浅析数学理论在储能行业中的应用

王 萍 萍

（苏州大学东吴学院，江苏 苏州 215006）

数学理论的运用帮助储能行业实现了对传统系统构建范式的颠覆，将传统的储能系统优化成了数字储能系统，并将储能系统的可视性、可管理性提升到了更高的层面。通过数学理论模型能够帮助储能行业提升储能介质的数字化复用率，在很大程度上解决了能量需求多样和种类有限的矛盾，相比传统的储能系统，基于数学理论构建的新储能系统在管理成本和部署难度上都得到了明显的优化。

1 浅析数学模型理论在储能行业中的运用

1.1 广义储能模型

通过GEES模型进行能量转换是广义储能模型的代表，可以很大限度内突破传统能源网络中单向提供能量的困局，进而构建起能量储存与供应的新网络，比如能源利用P2G 转换为天然气，再进入管网对用户实现供电。为了克服可再生能源接入后大功率对电网的冲击，不再由单个储能系统对其能量予以消耗，以及利用GEES 模型系统硬件中转换装置转化的热能、冷能予以储存消纳。转换装置能够直接把能源转化为其他类型的能量以适应各种负载要求，进而降低对能量网络的要求。综合能源体系在不同空间尺度上存在相互关联与优势互补关系，或在空间尺度上存在相互耦合与互补关系，在一定程度上实现了能源梯级化利用，相对于能源消耗的瞬时性，供冷、供暖技术的延迟性和渐变性获得了显著优化。利用广义储能模型增加资源可用性的同时，也增加了能源供应安全性，但对各种资源的转化耦合复杂性以及存储手段多样性带来了一定挑战。

1.2 储能系统性能模型

储能系统性能模型在储能基本问题规划、重要问题的发现与检查、功能调优、自治控制、存储设备管理系统以及可靠性控制中都占有着重要地位。从实际情况来看，数学模型研究与分析的方法大多应用于整个储能系统运行环节的前半部分，以数学模型的理论基础为排队原理，通过分析的方法研究整个计算机系统的工作流程，这种研究方式所需时间不多，可以节省大量研究的费用，而且还可以得到准确性、科学性较高的研究结果。利用排队论和拟生灭活对储能Ι/O 系统实现建模，可以快速改善能量存储机制，大大拓宽了计算机储能系统的使用范围。并且在使用计算机储能系统的具体实践中，许多用户都在思索和探究怎样进一步提高计算机存储体系的性能，而这就需要使用性能模型来对计算机储能系统的具体特性进行具体的分析研究。

1.3 储能系统的PSASP模型

伴随着数学理论与储能行业的深度结合，PSASP 模型逐渐成为平抑储能系统功率波动的主要技术手段，由于各种储能系统的功率、储能容量有所不同。PSASP 的暂态与稳定计算程序通过时域分析仿真对不同的储能系统进行分析界定，通过网络节点导纳矩阵构建微分方程，并通过隐式变换的梯型微分计算实现储能问题的解决，所有模式均进行了隐式变换积分迭代。PSASP 中发动机、负载、储能设备等都是直接进行节点电流灌注，所以暂稳计算的使用者可以自定义模型接口为电流注入方式。目前新兴的能量储存体系主要有超级电容储能系统、蓄电池储能系统、超导性铁磁储能系统等。储能系统并网的接口特性也和自动变换器的管理存在着重要关联，而PSASP 模型在介入储能系统的同时，为储能系统并网提供了精确的模型计算管理。

2 基于数学理论的数字储能技术应用革新

2.1 储能管控的云平台技术的建立

动力储能控制云平台的实质是把原本高度相互耦合的统一动力储能智能硬件操作系统进行整合，如固定或串并行的储能硬件操作系统，利用规范化、抽象化（虚拟化）等手段解耦成各种各样的数学模型体系，进而围绕着这些数学模型体系构建虚拟化软件系统，再通过定义应用程序界面的方法完成原先智能操作系统实现的功能。通过管理与控制应用软件，管理系统能够自主地完成对硬件系统资源的全面部署、整合、优化与管控，为应用提供高灵活性的业务。储能能耗控制云平台将拥有信息和能力之间密切耦合的对接能力，以支持未来储能网络中动力能耗业务的加载，并基于数学模型构建成了“云+端”的典型结构，从而实现了储能信息化服务的附加意义。储能控制云平台系统可以按实际应用需要，采取系统内可编程接口或动力电池能耗服务模块的搭建，将硬件管理系统的控制能力开放至云平台上，从而使终端用户和业务客户可以对其储能系统资源进行多维度的配置与控制。储能管控云平台是基于数学模型理论真正实现未来云储能系统（或储能云）的重要储能科技。云储能也应该被看作是未来系统储能的新形态，是一个依托已建立的既有储能网络的共享储能技术，由集中式或分布式的储能设备所形成的公共储能体系，并根据应用需要提供多样化服务。利用庞大的分布式储能交互体系，将用户已有的各类储能固定资产（如后备动力电池等）数字化虚拟变为云端的数据存储固定资产，从而向所有用户供应基于数据存储固定资产的能源产品，从而推动了储能行业在能源网络这一方向的变革。

2.2 面向数据中心的数字储能技术应用

通过开发应用在数据中心上的软件定义数字UPS技术，对传统后备电源供应结构做出了革命性提升。同时通过利用电池能源转换技术，加大力度开发ΙDC数据中心和基站机房的分布式数据储能系统，从而实现传统备用能源的数字化和基于互联网信息技术的储能控制。和常规的后备供能系统一样，数字的储能转换系统也能够对后备能源中的单体进行能量流动的精确控制，实现微秒级的离散化和数字化管理控制，并利用微秒级的电池供应网络拓扑动态重构，确保了使用过程中的储能系统不过充不过放，同时也隔离了失效的氯乙烯单体，由此显著提高了后备能量供应系统的有效能力和可维护性，另外自主实现了运维巡检与调整，从而大大降低了储能用电管理系统的建造成本与运维成本，从根本上提高了后备能量储存的商业经济效益，储能管理系统运行实际情况证明，数字储能系统实现了数据流和能量流的紧密结合，从能量流、信息流与环境参数的角度，对后备能量进行全方位理解和控制。由于使用分布式的数据储能电源管理系统取代了原有的集成式UPS 管理系统，并且使用大电流式的连接取代了串入式连接，新储能体系将大幅减少二次能量交换，从而减少10%以上的能量消耗，ΙDC的有效空间利用率将增加30%左右，同时也能够大幅增加ΙDC的整体经营利润。

2.3 退役设备梯次利用的数字储能技术推广

不同种类、生产批次、应用工况下的动力电池退役后，在健康状况、有效容量等方面差别明显，且由于目前的动力电池拆分、精细分类和固定串并联重组的梯次使用方式都是采用电池一致性设计的方法，这也导致了退役报废动力电池规模化使用时存在难度大、效益少、成本高等问题，从而大大降低了退役报废动力电池的再使用价值，并且也无法提高梯次使用后动力电池储能系统总体性能的安全性和经济效益。在梯次利用技术方面，由于传统方式难以满足对海量差异化退役动力电池的低成本快速分选需求，所以加强数字储能技术的推广运用就尤其重要。数字梯次利用方式无需将动能燃料电池完成单体层面的拆分、精选和重建，而是利用可重建燃料电池网络技术对已退役的动能燃料电池单体进行重组，将低压动能燃料电池模组进行重新连接，完成对退役动力能源电池单体及模组的精确充放电平衡与对微秒级故障动力电池的精确分离。通过进一步的状态计算与体系特性解析，完成可重建动力储能网络系统的数字化梯次运用，进而优化对退役储能电池的安全控制。同时也能够在较大程度上减少退役储能电池单体或模组在充放电流程中产生的能量差异，从而屏蔽体系短板效能造成的各种动力储能运行问题。另外通过软件定义储能交换体系所形成的梯次运用燃料电池，可以显著提高工作效率，能够对储能单体及模组实现双向的能量控制，从而达到自动化、网络化和智能化。