储能系统：利用可再生能源所需的关键设施
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众所周知，我们对可再生能源的渴望正与日俱增，这是由诸多因素导致的，包括对气候变化和缓解其源头的担忧、“绿色”经济的大趋势、对传统化石能源（石油、天然气、煤炭）的短期和长期可用性的担忧、漫长且往往具有政治风险的供应链（想想来自俄罗斯的天然气供应），以及政府法规和激励措施。于是，可再生能源领域吸引了大量投资，仅2022一年的估计总额就超过1000亿美元（图1）。
图1：可再生能源投资的走势虽偶有小幅下降，但总体呈现出明显增长的趋势，新的大型可再生能源项目的投资额较2021年同期增长12%，2022年第一季度达1200亿美元。（图源：Bloomberg/NEF）
基于可再生能源的电力系统，其结构和使用传统燃料的系统是不同的，因为太阳能和风能等流行的可再生能源本质上就不是连续可用的。这种不可预测性完全不同于我们对传统发电厂的预期和经验，毕竟后者可以全天候提供相同的输出，与有没有阳光或风无关。
非可再生燃料电力系统只有两个主要元素：作为电源的发电机和为最终用户提供电力的输电线路。相比之下，要让可再生能源成为靠谱的电源，就必须要引入一些额外的功能：
l 首先，从可再生能源获取的“原始”能量是不能直接使用的，必须通过功率变换器/调节器转化为稳定、清洁的120/240伏交流电。
l 其次，对于无法稳定供能的可再生能源（通常情况都是如此），需要在从能源到用户的路径上添置一套储能系统 (ESS)，以便接受并储存从这些能源获取的能量，这样才可以随时根据需要为用户供电，不论上述能源在此时是否可用。
此外，更先进的ESS系统还可以将未使用或未储存的电力回输到电网中。
多种多样的ESS方案
如前所述，基本可再生能源的可用性，只是更广泛的能源难题的一部分。一个完整的系统不仅需要能源，还需要储能系统和输电线路（图2）。目前，在构建基于可再生能源的实用、完整的系统时，如何实现这种临时储能是一个重要问题。
图2：一套完整的并网ESS系统需要的不仅仅是储能子系统；它还需要能源和输电线路。（图源：Saft/Total Energies）
不论移动式还是固定式装置，都有储能的需求，具体合适的方案取决于系统的大小和定位。当最终应用的规模扩大，或者不再需要移动时，会有更多可行的方案（图3）。
图3：储能方案显然不在少数，但它们的可行性取决于定位和容量。（图源：贸泽电子）
储能方案大致可分为机械、化学、电气和液压方法，具体包括：
l 利用可再生能源将氢气从水中分离出来，然后储存在燃料电池中使用。
l 把水抽到高处，然后在需要时释放出来，使之流经涡轮发电机。
l 将空气压缩储存在罐体或洞穴中，然后在需要时释放出来，推动涡轮发电机转动。
l 使用电机使飞轮旋转，将能量储存在旋转的质量中，然后在需要时将该电机用作发电机，提取储存的能量。
l 加热盐类直至熔融，然后在需要时让其冷却，提取储存的热能。
l 使用电动绞盘提升并堆放重物，然后在需要时让重物以受控的方式下落，此时绞盘电机充当发电机（图4）。
图4：一种通过重力储能的形式是使用自动起重机吊起重达35吨的混凝土块，然后让它们以受控的方式下落，带动发电机转动。（图源：Energy Vault）
l 使用超级电容器，通过电荷的物理排列来储存能量。
l 当然，还可以使用电池，利用电化学变化来储存和释放能量。
上述每一种储能方案都具有各不相同的性能属性，涉及：
l 按重量和体积计算的能量密度。
l 现场准备、许可问题和环境影响。
l 向更大容量扩展的可行性。
l 储能容量调整和升级的模块化程度。
l 前期、运营和持续维护成本。
l 风险和安全问题（对于密集储能而言，这很重要）。
l 安装的不确定性和风险、工作寿命和耐用期限。
l 以及许多其他参数。
事实上，没有任何一种方案能够成为适合所有场景的“最佳”方案（图5）。适用于特定情况的方案是通过对诸多属性和关注点进行仔细的评估、排名和权衡来确定的。
图5：各种储能方案涵盖了广泛的功率和储能容量。（图源：Elsevier/Science Direct）
电池是一种颇具吸引力的方案
在一众储能方案中，可充电电池具有诸多优势，因而成为了一种较为普遍的选择。至于电池的种类，虽然经典的铅酸电池和其他电池化学物质也是可以使用的，但锂基化学物质通常是首选。
锂化学物质在许多关键需求上都能提供出色的性能，某些关键属性上更是有着显著优势。例如，按重量和体积计算，此类电池的能量密度非常高，但对现场准备的要求不高，而且工作时没有声响，自身也没有活动部件，维护工作量很小。
电池储能的另一项关键优势在于，无论初始设计的规模多大，都可以在之后轻松调整，以适应新的要求。此外，电池组本质上就是模块化的。如果日后需要更大的容量，只需再投入少量的设计工作，就可以增加额外的电池模块。这与水力/重力等储能方案形成了鲜明对比。
不仅如此，如果单个电池或模块发生故障，也可以在不影响或关闭系统其他部分的情况下进行更换。简而言之，电池储能通常能够很好地满足最主要的应用需求，而它在其他情况下的缺点也是可接受的。
可充电电池，尤其是锂电池，具有吸引力的原因还有很多。它们在纯电动和混合动力汽车和卡车设计中得到了广泛应用，因而在电池技术和关键性的电源管理系统，以及相应的电路和组件方面已经发展得非常成熟。此外，电池相关电子产品的成本一直在下降，性能不断提高，行业专业知识和经验也在增加，这在很大程度上也得益于汽车的高产量。
在电池储能系统中，还有一种不寻常的方案：使用从旧车或报废车中回收的低成本旧电池来构建固定的系统。这些电池仍然有不小的可用容量。按照通常的标准，当电池存储容量下降到其原始值的80%时，就会被认为不再适合其最初的应用，然而此时它们仍然保有大部分容量，如果回收重用这些“二手”的旧电池，依然能够组成容量可观的固定储能装置（图6）。
图6：随着电动汽车发展成熟，其产生的“二手”旧电池容量不断增加。（图源：Circular Energy Storage Research and Consulting）
基于旧电池的ESS设计并不局限于家庭或小型建筑物等小规模装置。它们同样使用能够支持办公楼、商场甚至工厂的大规模装置。与新电池一样，这些重新利用的电池组也能从大容量电动汽车电池技术相关的现有组件和专业技术中受益。
并网还是离网？
基于电池的ESS可以支持两种基本的电力系统拓扑结构：独立或并网。两者都可以配置为不间断电源系统 (UPS)。
独立系统具有独立的能源（通常但不一定是可再生能源）来为电池组充电。在非电池能源可用的情况下，由该能源为负载供电，同时为电池充电；当该能源不可用时，负载由电池单独供电。
在可以或者需要连接电网，并且电网可用的情况下，此类ESS可从电网和其他能源（如并非随时都可获得的风能和太阳能）获取电力。如果可再生能源产生的电力有富余，则由该能源为负载供电并为电池充电。复杂的ESS算法可以平衡供电分配，从而尽可能提高可用性并降低运行成本。
在电网可用，并且电费便宜时，可由电网为电池充电。反过来，当电费昂贵，或者可再生能源不可用或满足不了需求时，则使用电池供电。通过仔细管理可用能源和负载情况，此类ESS可以确保供电稳定并降低成本。
当电池已经充满电，可再生能源也能够满足用电需求，因而不需要使用电网供电时，更先进的ESS系统可以将富余电力回输到电网中，从而实现进一步的收益并降低总体成本。为此，这类系统需要使用“双向”ESS电源单元，例如TDK的EZA系列中的电源单元（图7）。这些单元能够透明地将电力从可用的地方引导到需要或可以存储的地方。
图7：借助双向电源，可以同时使用AC线路电源和其他能源为电池充电，并将电力引导到需要或可以存储的地方。（图源：TDK）
基于电池的ESS也可以用作不间断电源系统 (UPS)，无论电网是否可用，都能支持负载。UPS有离线和在线两种拓扑结构。离线UPS的结构简单、成本较低。在该系统中，负载直接由电网供电；当电网供电中断时，系统需要几秒钟时间才能切换到以电池作为电源。离线结构适用于不太关键的情况，例如用作住宅备用电源时，或者有备用发电机但没有真正意义上的储能装置时（发电机的燃料也是一种储能形式，但必须启动发电机才能使用）。
对于公共安全建筑、医院甚至数据中心等关键任务设施而言，就需要使用在线UPS。在该系统中，负载始终由电池供电，而电池又由电网（如果可用）或备用电源持续充电，供电分配通过ESS算法来管理。当为电池充电的电源（无论是电网还是其他电源）中断时，不会出现间断或瞬变。
正如Generac PWRcell系统所展现的那样，在线系统各个组件的技术在性能上取得了进步，成本也下降到了可供家用的水平（图8）。
图8：Generac PWRcell等新型家用系统无缝整合了电网电源、太阳能电池电源和电池储能装置；此外还可以整合一个可选的发电机（图中未表示）。（图源：Generac Power Systems, Inc.）
该系统具有三种无缝衔接的模式：
1) 日间模式：使用太阳能供电，同时为电池充电，并向电网回售多余电力。
2) 夜间模式：使用电池供电，能源使用得到优化。
3) 电网停电模式：使用电池供电，并在日间使用太阳能充电，需要时还可使用可选的发电机为电池充电。
通过行业标准定义设计和性能
与许多新兴应用一样，行业标准在ESS的自身发展和接受度方面发挥着重要作用。随着新能源和ESS装置的广泛使用成为现实，主要供应商、监管机构和专业组织制定了涵盖多个领域的必要标准：
l 基本安全，因为这些系统涉及高电压和大电流。这些标准可能只是多年来一直实施的电气和建筑规范的加强版。
l 选址和物理放置，因为ESS通常很大、很重而且能量密集，其结构中也可能含有危险材料。
l 兼容性，因为用户希望能够以一致的方式将不同供应商的产品结合使用。从物理连接器的基本硬件级别，到各种高级操作问题，都会涉及这一方面。
l 使用关键参数的标准度量来定义如何衡量系统的性能。
l 通常情况下，这些标准是由许多成熟和新兴的组织颁布的，因此理解和遵循它们可能并不容易。这些数量众多的标准涵盖了从基本的有形安装问题到单个组件、子系统和整个完整系统的各种内容。本文最后的资源部分列出了一些网站和资料来源，它们有助于解决这个经常令人困惑的问题。
结语
如果供电和输电系统部分或全部依赖可用性不连续或不可预测的能源，那么储能系统就是其重要的组成部分。摆在用户面前的储能方案多种多样，每种方案都在关键的电气、机械和物理性能以及安装参数方面存在权衡。基于电池的储能系统是一个非常有吸引力的方案，因为它具有非常高的可用性、模块化程度、可扩展性、能量密度、可管理性，而且工作过程中不产生噪音。
资源
l Pacific Northwest National Laboratory和Sandia National Laboratories，“Energy Storage System Guide for Compliance with Safety Codes and Standards”
l Underwriters Laboratory，“UL 9540: Standard for Safety of Energy Storage Systems and Equipment”
l National Fire Protection Agency，“NFPA 855, Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems”
l Solar Power World，“Industry safety codes and standards for energy storage systems”
l IEEE Power & Energy Society，“Battery Energy Storage System Regulations”
作者简介
Bill Schweber是贸泽电子撰稿人，也是一名电子工程师。他撰写了三本关于电子通信系统的教科书，以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中，他曾担任多个EE Times子网站的网站管理员以及EDN的执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司（模拟与混合信号IC的知名供应商）负责营销传播工作，因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验，既能向媒体展示公司产品、故事和信息，也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的MarCom职位之前，Bill曾是一份备受尊敬的技术期刊的副主编，并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前，他曾在英斯特朗公司 (Instron Corp.) 实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位，是注册专业工程师，并持有高级业余无线电执照。他还规划、编写并演示了各种工程主题的在线课程，包括MOSFET基础知识、ADC选择和驱动LED。
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