8月25-26日首屆全國用戶側儲能細分市場開發與應用高層研討會在江蘇無錫太湖飯店召開。會議由江蘇省電機工程學會、國網江蘇省電力公司電力科學研究院、全國微電網與分布式電源并網標準化技術委員會、中國化學與物理電源行業協會儲能應用分會聯合主辦。會議吸引了國內近400位學術、行業專家及企業高層代表參會。國網江蘇省電力公司電力科學研究院電網技術中心副主任袁曉冬在本次會議上,就“和儲能相關的那些第一性原理”發表演講。

 

 

演講全文如下：

 

袁曉冬：今天我演講的題目是《和儲能相關的那些第一性原理》。我們先看一下到底什么是第一性原理。

 

要解釋這個事情我想先從一個故事來講大家會更容易理解，就是飛行的故事。我們人類在一開始很早的時候看到鳥能夠自由飛翔，人類就產生了要去探索飛行這樣的目標，但是最早我們看到鳥都是通過翅膀撲扇的方式在飛，所以我們當時做了很多這樣的模型去嘗試飛行。但是我們也知道這個模型最后是沒有任何結果，而這一類人最早我們就被定義為鳥飛派。根據鳥怎么飛然后去研究人怎么飛，這是在這一塊嘗試的失敗。后來我們把這個事情又往前推，我們看到鳥之所以能飛行的一個原因是因為空氣動力學，翅膀在撲扇的過程當中提供了兩個力，一個是利用了空氣的浮力，利用了鳥在振動的時候產生的推力，人要飛行的話把這兩個力分開解決就行了，浮力是最重要的。由于掌握了空氣動力學之后，我們再往后的研究大家知道，后來我們發明了飛機，我們所有的飛行后面都是基于飛機來的。而飛機的翅膀和鳥的翅膀是不一樣的，但是飛機也能飛，這就是我們把原理往前推了之后得到的結果，跟我一開始像鳥飛派這樣的研究結果是不一樣的。再往后看人類要想飛得更高、探索更廣闊的天地，我們發現空氣動力學也不一定夠，因為可能在大氣之上沒有空氣。再往前歸因，我們發現這個要歸到萬有引力上，再往后我們研究了火箭，這完全是靠克服萬有引力完成的飛行。所謂的第一性原理本身就是用演繹的方法去把事情往前推，然求找到問題最開始的元起點，然后從這個元起點開始再往后做相應的研究，通過這個研究得到相應的結論，這個結論從數學上來講應該是更完備空間選型。這就是第一性原理本身的應用。

 

第一性原理從人類所有知識領域應用已經是非常廣泛和普遍的，只是大家平時局限在電力系統、儲能行業對這個東西理解沒有那么深，其實許多人類取得的成果精華，都是從這些第一性原理開始的。

 

因為儲能最終目標是用在電力系統當中，所以我今天第一個要探討一下電力系統當中第一性原理是什么。我想在座各位應該對這個結果80%的人都能猜到，電力系統的第一性原理就是平衡。

 

我們看一下電力系統的平衡到底是怎么回事，我們電力系統始終處在發電和用電平衡的狀態當中，在這張圖上我們看到，中間這個電如果是交流系統的話會是50赫茲，如果是推廣到更廣可能是直流系統的話，沒有頻率的事情，所以我把頻率的點拿掉了。我們看電力系統的平衡把這個問題拆開來看的話，其實是一個在時間維度上相對來說幾件事情的平衡，這里面包括了瞬時平衡、短時平衡和時段平衡。瞬時平衡如果最簡單來看無非是兩個，一個是電壓的平衡、一個是頻率的平衡，然后轉到電力系統問題的話可能包括頻率穩定、電壓穩定和電能質量，在毫秒級和秒級實現瞬時平衡，所有的事情其實都是歸在瞬時平衡當中。第二類是短時平衡，從秒級到分鐘級再往上，這個級別平衡在電力系統當中比較容易理解，像我們的旋轉備用，如果是系統發生短時間的缺額之后歷史能調出來的這部分內容就是短時平衡。還有時段平衡，我這邊列的不是非常平衡但基本上應該是小時級再往上到天、周或者到月的平衡叫時段平衡，這是時間層面上。

 

另外還有空間平衡維度。實際上還有一個角度比如說居民家庭層面的平衡、樓宇層面平衡、微電層面的平衡到大電網層面的平衡。我們所謂儲能任何一個應用其實都是在原來電力系統的時空任何一個平衡點上，一旦加進了儲能應用我就是把這個平衡點變成了一個平衡的區域，因為儲能有時間和空間的調節能力，其實我這個模型最后就認為所有的儲能應用都是在我原來的二維空間上任何一個焦點去找。我們做任何一件事情都會有一個代價，我們看一下如果從平衡的角度來講，這幾條結論應該是能夠成立的，一個是儲能在電網中應用都是基于時空平衡需求。第二個就是儲能參與以后，原來電力系統平衡的問題變成由點平衡的問題轉成面平衡的問題，這個面我到底是選儲能的方案還是電力系統其他解決的方案完全取決于在這個點上，每個點都有一個代價，我在能夠構成的面上對應整個代價整合是高還是低，如果更低的話這個就是推廣前景應用。

 

這個應用也是有一些使用場景的，比如說環保家庭，這是特斯拉提出的新能源加儲能整體解決方案。我們看一下在這個解決方案里面，其實是考慮到了Home級別的平衡，從空間上來講的話是千瓦級的平衡。如果從時間上來講家庭要用儲能和分布式能源做一個平衡的話，可能考慮從秒級一直到天甚至到周的平衡，因為這個考慮是認為電動車和儲能這些設備都可以在家里面提供能源，所以這種模型其實就是在我們的時空平衡上的結果。

 

我們看另外一個，江蘇這兩年正在大力開展的三大重點工程援助和互動，其實我們也比較容易理解是在小時間尺度上追求有效平衡，平衡是在空間上是廣域空間。比如說江蘇省或者蘇南要實現平衡，這個問題電網實現代價是比較高的，所以我們也是創新舉措利用了可控負荷，里面包含了一部分的可控儲能，用更低的代價實現了電網原來比較難實現的事情。

 

在電力系統的第一性原理總結來看，儲能應用模式和價值本質上就是取決于是否能夠以更經濟的方式促進電力系統平衡。電力系統再往外延看一下其實也是屬于物理學當中的分支，拋開愛因斯坦的物理學之外，經典的物理學也有第一性原理。依從這個再推一下儲能應用上還有沒有什么大家可以發現的其他東西。經典物理學第一性原理其實是原子論，就是牛頓的體系，所有的東西都可分割然后可以通過經典物理模型做推導、疊加。特斯拉的馬斯克對這個理論研究得是非常透徹的，他現在做的事情都是通過這個理論支撐的。特斯拉還做了對儲能價格的評估和最終把儲能價格做下來的事情，其實也充分利用了第一性原理。不知道在座各位有沒有很了解特斯拉現在能把儲能價格做到多少。國內看了很多調研報告和數據，我們認為儲能價格還是偏高，我們來看一下現在他們把儲能價格做到多少。他們的問題這么分析，他認為儲能無非從原子論角度來講拆開來就是碳、鎳、鋁、鋼以及分離的高分子，如果在倫敦交易所購買的話只需要82美元，這里面的差無非是技術壁壘和人類工作當中造成額外附加成本導致價格偏高。最新公布的成本做到了125美元每千瓦時，這個價格遠低于大家平時分析的儲能價格，而且這是前不久剛剛公布的數字，所以我們相信其實儲能在成本上往下走空間還是非常大的，至少已經有人走到了前面。

 

我們看一下基于現在講到的經典物理學原子論的第一性原理，我們怎么樣理解跟我們儲能最相關的，也就是大家討論得最多的光加儲的模式未來有沒有推廣前景。

 

這個模式最近美國的洛磯山研究所也是做了相應的研究報告，里面的結論也不是特別清晰，分了兩條線推出了兩個可能的走向，我只是通過第一性原理分析一下。我們可以看到光伏和儲能這兩樣東西如果加在一起，現在有哪些問題我們還是猜不透的。一個是大家會覺得光伏總量夠不夠支撐能源需求，另外是光伏轉化效率太低，有沒有可能提升。另外還是覺得雖然降了這么多但還是貴，因為光本身我們知道是零邊際成本的能源，如果組件和建設成本足夠低的話，那這個能源是有更大的競爭性可以替代傳統的能源，這里便不便宜非常關鍵。還有就是儲能，大規模出儲能有沒有可能性，這里面也提了兩個相反，一個是C2G的潛力到底有多大還有我們看一下有哪些儲能是能夠進一步發展的。

 

首先我們看一下光資源總量，其實有些數字大家不知道有沒有關注過，整個太陽照到地面上單位面積的光能量是1366瓦每平方米，這個量是什么概念？大家可能沒數。我們再來看一下，江蘇電網現在是全國負荷密度最大、電網規模最大的省級電網，江蘇是10.72萬平方公里，2017年我們的最高負荷是1.02億千瓦。如果按這個值來算落到江蘇地面上的量密度需求大概每平方米是小于一瓦的。太陽光照下來的能量是1366瓦，這里面有一個巨大差距。當然這是一個推問，因為有大量面積我們是不能用的，但是不是真的不能用也值得商榷。還有就是麥當勞如果開店店鋪單位面積能量需求是80瓦每平方米，如果我們想麥當勞頂層鋪光伏，按現在光層轉化效率是20%來看，可能鋪兩三層就能夠滿足整個能量需求，這是可以平衡的。還有就是太陽能轉化效率現在在20%，這個點上相對是極限值，這個點沒有可能突破。

 

我們再來看一下在光伏領域比較新的技術。這是2017年麻省理工大學全球十大突破技術之一，就是對太陽能光伏轉化效率提升的技術。我們知道原來光伏發電原理是通過光生伏特效應，但是在整個太陽能量照到光伏板上的所有能量中來看，以硅為例能系是1.1個伏特，還有一部分能量是紫外。因為能量太高一下子能把電打上兩個價位。原來所有光伏現在利用的部分是黃藍光和一部分紅外線的光，這部分能量理論極限是32%。現在新的光伏技術在原來光伏之上加了一個納米管吸收器具，再加一層熱輻射器，把太陽能光線吸收進來，里面做一個頻譜調制，全部調成能吸收的光。下面那張圖是調制的結果，能把光譜調到光伏完全吸收的角度。最下面那層還是原來的光伏板，光伏板上加了一層納米板之后，效率至少能夠提升一倍。這樣的技術實驗室預估是在2030年能過大規模的推廣應用，成熟度和研究的效果非常好。如果這樣，麥當勞如果是三層現在可以建到六層，這樣光的能量能被利用的可能性就會更大。

 

再看一下光伏成本，這個是BT2017年對光伏成本預測，也是預計到2030年的時候光伏成本將會降到3美分每千瓦時，還要進一步降低。現在其實有更多技術在光伏、光伏板成本上做探索。我們再推算一下V2G的潛力，大家都知道自己的電動車里面有一個電池。我們現在統計下來車子90%的時間是閑置的，所以有90%的時間是可以跟電網做互動，這是一個前提。第二個我們來看一下整個電動車的電池壽命，因為大家會擔心電池跟電網做交互會不會影響車子使用壽命，這個問題其實我覺得也不需要去擔心。我們可以看一下現在的鋰電池車子按續航歷程是400公里，現在能買到可能還有更高的。電池循環壽命如果按2030年算4400我覺得是不為該的，因為現在還有一些技術推到14000甚至15400再往上，4400現在能看到也有部分技術出來。我的電池至少有3500次的循環壽命是閑置的，如果有3500次循環壽命是閑置的話，這部分的儲能如果不跟電網做互動大家會不會覺得太可惜了？

 

我在2030年的時候電動車會有多少輛？根據中國汽車工程協會節能和新能源汽車發展路線圖預計，中國在2030年的時候電動車會八千萬輛，我們按80度電一個來算，現在特斯拉車是做85度，再算95%的限制率，有五十七億度的電是可以拿出來的。2030年日均上網電量大概是在240億度，儲能比例如果和電能比例達到57和240，相當于一比四的比例，在這個比例下面任何一個有能力做微網的企業都有可能把這個事情做到平衡。

 

還有就是其他儲能，我們看看還有哪些儲能沒有算在里面。當然用戶側的儲能墻是一類，還有就是移動基站，我們國內有一千萬個基站，里面有4.8億度的電是閑置的，基站每年的使用次數非常低，只用到2-3次，而且3-5年要換一次電池。這樣的資源用起來能很大補充儲能有效能量，所以我們可以看到整個新能源加儲能的應用模式會有很多的可能性。

 

這是江蘇揚州寶應縣的一個光伏領跑者項目，可以看到這個地區其實已經完全能夠實現整個能量的平衡。它的儲能本地負荷大概在400兆瓦，而光伏是在2000兆瓦，本地的年電量需求大概是在1000GWh，而光伏發的電量按江蘇四類地區能量算是2000GWh的電量。這個平衡就更容易做了，而且還有更多的電量和富余可以支持周邊地區的能量平衡。

 

再總結一下我們在整個經典物理學里面從原子論來推得出的結果。未來實現100%可再生能源供電，需要與之配套的儲能資源并不匱乏，但是現在缺少什么？我想把這個問題進一步再往外推到科學角度。科學的第一性原理是什么？我想大家可能會覺得這個問題很奇怪。這個問題不是我先提出來的，更早一些時候我在愛因斯坦傳上看過一個故事，愛因斯坦很早就回答了這個問題。當時有一個年輕的科學家去拜訪愛因斯，年輕人就問愛因斯坦科學最本質的原理是什么？愛因斯坦回答年輕人，你說的這是一個很好的問題，但是我沒有考慮過，你能容我想一想嗎？愛因斯坦就坐在他的小搖椅上點了一根煙，然后他就閉上眼睛在那想。過了十分鐘，愛因斯坦突然眼睛一睜，跟年輕人說我知道這個答案了，科學最本質的問題是取決于我們整個宇宙、我們社會，就是我們研究的對象，我們認為它是一個善良的還是邪惡的。那個年輕人聽了之后就覺得很詫異，“愛因斯坦先生，您說的難道不是一個倫理學的問題嗎？”愛因斯坦回答：“我說的是一個科學問題。因為如果我們所有的科學家認為我們這個世界是非常善良的，那我們所有科學家的研究都會去做一些促進世界連接的工作，就會去做一些交互的工具、就會做一些促進連接工具、就會做一些促進我們更高提升效率的工具。而如果所有科學家認為我們世界不是開放的，那所有科學家都會去研究研究，比如說我去研究墻壁、我去研究武器。整個世界就會變成另外一個樣子。”年輕人聽到這個答案之后也是若有所思，回去以后他就成了第一代研究互聯網的幾個科學家之一，這是當時在《愛因斯坦傳》上面我覺得是比較打動我的一個故事。可以看到科學的第一性原理我們認為就是開放，科學本身是要促進更加開放和融合，這樣的話整個所有技術推進才能走向下一步。

 

我們看一下江蘇是怎么做這個布局的。這是輸電側、電網側和用戶側的一部分元素，我們在用戶側儲能這塊開展了兩個實踐，一個是儲能的互動平臺，第二個是儲能云。我們先看儲能集成互動平臺，它其實是基礎一于大型工業儲能用戶端的大型儲能，我們把這些儲能電站通過儲能的集群SCADA系統全部匯集起來跟電網做互動，把它作為電網調度的一部分，這就是項目的思路。整個示范工程在江蘇接入不同地區配網側、用戶側不同的儲能系統大概布局10個點左右，整個容量不低于80兆瓦，讓這些儲能集中起來跟電網做交互和互動。這是SCADA展開的結構，里面牽扯到了營銷系統和原來做互動的系統，在這里面做了一些集成。在這里面儲能參與調峰模式主要是幾類，一個是毫秒級的響應。主要是調度實施控制指令實現一些應急控制，包括頻率電壓調節。第二個是運行優化。這是秒級優化，主要是做超短需求側和穩態需求的控制指令，開展新能源接入和電能優化的工作。還有是分鐘級、小時級移峰的事情，主要是基于需求響應進行削峰。最后一塊是在構想當中，這是我們對整個大型用戶性儲能的構思和布局。

 

在這里，我們的實時監控和預測系統對支持AGC類應用、平滑出力類應用、消峰填谷類應用和跟蹤計劃類應用都有基本的控制策略。這個控制策略不是很復雜，重點是把用戶側儲能全部匯集起來，把它的價值提升，讓它跟電網做嫁接。在開放程度上，我覺得技術上江蘇公司已經往前走了一步，但是相應還有一些配套的政策、價格我們如果做小的示范可以去做，但是大的話，還是要有更高層面比如像儲能學會的推動，國家層面去出相應政策，這些事情才能做得更好。

 

第二個應用是今年開始布局的儲能云應用。儲能云整個構思是把分布式儲能通過即插即用方式，包括了居民側的儲能墻、V2G還有一些更小型工商業里面的儲能，通過即插即用裝置通過公網傳輸之后進入儲能云平臺，后端通過手機端和簡單的控制系統對整個更小的云儲能資源進行相應控制。我們會在蘇州做100戶居民的示范，這100戶示范預計是在今年年內要去完成。這里核心的部分就是通過即插即用方式把用戶儲能收上來。收上來干嗎？因為這些儲能資源更小，跟前面大一點的儲能還不一樣，不會做集中性控制，但是我們會用到分布式控制的理念。首先終端和終端之間會有點對點的通訊，另外還有本地協調控制的策略，局部儲能云資源之間產生相應互動，這是一個去中心化整體地設計。在這里面如何協同合作達到整體經濟效益上的最優同時滿足整體的安全因素，這是研究的難點。整個核心算法也就是分布式的優化算法，我們參考了原來在主動配電網里面分布式自律調節的控制算法，包括敏捷性、可靠性、即插即用和信息安全。這是我們的關鍵設備，可以看到中間灰色那一塊是設備的核心部分，可以跟儲能變流器連接，另外上端跟儲能云系統連接，相當于是在原來儲能接并網過程當中額外加進了這樣的即插即用裝置，讓整個儲能變得能夠被系統識別，未來他們之間能夠產生更多互動的可能性。大家也知道，這個東裝在家里如果做一個很復雜的裝置肯定不現實，所以我們做裝置的時候目標還是讓它集成化嵌到原來的目標當中去，或者做一個家里面小的路由器級別的東西，讓用戶不討厭能夠進入到家庭，這是難點。包括認證加密、就地能量管理和模式設定，這是即插即用的功能。左邊是內部結構框圖，右邊這個結構是單獨做一個小的模塊出來跟儲能連接。現在我們在蘇州示范的大概都是一些比較小的三千瓦和七千瓦兩種搭配，在云平臺實現以后是這樣的結構，前端是數據、后端是應用、中間是云，這是我們平臺現在的一些設計界面、這是APP端的頁面，在智能控制終端就是手機端可以實現人工控制，還有智能控制就是自動去優選控制。

 

最后對我的介紹做一個總結。第一個第一性原理可以看到平衡，首先是選擇儲能應用的基礎，第二個原理我們可以看到通過原子論的模型把所有事情重新算一遍，然后發現光伏加儲能的模式是可以滿足電力的需求。第三個我們看到用戶側儲能需要更加開放的態度和更加開放的技術來賦能。現在技術方面我們正在探索，我們也是希望能夠通過大家的努力在其他方面做到更加開放，實現未來用戶側儲能的效益更好提升。