智能电网应用中的可再生能源存储系统

作者：ADI公司

集中式能源网是由发电机产生的能源、高压输电线和低压输电线组成的网络，远距离输送电力，为国家的命脉和经济提供动力。

随着世界越来越依赖电气化，老化的电网面临着巨大的压力。需求高峰时段的用电高峰越来越普遍，印度和非洲由于容量不足和基础设施故障而导致的限电也是如此1。

储能系统（ESS）通过捕获并储存可再生能源（如风能和太阳能）来保持现代电网稳定。通过缓解可再生能源面临的间歇性问题，储能技术有助于消除历史上阻碍加大采用风能和太阳能资源的障碍。这样就可以随时向所有用户和应用供电，包括为电动汽车充电及为楼宇、医院和学校供电。ESS不仅可以支持高峰时段运行的电网，还可以保持现有电网基础设施，而不存在电网过载和崩溃的风险。

近年来，受电动汽车（EV）和其他电气化技术预期普及率的影响 ，储能和ESS已成为全球关注的焦点。ESS将支持电动汽车的增长，同时也作为电池二次寿命的主要应用。

回收利用

电池在电动车应用中的生命周期结束时，

电池本身仍然是有价值的。

再制造

可对使用过的电池模块进行测试和重新组装。

重复使用

电池模块集成在固定式存储系统中。

转售

这些大电池产生的电力被用于稳定电网等。

支持可持续能源使用

ESS捕获并存储主要由分布式可变可再生能源提供的能源，不仅有利于环境，也对发达国家和不发达国家的人口有益，在这些国家，电气化用于推动商业发展和维持生命。储能系统不仅在能源需求低时存储能量以供高峰负荷时使用，并使未来的电网运行成为可能，无需投资数万亿美元来扩展输电线，或新建污染大气的化石燃料发电厂。

用可再生能源为未来提供动力

2017年和2018年，可再生能源对世界能源消耗和发电量分别贡献18.1%和26%。在这部分能源消耗中，7.5%来自传统生物质，4.2%来自热能（非生物质），1%生物燃料用于交通，3.6%水力发电，2%电力来自风能、太阳能、生物质、地热和海洋能源2。

对可持续能源未来的需求正在推动更多可变可再生能源接入电网，这反过来又加速了储能技术的普及，帮助电网实现弹性最大化。预测在电动汽车（EV）和其他电气化技术预期普及率的推动下，储能市场将在未来几十年迅速增长。在接下来的二十年里，对新储能的投资预计将猛增6200亿美元3。

到2030年新增电网存储容量将用于整合各种可再生能源

到2030年，预计新增存储容量的65%将用于将各种可再生能源接入电网，并提供各种电网服务，30%用于支持住宅、商业及工业设施，5%用于支持EV基础设施。

预测储能市场增长（2020-2025）4

• 从2020年到2025年，储能市场预计将以24%的复合年增长率（CAGR）增长。
• 预计住宅市场将占储能市场的最大份额。
• 增长最快的市场：中东和非洲。最大的市场：亚太地区。

电气化、储能和电动汽车预测5

• 据估计，到2050年，全球发电量的激增将由可再生能源提供动力，占全球发电量的80%。
• 全球储能容量将从目前的650 GWh扩大到31 TWh，其中电池占最大份额。
• 电动汽车的用电需求将从2017年的0.3 PWh大幅提高到2050年的9.1 PWh。

迈向分布式能源网

通过太阳能和风能等可再生能源的分布式发电，允许根据自身需求生产清洁电力的消费者将多余的电力送回电网。

尽管分布式能源网仍存在许多实际障碍，但在过去十年中，随着地方性太阳能发电厂、小型风力发电场和电池储能设施的发展，小规模经济效益已大大提高，可再生能源技术的成本已大幅下降。

ADI公司能源与工业系统总经理Mario Battello表示：“电网正在从集中式发电向分布式可再生能源发电转变，为储能创造了巨大的机遇。”存在两种基本类型的储能：在电表的前面，称为电网规模储能，专为主要能源生产商设计；在电表的后面，住宅业主和企业可以利用安装在其房屋上的各种储能选项。去年，商业服务公司Lloyd’s Register表示，预计到2025年，分布式可再生能源将比电网供电更便宜6。

一场完美的风暴创造了一个完美的机会

快速变化的电气化环境和相对不成熟的储能市场带来了一场完美风暴，一家具有前瞻性的全球储能公司作为先行者进入ESS领域，占领市场份额并捕获需求，成为行业领导者。

为了迎接这一挑战，该公司与ADI公司合作，利用ADI广泛的硬件系统专业知识、行业领先的电池管理系统（BMS）技术以及著名的全面现场支持。首先，该公司要求合作者有共同的雄心壮志、旺盛的创新动力，并提供下一代储能系统解决方案。双方将共同迅速开发和工业化一种精确、高性能、功能安全认证的储能系统。

概览

公司

全球储能系统市场的先驱，可促进未来能源的生产、传输和使用，加强其在电化学、电力电子和系统集成方面的专业知识，以开发价格实惠的ESS。

应用

用于住宅、工业和可再生能源应用的ESS。

挑战

以具成本效益且高效的方式升级现有电网基础设施，以便能够支持未来的电力消费需求。制定经过认证的精确ESS解决方案，准备投入生产。协助满足对应用支持、上市速度和获利时效的迫切需求。

目标

通过专注于开发先进的BMS软件和优质的ESS产品以成为行业领导者，从而在市场中脱颖而出。

自2013年以来，这家全球ESS公司一直致力于在住宅和商业储能系统以及更大型的并网储能系统上实现能源生产、传输和使用，在全球部署了2 GWh的储能系统。凭借自主研发的阴极材料、电池单元和BMS技术，该公司现在是磷酸铁锂电池的领先制造商，并提供离网供电电池和充电器。

通过协作创造出色的产品

在长期合作的基础上，ADI和这家全球ESS公司在2018年启动了一个快速实现功能安全认证储能系统工业化的项目。ADI公司自动化与能源事业部能源总监Conor Power表示：“上市速度和获利时效以及以可接受的成本提供高性能是这家ESS公司面临的挑战。他们不是在寻找器件，而是在寻求合作伙伴，以便获取集成、电源和完整系统解决方案设计方面的帮助和指导。”

半个多世纪以来，ADI的目标一直是且将继续是帮助创建和解锁各种技术，解决工程领域的严峻挑战，分享见解，并支持合作伙伴和客户设计正确的解决方案，从而助力全球人口，同时发挥人类的潜力。

ADI的ESS合作伙伴身处一个充满竞争对手的激烈环境中。要在市场上取得成功，他们的解决方案需要具备独特优势，从竞争产品中脱颖而出。因此，他们着眼于其核心优势——软件及ADI的高精度BMS技术。

BMS精度至关重要

Conor Power说：“采用ADI的BMS技术，提高的精度可以额外提供15%到20%的车辆充电续航里程和更长的电池使用寿命。更高的充电测量精度也可以转化为更长的电池有效时间。在花费数百万美元的大型ESS系统中，节省的成本非常可观。”

ADI的专业现场应用工程师（FAE）团队利用其广泛的硬件系统专业知识和行业领先的BMS技术与合作伙伴的软件知识紧密配合。ADI为ESS合作伙伴提供LTC6813来测量和监控电池单元，并提供精确的电压和电流信息。Mario Battello表示：“LTC6813是目前市场上的最高精度器件 ，让我们合作伙伴的工程师能够利用微控制器非常精确地计算电池的充电状态和健康状态。”

要确定精确的电池放电率，并实现更长的电动汽车续航里程，需要更高的BMS精度。我们需要确切地知道剩余多少电量（20%、15%或10%？），以便了解还能行驶多远（50、37或25英里？）。一定要知道要给电池充多少电以及何时停止放电，否则会损害电池性能或电池本身。Conor Power表示：“测量精度更高，电动汽车的电池使用寿命就一定会比测量精度不高的更长。住宅或商业用途的储能系统也是同样的原理。”

与ADI的现场工程师携手合作

ADI的FAE与储能合作伙伴携手参与创建参考设计并最终完成这些设计。Mario Battello说：“我们将在系统层面创建参考设计。我们为合作伙伴提供两个IC、BMS和隔离通信通道。”Conor Power说：“ADI的竞争对手不会到您的现场去。他们的评估过程旨在评估，并不提供解决方案。而我们提供的就是最终解决方案。在BMS合作关系中，我们的现场团队提供支持是很常见的。”

同时，合作伙伴开发并改进了一种储能系统，该系统以比竞争解决方案更低的成本提供更高的系统精度和更好的功能。此外，还开发了一种高能量存储解决方案，通过同时利用ESS和电网的电力，使充电速度更快。

简单与复杂的美

Mario Battello表示：“ADI的BMS器件在芯片内部很复杂，但由于我们提供的资料，客户设计起来很轻松。现在，合作伙伴正在使用（BMS） LTC6813和LTC6820开始批量生产。他们一直在与ADI配合，看能否在他们的设备中使用我们的新器件，以保持竞争优势。”目前，该公司和ADI正在讨论新一代设计。

协作优势和关键上市时间优势

该全球ESS公司发现ADI远不只是一个元器提供商，而是真正的合作伙伴，拥有丰富的系统级知识、深厚的领域专业知识和重要的ESS经验及见解。

ADI为该公司的本地团队提供技术支持，并提供专家级的现场应用工程师。它不仅为BMS、电源和监控系统提供器件，还保证了关键时刻的高精度、性能、可靠性和上市速度，这样公司就可以在竞争激烈的市场获得新客户，同时增强获利时效。

向更健康的人类和全球环境转变

随着能源需求和消费者角色的不断转变，储能解决方案将在为世界提供动力方面发挥更加突出的作用。这一转变将为从破坏环境的化石燃料转向更清洁、更可持续的电力应用奠定基础。

ESS支持可再生能源与电网有效连接，由此促进更大规模地使用可再生能源，同时对现有电网基础设施进行经济高效的升级，从而有可能节省数万亿美元。

向电气化过渡的一个关键推动因素是消费者采用电动汽车。成本、续航里程和缓慢的充电时间仍然是障碍。但是，目前有一个障碍已经打破了：暨ADI公司和全球储能公司合作使得充电速度更快。通过消除这个障碍并开发准确、安全且经济高效的ESS解决方案，ADI及其合作伙伴正在为实现能源独立、更可持续的电气化未来以及更健康的人类环境和全球生态系统铺平道路。

• 1 Quratz Africa，“非洲电力不足的代价不仅仅是获取电力的问题。”2018年10月21日
• 2 21世纪可再生能源政策网络
• 3 美国环保协会，“储能市场蓬勃发展，增长前景看好”
• 4 Mordor Intelligence，储能市场 - 增长、趋势和预测（2020 - 2025）
• 5 DVN-GL 2019能源转换展望、电源和使用报告
• 6 Raconteur，“走向分布式电网”，2019