淺析數(shù)學理論在儲能行業(yè)中的應用

王 萍 萍

（蘇州大學東吳學院，江蘇 蘇州 215006）

數(shù)學理論的運用幫助儲能行業(yè)實現(xiàn)了對傳統(tǒng)系統(tǒng)構建范式的顛覆，將傳統(tǒng)的儲能系統(tǒng)優(yōu)化成了數(shù)字儲能系統(tǒng)，并將儲能系統(tǒng)的可視性、可管理性提升到了更高的層面。通過數(shù)學理論模型能夠幫助儲能行業(yè)提升儲能介質的數(shù)字化復用率，在很大程度上解決了能量需求多樣和種類有限的矛盾，相比傳統(tǒng)的儲能系統(tǒng)，基于數(shù)學理論構建的新儲能系統(tǒng)在管理成本和部署難度上都得到了明顯的優(yōu)化。

1 淺析數(shù)學模型理論在儲能行業(yè)中的運用

1.1 廣義儲能模型

通過GEES模型進行能量轉換是廣義儲能模型的代表，可以很大限度內突破傳統(tǒng)能源網(wǎng)絡中單向提供能量的困局，進而構建起能量儲存與供應的新網(wǎng)絡，比如能源利用P2G 轉換為天然氣，再進入管網(wǎng)對用戶實現(xiàn)供電。為了克服可再生能源接入后大功率對電網(wǎng)的沖擊，不再由單個儲能系統(tǒng)對其能量予以消耗，以及利用GEES 模型系統(tǒng)硬件中轉換裝置轉化的熱能、冷能予以儲存消納。轉換裝置能夠直接把能源轉化為其他類型的能量以適應各種負載要求，進而降低對能量網(wǎng)絡的要求。綜合能源體系在不同空間尺度上存在相互關聯(lián)與優(yōu)勢互補關系，或在空間尺度上存在相互耦合與互補關系，在一定程度上實現(xiàn)了能源梯級化利用，相對于能源消耗的瞬時性，供冷、供暖技術的延遲性和漸變性獲得了顯著優(yōu)化。利用廣義儲能模型增加資源可用性的同時，也增加了能源供應安全性，但對各種資源的轉化耦合復雜性以及存儲手段多樣性帶來了一定挑戰(zhàn)。

1.2 儲能系統(tǒng)性能模型

儲能系統(tǒng)性能模型在儲能基本問題規(guī)劃、重要問題的發(fā)現(xiàn)與檢查、功能調優(yōu)、自治控制、存儲設備管理系統(tǒng)以及可靠性控制中都占有著重要地位。從實際情況來看，數(shù)學模型研究與分析的方法大多應用于整個儲能系統(tǒng)運行環(huán)節(jié)的前半部分，以數(shù)學模型的理論基礎為排隊原理，通過分析的方法研究整個計算機系統(tǒng)的工作流程，這種研究方式所需時間不多，可以節(jié)省大量研究的費用，而且還可以得到準確性、科學性較高的研究結果。利用排隊論和擬生滅活對儲能Ι/O 系統(tǒng)實現(xiàn)建模，可以快速改善能量存儲機制，大大拓寬了計算機儲能系統(tǒng)的使用范圍。并且在使用計算機儲能系統(tǒng)的具體實踐中，許多用戶都在思索和探究怎樣進一步提高計算機存儲體系的性能，而這就需要使用性能模型來對計算機儲能系統(tǒng)的具體特性進行具體的分析研究。

1.3 儲能系統(tǒng)的PSASP模型

伴隨著數(shù)學理論與儲能行業(yè)的深度結合，PSASP 模型逐漸成為平抑儲能系統(tǒng)功率波動的主要技術手段，由于各種儲能系統(tǒng)的功率、儲能容量有所不同。PSASP 的暫態(tài)與穩(wěn)定計算程序通過時域分析仿真對不同的儲能系統(tǒng)進行分析界定，通過網(wǎng)絡節(jié)點導納矩陣構建微分方程，并通過隱式變換的梯型微分計算實現(xiàn)儲能問題的解決，所有模式均進行了隱式變換積分迭代。PSASP 中發(fā)動機、負載、儲能設備等都是直接進行節(jié)點電流灌注，所以暫穩(wěn)計算的使用者可以自定義模型接口為電流注入方式。目前新興的能量儲存體系主要有超級電容儲能系統(tǒng)、蓄電池儲能系統(tǒng)、超導性鐵磁儲能系統(tǒng)等。儲能系統(tǒng)并網(wǎng)的接口特性也和自動變換器的管理存在著重要關聯(lián)，而PSASP 模型在介入儲能系統(tǒng)的同時，為儲能系統(tǒng)并網(wǎng)提供了精確的模型計算管理。

2 基于數(shù)學理論的數(shù)字儲能技術應用革新

2.1 儲能管控的云平臺技術的建立

動力儲能控制云平臺的實質是把原本高度相互耦合的統(tǒng)一動力儲能智能硬件操作系統(tǒng)進行整合，如固定或串并行的儲能硬件操作系統(tǒng)，利用規(guī)范化、抽象化（虛擬化）等手段解耦成各種各樣的數(shù)學模型體系，進而圍繞著這些數(shù)學模型體系構建虛擬化軟件系統(tǒng)，再通過定義應用程序界面的方法完成原先智能操作系統(tǒng)實現(xiàn)的功能。通過管理與控制應用軟件，管理系統(tǒng)能夠自主地完成對硬件系統(tǒng)資源的全面部署、整合、優(yōu)化與管控，為應用提供高靈活性的業(yè)務。儲能能耗控制云平臺將擁有信息和能力之間密切耦合的對接能力，以支持未來儲能網(wǎng)絡中動力能耗業(yè)務的加載，并基于數(shù)學模型構建成了“云+端”的典型結構，從而實現(xiàn)了儲能信息化服務的附加意義。儲能控制云平臺系統(tǒng)可以按實際應用需要，采取系統(tǒng)內可編程接口或動力電池能耗服務模塊的搭建，將硬件管理系統(tǒng)的控制能力開放至云平臺上，從而使終端用戶和業(yè)務客戶可以對其儲能系統(tǒng)資源進行多維度的配置與控制。儲能管控云平臺是基于數(shù)學模型理論真正實現(xiàn)未來云儲能系統(tǒng)（或儲能云）的重要儲能科技。云儲能也應該被看作是未來系統(tǒng)儲能的新形態(tài)，是一個依托已建立的既有儲能網(wǎng)絡的共享儲能技術，由集中式或分布式的儲能設備所形成的公共儲能體系，并根據(jù)應用需要提供多樣化服務。利用龐大的分布式儲能交互體系，將用戶已有的各類儲能固定資產（如后備動力電池等）數(shù)字化虛擬變?yōu)樵贫说臄?shù)據(jù)存儲固定資產，從而向所有用戶供應基于數(shù)據(jù)存儲固定資產的能源產品，從而推動了儲能行業(yè)在能源網(wǎng)絡這一方向的變革。

2.2 面向數(shù)據(jù)中心的數(shù)字儲能技術應用

通過開發(fā)應用在數(shù)據(jù)中心上的軟件定義數(shù)字UPS技術，對傳統(tǒng)后備電源供應結構做出了革命性提升。同時通過利用電池能源轉換技術，加大力度開發(fā)ΙDC數(shù)據(jù)中心和基站機房的分布式數(shù)據(jù)儲能系統(tǒng)，從而實現(xiàn)傳統(tǒng)備用能源的數(shù)字化和基于互聯(lián)網(wǎng)信息技術的儲能控制。和常規(guī)的后備供能系統(tǒng)一樣，數(shù)字的儲能轉換系統(tǒng)也能夠對后備能源中的單體進行能量流動的精確控制，實現(xiàn)微秒級的離散化和數(shù)字化管理控制，并利用微秒級的電池供應網(wǎng)絡拓撲動態(tài)重構，確保了使用過程中的儲能系統(tǒng)不過充不過放，同時也隔離了失效的氯乙烯單體，由此顯著提高了后備能量供應系統(tǒng)的有效能力和可維護性，另外自主實現(xiàn)了運維巡檢與調整，從而大大降低了儲能用電管理系統(tǒng)的建造成本與運維成本，從根本上提高了后備能量儲存的商業(yè)經(jīng)濟效益，儲能管理系統(tǒng)運行實際情況證明，數(shù)字儲能系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)流和能量流的緊密結合，從能量流、信息流與環(huán)境參數(shù)的角度，對后備能量進行全方位理解和控制。由于使用分布式的數(shù)據(jù)儲能電源管理系統(tǒng)取代了原有的集成式UPS 管理系統(tǒng)，并且使用大電流式的連接取代了串入式連接，新儲能體系將大幅減少二次能量交換，從而減少10%以上的能量消耗，ΙDC的有效空間利用率將增加30%左右，同時也能夠大幅增加ΙDC的整體經(jīng)營利潤。

2.3 退役設備梯次利用的數(shù)字儲能技術推廣

不同種類、生產批次、應用工況下的動力電池退役后，在健康狀況、有效容量等方面差別明顯，且由于目前的動力電池拆分、精細分類和固定串并聯(lián)重組的梯次使用方式都是采用電池一致性設計的方法，這也導致了退役報廢動力電池規(guī)?；褂脮r存在難度大、效益少、成本高等問題，從而大大降低了退役報廢動力電池的再使用價值，并且也無法提高梯次使用后動力電池儲能系統(tǒng)總體性能的安全性和經(jīng)濟效益。在梯次利用技術方面，由于傳統(tǒng)方式難以滿足對海量差異化退役動力電池的低成本快速分選需求，所以加強數(shù)字儲能技術的推廣運用就尤其重要。數(shù)字梯次利用方式無需將動能燃料電池完成單體層面的拆分、精選和重建，而是利用可重建燃料電池網(wǎng)絡技術對已退役的動能燃料電池單體進行重組，將低壓動能燃料電池模組進行重新連接，完成對退役動力能源電池單體及模組的精確充放電平衡與對微秒級故障動力電池的精確分離。通過進一步的狀態(tài)計算與體系特性解析，完成可重建動力儲能網(wǎng)絡系統(tǒng)的數(shù)字化梯次運用，進而優(yōu)化對退役儲能電池的安全控制。同時也能夠在較大程度上減少退役儲能電池單體或模組在充放電流程中產生的能量差異，從而屏蔽體系短板效能造成的各種動力儲能運行問題。另外通過軟件定義儲能交換體系所形成的梯次運用燃料電池，可以顯著提高工作效率，能夠對儲能單體及模組實現(xiàn)雙向的能量控制，從而達到自動化、網(wǎng)絡化和智能化。