智能電網(wǎng)應(yīng)用中的可再生能源存儲系統(tǒng)

集中式能源網(wǎng)是由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的能源、高壓輸電線和低壓輸電線組成的網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)距離輸送電力，為國家的命脈和經(jīng)濟(jì)提供動(dòng)力。

隨著世界越來越依賴電氣化，老化的電網(wǎng)面臨著巨大的壓力。需求高峰時(shí)段的用電高峰越來越普遍，印度和非洲由于容量不足和基礎(chǔ)設(shè)施故障而導(dǎo)致的限電也是如此[1]。

儲能系統(tǒng)(ESS)通過捕獲并儲存可再生能源(如風(fēng)能和太陽能)來保持現(xiàn)代電網(wǎng)穩(wěn)定。通過緩解可再生能源面臨的間歇性問題，儲能技術(shù)有助于消除歷史上阻礙加大采用風(fēng)能和太陽能資源的障礙。這樣就可以隨時(shí)向所有用戶和應(yīng)用供電，包括為電動(dòng)汽車充電及為樓宇、醫(yī)院和學(xué)校供電。ESS不僅可以支持高峰時(shí)段運(yùn)行的電網(wǎng)，還可以保持現(xiàn)有電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，而不存在電網(wǎng)過載和崩潰的風(fēng)險(xiǎn)。

近年來，受電動(dòng)汽車(EV)和其他電氣化技術(shù)預(yù)期普及率的影響 ，儲能和ESS已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。ESS將支持電動(dòng)汽車的增長，同時(shí)也作為電池二次壽命的主要應(yīng)用。

支持可持續(xù)能源使用

ESS捕獲并存儲主要由分布式可變可再生能源提供的能源，不僅有利于環(huán)境，也對發(fā)達(dá)國家和不發(fā)達(dá)國家的人口有益，在這些國家，電氣化用于推動(dòng)商業(yè)發(fā)展和維持生命。儲能系統(tǒng)不僅在能源需求低時(shí)存儲能量以供高峰負(fù)荷時(shí)使用，并使未來的電網(wǎng)運(yùn)行成為可能，無需投資數(shù)萬億美元來擴(kuò)展輸電線，或新建污染大氣的化石燃料發(fā)電廠。

用可再生能源為未來提供動(dòng)力

2017年和2018年，可再生能源對世界能源消耗和發(fā)電量分別貢獻(xiàn)18.1%和26%。在這部分能源消耗中，7.5%來自傳統(tǒng)生物質(zhì)，4.2%來自熱能(非生物質(zhì))，1%生物燃料用于交通，3.6%水力發(fā)電，2%電力來自風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)、地?zé)岷秃Ｑ竽茉碵2]。

對可持續(xù)能源未來的需求正在推動(dòng)更多可變可再生能源接入電網(wǎng)，這反過來又加速了儲能技術(shù)的普及，幫助電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)彈性最大化。預(yù)測在電動(dòng)汽車(EV)和其他電氣化技術(shù)預(yù)期普及率的推動(dòng)下，儲能市場將在未來幾十年迅速增長。在接下來的二十年里，對新儲能的投資預(yù)計(jì)將猛增6200億美元[3]。

到2030年新增電網(wǎng)存儲容量將用于整合各種可再生能源

到2030年，預(yù)計(jì)新增存儲容量的65%將用于將各種可再生能源接入電網(wǎng)，并提供各種電網(wǎng)服務(wù)，30%用于支持住宅、商業(yè)及工業(yè)設(shè)施，5%用于支持EV基礎(chǔ)設(shè)施。

預(yù)測儲能市場增長(2020-2025)[4]

（1）從2020年到2025年，儲能市場預(yù)計(jì)將以24%的復(fù)合年增長率(CAGR)增長。

（2）預(yù)計(jì)住宅市場將占儲能市場的最大份額。

（3）增長最快的市場：中東和非洲。最大的市場：亞太地區(qū)。

電氣化、儲能和電動(dòng)汽車預(yù)測[5]

（1）據(jù)估計(jì)，到2050年，全球發(fā)電量的激增將由可再生能源提供動(dòng)力，占全球發(fā)電量的80%。

（2）全球儲能容量將從目前的650 GWh擴(kuò)大到31 TWh，其中電池占最大份額。

（3）電動(dòng)汽車的用電需求將從2017年的0.3 PWh大幅提高到2050年的9.1 PWh。

邁向分布式能源網(wǎng)

通過太陽能和風(fēng)能等可再生能源的分布式發(fā)電，允許根據(jù)自身需求生產(chǎn)清潔電力的消費(fèi)者將多余的電力送回電網(wǎng)。

盡管分布式能源網(wǎng)仍存在許多實(shí)際障礙，但在過去十年中，隨著地方性太陽能發(fā)電廠、小型風(fēng)力發(fā)電場和電池儲能設(shè)施的發(fā)展，小規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益已大大提高，可再生能源技術(shù)的成本已大幅下降。

ADI公司能源與工業(yè)系統(tǒng)總經(jīng)理Mario Battello表示：“電網(wǎng)正在從集中式發(fā)電向分布式可再生能源發(fā)電轉(zhuǎn)變，為儲能創(chuàng)造了巨大的機(jī)遇?！贝嬖趦煞N基本類型的儲能：在電表的前面，稱為電網(wǎng)規(guī)模儲能，專為主要能源生產(chǎn)商設(shè)計(jì);在電表的后面，住宅業(yè)主和企業(yè)可以利用安裝在其房屋上的各種儲能選項(xiàng)。去年，商業(yè)服務(wù)公司Lloyd’s Register表示，預(yù)計(jì)到2025年，分布式可再生能源將比電網(wǎng)供電更便宜[6]。

一場完美的風(fēng)暴創(chuàng)造了一個(gè)完美的機(jī)會(huì)

快速變化的電氣化環(huán)境和相對不成熟的儲能市場帶來了一場完美風(fēng)暴，一家具有前瞻性的全球儲能公司作為先行者進(jìn)入ESS領(lǐng)域，占領(lǐng)市場份額并捕獲需求，成為行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者。

為了迎接這一挑戰(zhàn)，該公司與ADI公司合作，利用ADI廣泛的硬件系統(tǒng)專業(yè)知識、行業(yè)領(lǐng)先的電池管理系統(tǒng)(BMS)技術(shù)以及著名的全面現(xiàn)場支持。首先，該公司要求合作者有共同的雄心壯志、旺盛的創(chuàng)新動(dòng)力，并提供下一代儲能系統(tǒng)解決方案。雙方將共同迅速開發(fā)和工業(yè)化一種精確、高性能、功能安全認(rèn)證的儲能系統(tǒng)。

概覽

公司

全球儲能系統(tǒng)市場的先驅(qū)，可促進(jìn)未來能源的生產(chǎn)、傳輸和使用，加強(qiáng)其在電化學(xué)、電力電子和系統(tǒng)集成方面的專業(yè)知識，以開發(fā)價(jià)格實(shí)惠的ESS。

應(yīng)用

用于住宅、工業(yè)和可再生能源應(yīng)用的ESS。

挑戰(zhàn)

以具成本效益且高效的方式升級現(xiàn)有電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，以便能夠支持未來的電力消費(fèi)需求。制定經(jīng)過認(rèn)證的精確ESS解決方案，準(zhǔn)備投入生產(chǎn)。協(xié)助滿足對應(yīng)用支持、上市速度和獲利時(shí)效的迫切需求。

目標(biāo)

通過專注于開發(fā)先進(jìn)的BMS軟件和優(yōu)質(zhì)的ESS產(chǎn)品以成為行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，從而在市場中脫穎而出。

<圖：Battery Room in Power Plant>

自2013年以來，這家全球ESS公司一直致力于在住宅和商業(yè)儲能系統(tǒng)以及更大型的并網(wǎng)儲能系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)、傳輸和使用，在全球部署了2 GWh的儲能系統(tǒng)。憑借自主研發(fā)的陰極材料、電池單元和BMS技術(shù)，該公司現(xiàn)在是磷酸鐵鋰電池的領(lǐng)先制造商，并提供離網(wǎng)供電電池和充電器。

通過協(xié)作創(chuàng)造出色的產(chǎn)品

在長期合作的基礎(chǔ)上，ADI和這家全球ESS公司在2018年啟動(dòng)了一個(gè)快速實(shí)現(xiàn)功能安全認(rèn)證儲能系統(tǒng)工業(yè)化的項(xiàng)目。ADI公司自動(dòng)化與能源事業(yè)部能源總監(jiān)Conor Power表示：“上市速度和獲利時(shí)效以及以可接受的成本提供高性能是這家ESS公司面臨的挑戰(zhàn)。他們不是在尋找器件，而是在尋求合作伙伴，以便獲取集成、電源和完整系統(tǒng)解決方案設(shè)計(jì)方面的幫助和指導(dǎo)?！?

半個(gè)多世紀(jì)以來，ADI的目標(biāo)一直是且將繼續(xù)是幫助創(chuàng)建和解鎖各種技術(shù)，解決工程領(lǐng)域的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，分享見解，并支持合作伙伴和客戶設(shè)計(jì)正確的解決方案，從而助力全球人口，同時(shí)發(fā)揮人類的潛力。

ADI的ESS合作伙伴身處一個(gè)充滿競爭對手的激烈環(huán)境中。要在市場上取得成功，他們的解決方案需要具備獨(dú)特優(yōu)勢，從競爭產(chǎn)品中脫穎而出。因此，他們著眼于其核心優(yōu)勢——軟件及ADI的高精度BMS技術(shù)。

BMS精度至關(guān)重要

Conor Power說：“采用ADI的BMS技術(shù)，提高的精度可以額外提供15%到20%的車輛充電續(xù)航里程和更長的電池使用壽命。更高的充電測量精度也可以轉(zhuǎn)化為更長的電池有效時(shí)間。在花費(fèi)數(shù)百萬美元的大型ESS系統(tǒng)中，節(jié)省的成本非?？捎^?！?

ADI的專業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用工程師(FAE)團(tuán)隊(duì)利用其廣泛的硬件系統(tǒng)專業(yè)知識和行業(yè)領(lǐng)先的BMS技術(shù)與合作伙伴的軟件知識緊密配合。ADI為ESS合作伙伴提供LTC6813來測量和監(jiān)控電池單元，并提供精確的電壓和電流信息。Mario Battello表示：“LTC6813是目前市場上的最高精度器件，讓我們合作伙伴的工程師能夠利用微控制器非常精確地計(jì)算電池的充電狀態(tài)和健康狀態(tài)?！?

<圖：Electric Car Charging at Public Station〉

要確定精確的電池放電率，并實(shí)現(xiàn)更長的電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程，需要更高的BMS精度。我們需要確切地知道剩余多少電量(20%、15%或10%?)，以便了解還能行駛多遠(yuǎn)(50、37或25英里?)。一定要知道要給電池充多少電以及何時(shí)停止放電，否則會(huì)損害電池性能或電池本身。Conor Power表示：“測量精度更高，電動(dòng)汽車的電池使用壽命就一定會(huì)比測量精度不高的更長。住宅或商業(yè)用途的儲能系統(tǒng)也是同樣的原理?！?

與ADI的現(xiàn)場工程師攜手合作

ADI的FAE與儲能合作伙伴攜手參與創(chuàng)建參考設(shè)計(jì)并最終完成這些設(shè)計(jì)。Mario Battello說：“我們將在系統(tǒng)層面創(chuàng)建參考設(shè)計(jì)。我們?yōu)楹献骰锇樘峁﹥蓚€(gè)IC、BMS和隔離通信通道。”Conor Power說：“ADI的競爭對手不會(huì)到您的現(xiàn)場去。他們的評估過程旨在評估，并不提供解決方案。而我們提供的就是最終解決方案。在BMS合作關(guān)系中，我們的現(xiàn)場團(tuán)隊(duì)提供支持是很常見的?！?

同時(shí)，合作伙伴開發(fā)并改進(jìn)了一種儲能系統(tǒng)，該系統(tǒng)以比競爭解決方案更低的成本提供更高的系統(tǒng)精度和更好的功能。此外，還開發(fā)了一種高能量存儲解決方案，通過同時(shí)利用ESS和電網(wǎng)的電力，使充電速度更快。

<圖：Worker in Energy Storage Area>

簡單與復(fù)雜的美

Mario Battello表示：“ADI的BMS器件在芯片內(nèi)部很復(fù)雜，但由于我們提供的資料，客戶設(shè)計(jì)起來很輕松?，F(xiàn)在，合作伙伴正在使用(BMS) LTC6813和LTC6820開始批量生產(chǎn)。他們一直在與ADI配合，看能否在他們的設(shè)備中使用我們的新器件，以保持競爭優(yōu)勢。”目前，該公司和ADI正在討論新一代設(shè)計(jì)。

<圖：House with Solar Panels in Summer>

協(xié)作優(yōu)勢和關(guān)鍵上市時(shí)間優(yōu)勢

該全球ESS公司發(fā)現(xiàn)ADI遠(yuǎn)不只是一個(gè)元器提供商，而是真正的合作伙伴，擁有豐富的系統(tǒng)級知識、深厚的領(lǐng)域?qū)I(yè)知識和重要的ESS經(jīng)驗(yàn)及見解。

ADI為該公司的本地團(tuán)隊(duì)提供技術(shù)支持，并提供專家級的現(xiàn)場應(yīng)用工程師。它不僅為BMS、電源和監(jiān)控系統(tǒng)提供器件，還保證了關(guān)鍵時(shí)刻的高精度、性能、可靠性和上市速度，這樣公司就可以在競爭激烈的市場獲得新客戶，同時(shí)增強(qiáng)獲利時(shí)效。

向更健康的人類和全球環(huán)境轉(zhuǎn)變

隨著能源需求和消費(fèi)者角色的不斷轉(zhuǎn)變，儲能解決方案將在為世界提供動(dòng)力方面發(fā)揮更加突出的作用。這一轉(zhuǎn)變將為從破壞環(huán)境的化石燃料轉(zhuǎn)向更清潔、更可持續(xù)的電力應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

ESS支持可再生能源與電網(wǎng)有效連接，由此促進(jìn)更大規(guī)模地使用可再生能源，同時(shí)對現(xiàn)有電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行經(jīng)濟(jì)高效的升級，從而有可能節(jié)省數(shù)萬億美元。

<圖：Solar Panel Fields on Green Hills>

向電氣化過渡的一個(gè)關(guān)鍵推動(dòng)因素是消費(fèi)者采用電動(dòng)汽車。成本、續(xù)航里程和緩慢的充電時(shí)間仍然是障礙。但是，目前有一個(gè)障礙已經(jīng)打破了：暨ADI公司和全球儲能公司合作使得充電速度更快。通過消除這個(gè)障礙并開發(fā)準(zhǔn)確、安全且經(jīng)濟(jì)高效的ESS解決方案，ADI及其合作伙伴正在為實(shí)現(xiàn)能源獨(dú)立、更可持續(xù)的電氣化未來以及更健康的人類環(huán)境和全球生態(tài)系統(tǒng)鋪平道路。

1 Quratz Africa，“非洲電力不足的代價(jià)不僅僅是獲取電力的問題?！?018年10月21日

2 21世紀(jì)可再生能源政策網(wǎng)絡(luò)

3 美國環(huán)保協(xié)會(huì)，“儲能市場蓬勃發(fā)展，增長前景看好”

4 Mordor Intelligence，儲能市場 - 增長、趨勢和預(yù)測(2020 - 2025)

5 DVN-GL 2019能源轉(zhuǎn)換展望、電源和使用報(bào)告

6 Raconteur，“走向分布式電網(wǎng)”，2019