求和作用的讨论，大多是面向或沿袭了对电力系统(智能电网)中储能应用的总结[13-16]。能源互联网具有不同于智能电网的新特征，涉及多种能源形式及其相互转换，组成结构和运行方式更加复杂多样，因而对储能的需求也更加多样化，储能作用方式更加丰富，能够实现的功能也更加多样。现有文献对能源互联网中储能的讨论还不够系统全面，相关理论仍需不断积累完善。

本文将系统地分析能源互联网中的储能需求，总结能源互联网中储能能够实现的具体功能以及储能的各种作用方式，并建立储能的需求、功能、作用方式之间的对应关系。

2 能源互联网中的储能需求

2.1 能源互联网中需要储能参与实现的目标

为了实现能源互联网发展的目标和理念，至少有以下几个方面可能需要储能技术作支撑：

(1)维持系统的能量平衡

既包括各种能源系统内部的能量平衡，也包括整个能源互联网系统的能量平衡，实现安全、稳定、可靠的能源生产和输送。

(2)实现不同能源系统的耦合和协同

能源互联网是多种能源网络互通互联的系统，不同时空维度的能源网络之间的相互耦合，可能就需要储能系统作为桥梁。并且可以通过储能系统的调节作用，实现不同能源网络之间的协同运行。

(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，并且减少弃风、弃光的概率，充分利用清洁的可再生资源提供的能量。

(4)保障能源供应的品质和连续性

在系统中存在波动性、间歇性能源或负荷的情况下，保证能量供应的平稳。在系统受到扰动或者发生故障的情况下，保证能量生产和供应的连续性。

(5)拓展新的用能方式和能源替代

例如提高储能电池的容量、性能和寿命，并降低成本，助力电动汽车的普及，加快替代以石油和天然气为燃料的汽车，实现能源的清洁利用。

(6)改变能源供应的管理和交易模式

利用储能在一定程度上实现能源生产和消费在时间、空间上的解耦，有助于推进能源管理和交易模式的变革，促进能源消费的市场化。

2.2 能源互联网对储能系统的基本要求

能源互联网中的储能系统，作为一个整体考虑，应该满足下列基本要求：

(1)与系统规模相称的总量规模

为了实现整个能源互联网及各个能源网络内部的能量平衡，储能系统整体应该具有足够大的储能容量和交换功率，以实现能源网络级别的能量调控。

(2)满足各种性能要求的合理配置

能源互联网对储能系统的功能需求多种多样，能源互联网以及各个能源网络内部往往都具有多种形式的储能系统。不同的储能形式具有不同的性能特点和经济成本[7-9]，如表1所示。这就要求多种类、多个储能系统进行合理的搭配，满足能源互联网整体及局部的不同储能需求，如足够快的功率响应速度、足够大的交换功率、较长时间尺度的能量存储能力。

表1 不同形式储能的性能特点和经济成本Tab.1 Performance characteristics and economic cost of different energy storage forms

(3)可以接受的经济成本

能源互联网中储能的容量需求很大，而储能设备的成本又普遍较高。这就要求通过技术革新或优化配置，在满足技术性能要求的前提下，设法降低储能的总量需求，或者尽量降低高成本储能设备的需求，提高设备的储能效率，并通过合理的能量管理和控制策略，延长储能设备的使用寿命，降低储能设备的建设和运行成本。此外，对环境的二次污染也是选择储能系统时应该考虑的问题[13-16]。

3 能源互联网中储能的功能

储能系统在能源互联网中充当着多种角色：①服务于系统；②服务于用户；③服务于整体；④服务于局部。本节将对能源互联网中储能的具体功能进行梳理。

3.1 提高系统运行的安全性和稳定性(系统侧)

任何扰动都会影响系统的稳定性，只要储能装置容量足够大且响应速度足够快，理论上就可以实现在任何情况下不同能源网内部的能量平衡，保障系统的安全稳定。储能在提高系统运行安全性与稳定性方面的具体表现形式有以下几种：

(1)削峰填谷，减小失稳压力。储能系统可根据供能与耗能之间的差异变化情况及时可靠地改变其出力水平，削峰填谷，从而改善系统稳定性，减小失稳压力。储能系统在电力系统中的削峰填谷作用如图1所示。

图1 储能系统在电力系统中的削峰填谷作用Fig.1 Role of peak shaving and valley filling of energy storage system in power system

(2)增加备用，降低大扰动的影响。储能可作为备用能源，在系统中出现大的扰动时即插即用，增加系统的抗干扰能力，降低扰动带来的影响。

(3)功率支撑，改善系统供能稳定性。储能系统可向电网提供1～2s有功支撑，使电网中各机组在受扰动后仍能保持同步运行[17]，降低系统失稳的概率。

3.2 提高系统运行的效率和效益(系统侧)

系统中能量的供应应根据负荷的波动情况时刻保持平滑的变动。储能系统在能量供应富余期间进行能量存储，在供应紧张期间进行能量释放，可在一定程度上减小能量供应的峰谷差，从而提高系统的运行效率。同时，由于储能的存在，可减小系统对于备用容量的需求，降低扩容投入，减少由于能量供需差异带来的能量运输成本，从而提高系统的效益。

3.3 实现不同能源网络之间的耦合(系统侧)

储能系统是各种能源网之间耦合的桥梁。储能系统可以将不同能源网中的能源以不同的形式进行存储，当系统需要时再释放能量。在储能系统存储和释放能量的过程中，还存在着能量的转换问题，这就使不同的能源网通过储能系统相互联系，实现了能源网的耦合。此外，储能系统还可以实现能源网的解耦。储能系统可将储存的能量在合适的时间进行释放，实现时间上的解耦；也可根据不同能源网内部的能量供应与消耗的关系，将存储的能量在不同的能源网之间进行适当的运输转移，实现空间上的解耦。储能在能源互联网中的作用方式如图2所示。

图2 储能在能源互联网中的作用方式Fig.2 Action manner of energy storage in Energy Internet

3.4 提高多能源系统的灵活性和协同性(系统侧)

储能系统除具有储存能量的功能外，还可以将不同形式的能量联系在一起，使能源网各元素之间的联系更加紧密，提高多能源系统的灵活性和协同性。

(1)储能可以转换能量形式，使能源的调度更加灵活。例如，电动汽车可以通过V2G (Vehicle-to-Grid，V2G)的方式扮演分布式负荷和电源的角色。当电动汽车作为负荷时，通过合理安排充电时间，可以实现有序充电管理，达到移峰填谷的效果，提高系统运行效率；当电动汽车作为储能装置时，可以将其作为系统的备用容量，峰荷时向电网提供电能，优化电网运行。另外，在能源互联网中，储能系统存储与输出的能量形式未必相同，这就使得能量形式可相互转换，满足系统对于不同形式能量的需求。

(2)各种类型储能间的协调配合，可以增强系统的协同性。不同种类的储能可根据系统的整体需求，以储能系统的经济性更好及能源的利用效率更高为目标，进行协调配合，增强多能源系统的协同性，提高系统的运行效率。

3.5 充分利用可再生能源(发电侧)

随着能源互联网的发展，可再生能源将逐步成为主要能源，但其能量供应受自然条件影响，具有间歇性和波动性。储能系统可平衡可再生能源带来的不稳定性，平滑可再生能源带来的波动，增加其渗透率，并减少能源的浪费。

(1)支持高比例可再生能源接入。由于可再生能源具有间歇性，当其大量接入时会降低系统的稳定性，而储能装置可为系统提供快速有功支撑，平滑波动，提高系统接纳可再生能源的能力。

(2)减少弃风、弃光等能源浪费现象。风能、太阳能等可再生能源已经得到了大量的利用，但因其受自然条件影响，具有较大的波动性和间歇性，因此保守的调度导致弃风弃光现象严重。储能装置可将被丢弃的能量进行存储，用于平抑风力及光照条件不稳定引起的输出波动。

3.6 保障能源生产的安全性(发电侧)

在能源生产过程中，总会或多或少地出现一些故障，导致无法进行能源供应，影响能源的生产安全。储能系统可帮助供能系统重新启动，恢复正常运行。例如，当火电机组没有厂用电时，存储的柴油可向燃机起动机提供能量，使系统恢复工作，实现系统自愈；水电站在没有厂用交流电的情况下，可利用电厂直流系统蓄电池储存的电能量和液压系统储存的液压能量，完成机组自启动，恢复自身及外部的能量供应，保障能源生产安全。

3.7 保障能量供应的质量(用户侧)

近年来系统能量供应品质的不稳定问题受到了人们的关注，储能系统的接入可改善能量供应的质量问题。

(1)平抑功率波动，保证能量供应的品质。在电源出现瞬时故障或者长时间退出运行时，储能可以向系统提供功率支持，减小或消除功率的不规则波动，使能量供应质量得到提高。

(2)分布式储能，保证电能质量。分布式储能可改变传统的电力系统结构，改变系统中能量流动方向，改善功率分布，从而减少能量传输过程中的损耗，提高电压水平。

3.8 保障能量供应的连续性(用户侧)

能量供应一般具有间歇性，而系统中的重要负荷要求能量供应不能出现任何时长的短缺情况。储能系统可作为不间断电源，有效解决能源供应的间歇性问题。

(1)作为应急，解决能量瞬时或短时间的供应短缺的问题。当系统中出现大扰动引起的瞬时供能波动时，储能系统可在短时间内进行能量供应，平滑波动，保证能量供应的连续性和稳定性。

(2)作为备用，解决能量长时间供应不足问题。任何设备在使用一段时间后都要进行检修，在设备检修期间或是系统出现大的故障时，储能系统可以进行供能，直至系统恢复正常运行。

3.9 拓展新的用能方式和能源替代(用户侧)

在能源互联网背景下，用能方式也逐渐增多。例如，随着人们对环境与气候问题的不断重视，电动汽车的研发和推广得到了快速发展，且随着电动汽车数量的不断增多，它也将成为系统中的重要负荷。电动汽车储能电站发挥着类似原有加油站的功能，可对电动汽车进行能量补充，使电动汽车的大规模应用成为可能。此外，用电动汽车代替部分燃油汽车，利用可再生能源代替不可再生能源，实现了能源替代，降低了环境污染。

3.10 支持新的能量管理模式(用户侧)

将储能系统应用于用户侧的能量管理系统，使其在用户侧负荷低谷期时存储能量，在负荷的高峰期时进行能量的释放，适时地在合适位置进行有功及无功补偿，从而改变系统的能量分布情况。储能系统在用户侧能量管理系统中的应用，实现了用户侧对电能质量的调节，改变了用户侧的能量管理模式，使用户不仅以负荷的形式存在，还可以参与对系统稳定性的调节。

3.11 支持新的能源交易模式

在能源互联网背景下，能源的交易模式会发生改变，实现生产者和消费者的角色互换。由于储能系统的存在，大型能源供应商可利用储能的库存进行交易，用户同样可以利用储能装置，将能量进行存储，以生产者的角色自主选择进行能量交易或是退出市场，改变了其与能源供应商之间的固有关系。储能的存在还为用户直接参与能源交易提供了可能性，用户可根据自身的能耗需求和生产能力，结合配置的储能，向能源市场发出特定的能源需求；或在一些时段，以生产者的角色向市场提供可靠的能源供给。

能源互联网下新的能源交易模式如图3所示。能源供应商可以直接将能源卖给用户，也可以将能源放到交易中心进行交易，还可以利用储能将能源以某种形式(例如电池)储存起来，然后进行交易。用户除了可以直接与能源供应商进行交易外，还可以根据自身需要从交易中心购买能源；或是在能源价格低廉时买进，进行储备，待需要时使用。用户也可以通过自身配置的储能实现能源的自发自用，多余的能源还可以进行能源交易。

图3 能源互联网下新的能源交易模式Fig.3 New energy transaction model in Energy Internet

4 能源互联网中储能的作用方式

不同类型的储能设备，由于其物理结构和工作原理的差别，往往具有不同的性能特点。即便是相同类型的储能系统，由于承担着不同的功能，在运行过程中往往也表现出不同的响应特征。因此，各种形式、各种功能的储能系统，往往以不同的表现方式在能源互联网中发挥着各自的作用，如图2所示。

在能源互联网中，储能系统的作用方式大致可以分为能量的时间转移、空间转移、快速吞吐、保留备用、零存整取以及整存零取六种。广义上来说，任何储能过程都伴随着时间转移，任何储能系统也都起到了能量的保留备用的作用。而下文所定义的能量的时间转移与保留备用均是狭义上的概念，能量的时间转移指从储能装置吸收能量开始到释放能量期间较长一段时间的推移；能量的保留备用是指为防出现能量的短缺现象而专门储备留用的能量。

4.1 能量的时间转移

在某种能源网络中，当能源生产大于消费需求时，将多余的能量以特定的储能方式存储起来，留待将来该能源网络能量不足时再释放使用。例如抽水蓄能用于电网日负荷的削峰填谷，用于不同季节的能量转移使用。

这种作用方式的特点是，储能吸收和释放能量的位置是相同的，吸收之前和释放之后的能量形式也是相同的，只是被存储的能量在该能源网络中发挥作用的时刻被推迟了，因此称之为能量的时间转移。

这种作用方式往往要求储能的容量足够大、存储的时间足够长。

4.2 能量的空间转移

整个能源互联网又分为不同的能源子网，即各个局域能源网组成一个整体。不同能源网同时达到供需平衡是很难实现的，此时就需要储能进行不同能源网之间的能量互补，维持系统的能量平衡。

这种作用方式的特点是，储能吸收和释放能量的位置是不相同的，吸收之前和释放之后的能量形式也未必相同，存储的能量发挥作用的时刻由于能量在运输过程中的时间消耗同样被推迟。这种作用方式称之为能量的空间转移。

能量的时间转移未必伴随着空间转移，能量的空间转移一定伴随着时间转移。这种储能方式往往要求能量存储期间能量衰减程度较低，对储能装置安全可靠性要求较高。

4.3 能量的快速吞吐

能源互联网的一个特点是新能源的大量接入，但新能源的接入会影响系统的整体稳定性，包括系统的功率波动、频率波动等。而一些能够快速吞吐能量的储能设备可在系统稳定性波动期间进行快速的投入切出，平滑波动，改善系统性能。

这种作用方式的特点是能量的存储及释放速度较快，具有秒级甚至毫秒级的反应时间。

这种作用方式要求储能设备的启停速度较快，且一般要求具有较高的功率等级。

4.4 能量的保留备用

能源网中往往会由于某种原因出现能量的短缺现象，此时储能可作为能源系统的备用，即插即用，及时进行能量补充。例如，当化石燃料短缺进而引起热供应不足时，太阳能储热装置进行的热存储可及时进行能量供应。

这种作用方式的特点是能量释放速度较快，且根据实际情况不同，能量存储时间的长短也不同。

这种作用方式一般要求具有较大的能量存储容量，且能量存储期间损耗较小，可进行短时间或长时间的存储。

4.5 能量的零存整取

不同种类储能的能量储存规模及容量都不相同。对于一些储能速度较慢、单次存储能量较少的储能方式，我们可利用其进行较长时间的能量存储，当存储的能量达到一定规模时再进行释放，实现功率等级较大的储能方式的功能。例如健身器材发电，首先将每个健身器材产生的较少能量进行存储，当积累到一定量时再进行能量的释放。

这种作用方式的特点是一次性存储的能量较少，而供能时将积攒的能量进行大功率释放，反映到时间上为长时间的能量存储，短时间的能量释放。这种作用方式称之为零存整取。

这种作用方式要求储能装置性能较好，且能量存储期间基本没有或者只有少量的能量损耗。

4.6 能量的整存零取

在实际的储能过程中，由于运输条件及储能装置自身的原因经常会出现能量的囤积现象，即将能量进行大量囤积后再分批、分时段进行利用。例如，煤等化石原料在运输存储过程中往往会进行一次性大量囤积，进行几天或者更长时间的能量供应。

这种作用方式的特点是能量一次性存储的容量较大，能量利用为少量多次的利用方式，反映到时间上为在短时间内大量存储能量，进行长时间的能量供应，这种作用方式称之为整存零取。

这种作用方式要求储能的容量大，能量存储时间长且有较低的自耗散率，例如太阳池、存煤。

5 储能需求、功能、作用方式的对应关系

能源互联网中储能的需求、功能、作用方式之间的对应关系如图4所示。储能不同作用方式的相互组合共同实现了储能在能源互联网中的各种功能，而要实现能源互联网发展的目标和理念，则要由储能的各种功能来满足能源互联网在某些方面对于储能的需求。其中，作用方式是最基础的分类依据，便于合理搭配不同类型的储能，从而实现储能的优化配置和协调控制，进而改善和提高整个系统的性能和运行效率。

图4 能源互联网中储能的作用方式、功能与目标的对应关系Fig.4 Correlation between action manners, functions and demands of energy storage in Energy Internet

6 结论

能源互联网的提出为我们描绘了多能源系统协同运行和共同发展的新愿景。为实现能源互联网发展的目标和理念，储能技术将是支撑未来能源互联网的关键技术之一。

本文从能源互联网发展的目标和理念出发，系统地总结了储能在能源互联网中的需求、功能和作用方式，以及这三者之间的对应关系，即储能不同作用方式的相互组合共同实现了储能在能源互联网中的各种功能，而这些功能又满足了能源互联网在某些方面对于储能技术的需求。这些概念和理论的提出，使人们对能源互联网及储能技术有一个系统、全面的认识，同时建立了较为完善的能源互联网中储能技术的理论框架，有助于未来相关领域的理论研究和技术探讨。

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