摘要：分布式儲能可以從根本上解決分布式電源接入和負荷快速增長給電力系統的運行與規劃帶來的問題與挑戰。從分布式儲能的規劃技術、面向電網的應用模式、關鍵裝備研發及商業運營模式4個方面介紹了國內外分布式儲能研究的最新進展,并重點就其中的容量配置、選點布局、協調控制設備研發及運營模式進行了評述,并給出了進一步的研究方向建議。最后,結合中國未來智能電網的建設規劃,對分布式儲能的發展前景進行了展望。

0 引言

近年來,分布式電源大量接入配電網,其接入點的隨機性和出力的不確定性給配電網的規劃運營帶來了新的問題。與此同時,隨著負荷快速增長,峰谷差不斷增大,城鄉配電網“標準低、聯系弱、低電壓”等問題日益突出,負荷需求響應作為一種有效調節手段,在一定程度上可以緩解上述問題,但是要從根本上解決,需要引入儲能技術[1-3]。

隨著儲能技術進步和成本降低以及需求側的演化發展,分布式儲能在電力系統中的廣泛應用是未來電網發展的必然趨勢,也是突破傳統配電網規劃運營方式的重要途徑。2015年3月中共中央國務院印發的《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》明確提到鼓勵儲能技術的應用來提高能源使用效率,2016年3月《“十三五”規劃綱要》中八大重點工程提及儲能電站、能源儲備設施,重點提出要加快推進儲能等技術研發應用。各企業單位也在積極開展儲能系統建設并探索儲能商業化運營模式,國網江蘇省電力公司規劃到2020年江蘇省內儲能累計容量達到1000 MW。

分布式儲能安裝地點靈活,與集中式儲能比較,減少了集中儲能電站的線路損耗和投資壓力,但相對于大電網的傳統運行模式,目前的分布式儲能接入及出力具有分散布局、可控性差等特點。從電網調度角度而言,目前缺乏有效的調度手段,如任其自發運行,相當于接入一大批隨機性的擾動電源,它們的無序運行無助于電網頻率、電壓和電能質量的改善,也造成了儲能資源的較大浪費。在配電網中合理地規劃分布式儲能,并調控其與分布式電源和負荷協同運行,不但可以通過削峰填谷起到降低配電網容量的作用,還可以彌補分布式出力隨機性對電網安全和經濟運行的負面影響。進一步,通過多點分布式儲能形成規模化匯聚效應,積極有效地面向電網應用,參與電網調峰、調頻和調壓等輔助服務,將有效提高電網安全水平和運行效率[4]。

在此背景下,本文對分布式儲能的規劃技術、參與輔助服務的應用模式、關鍵裝備研發及商業運營模式等規模化應用關鍵技術進行梳理與探討,為后續開展更為深入的研究提供借鑒與參考。

1 儲能規劃技術

目前,分布式儲能的應用場景主要包含用戶側、分布式電源側和配網側3個方面,其投資主體包括用戶、分布式電源投資商和電網公司,多以分布式電源、用戶側或微電網為背景引入,電動汽車也是其中的一種重要組成。在配網中,關于分布式儲能規劃技術的研究主要涉及容量優化配置及選點布局2個方面,并且當需要同時開展容量和選點研究時,鑒于二者間存在的強耦合關系,在目前國內外開展的研究中,往往將之作為一體化問題處理,多通過將分布式儲能規劃描述為一個優化問題,優化目標和約束條件隨應用場景和應用目標而變。優化目標主要包括技術性目標和經濟性目標兩類,約束條件一般包含儲能設備布局總點數、儲能本身和系統運行方面的約束條件。

文獻[5-9]均為針對分布式儲能容量優化配置開展的研究,涉及的場景包含促進分布式電源消納、配電饋線削峰、參與配電網需求響應等。文獻[8]以參與配電網需求響應為場景,建立了儲能系統的數學模型和基于電價變化的需求響應模型,以節省電費、最大化業主收益為目標開展儲能容量配置研究。文獻[10]以配網饋線擴展規劃為場景研究分布式儲能的容量配置和選點布局,以儲能安裝成本、新電路的擴展成本、儲能運行成本和切斷可中斷負荷的罰金總和最小為目標,約束條件包括系統潮流、儲能容量和充放電功率約束、發電機運行邊界和爬坡率等。文獻[11]以系統功率平衡和參與電網輔助服務為場景探討儲能系統在主動配電網內的規劃技術研究,提出了技術性和經濟性綜合規劃目標,以一段時間內配電網各母線電壓波動、網損和與外電網交互的總能量成本的加權和最小為目標,目標函數如式(1)所示。

文獻[12]給出了在配網側規劃儲能系統時,儲容配置和選點布局的一般步驟：

1)確定研究對象,電網和儲能應用場景(約束條件、負荷曲線、時間跨度等)。

2)確定電網內可用于安裝儲能設備的節點數。

3)確定分布式儲能系統的總容量。

4)確定儲能系統的控制策略。

5)確定分布式儲能系統的容量劃分方式。

6)在選定的應用場景中,模擬分布式儲能的分配效果。

7)重復步驟5)和6),迭代次數取決于布局點數和計算精度要求。

算法流程圖見圖1。

圖1 采用遺傳算法的求解流程圖

綜合目前國內外開展的分布式儲能系統的優化規劃方面的研究,大多建立以技術性或經濟性或技術與經濟性綜合目標的目標函數,在儲能本身和系統運行的約束條件下開展尋優求解,目標函數一般可綜合為單目標優化,約束條件包含等式約束和不等式約束,針對該優化求解問題也開展了較多研究,多采用智能求解算法進行求解,比如遺傳算法。

此外,在用戶側規劃儲能設備,不存在布點問題;并且因為我國目前實行分時電價和針對工商業用戶的兩部制電價政策,所以用戶側分布式儲能的引入多從經濟性角度出發,以減少電費或最大化收益為目標開展儲能配置研究[13-15]。江蘇2017年用戶側分布式儲能規劃建設情況如表1所示。從表1可以看出,當前用戶儲能的建設目標還是以需求響應(價差套利)和提高供電可靠性為主,對電網的支撐作用主要是削峰填谷。

表1 江蘇省2017年用戶側儲能規劃建設情況(容量1 MW以上)

分布式儲能應用于不同場景下的目標函數及約束條件如表2所示。

表2 不同應用場景下的目標函數與約束條件

（表2中：m為儲能系統的年投運次數;n為劃 ">）

總體而言,國內外在分布式儲能規劃方面已有較多研究,但目前的研究均是在確定的應用場景下開展常規性的規劃研究,在我國配網分布式儲能蓬勃發展的背景下,為提高分布式儲能系統的利用效率和充分調動電網資源,有必要面向電網應用,開展基于配網內現有儲能資源的補充性規劃技術研究,即針對電網需求,首先評估電網內已有的可匯聚儲能資源,在此基礎上,開展差額配置和布點研究。

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2 面向電網的應用模式

隨著新能源和城市負荷的快速發展,電網運行在調峰調頻和新能源消納方面的壓力越來越大,需求側各種資源參與電網優化運行是必然趨勢。

2.1 儲能參與配電網優化運行

儲能系統憑借其快速功率調節以及兼具供蓄能力的特征,在平滑間歇式能源功率波動、削峰填谷、改善電壓質量以及提供備用電源等方面都發揮了較大作用,是配電網實現對廣泛接入的分布式能源靈活調節以及網絡優化運行的關鍵所在。當大量可再生能源接入配電網時,其出力的波動性會對配電網的電壓質量帶來不利影響,甚至會使電壓越限,使用儲能裝置可以對接入節點的可再生能源及負荷進行削峰填谷,從而抑制了功率波動,減小了電壓越限風險,提升了配電網對新能源的接納能力[16-18];同時,儲能系統的接入也可以改善配電網潮流、降低網損,優化配電網的運行[18-19]。此外,將多個子儲能系統并聯在微網中可提高儲能系統的容量,利用儲能系統的快速功率調節能力,可為整個孤網系統提供穩定的電壓頻率支撐,維持微網系統運行的穩定[20]。

2.2 儲能參與系統輔助服務

儲能系統可通過參與系統輔助服務,對電網起到支撐作用,應用模式主要包括調頻和調峰。

不同于傳統火電機組,可再生能源發電系統屬于低慣量系統,雖然可以通過虛擬同步或虛擬慣量控制策略獲取一定的阻尼特性,但是作用有限。大量光伏電站或風電場并網會降低電力系統的慣量,弱化電網對頻率的調節能力,影響其安全穩定運行[21-24]。利用儲能系統,可以進行削峰填谷的工作,減小有功功率的波動;也可以提升可再生電源對頻率調節的響應能力,改善低慣量系統的一次調頻特性。當光伏電站或風電場不足以響應系統的頻率調節時,儲能系統可以通過放出或吸收功率,完成新能源電站對電網頻率變化的響應。

目前研究多集中在大容量集中式儲能電站對大電網的支撐作用上。文獻[25]建立了考慮電池容量、電壓及電流等因素的用于削峰填谷的電池模型。文獻[26]在負荷預測的基礎上,從儲能電站充放電量均衡的角度,提出以一個邊際負荷值來確定電站充放電運行狀態的控制方案。針對實時負荷與預測負荷存在偏差的問題,提出了結合儲能電量預測值對電站實時運行控制進行調整的方法。文獻[27]提出一種基于動態規劃的實時修正優化控制策略,可在優化模型中引入充放電次數限制和放電深度限制等非連續約束條件,并通過將電池電量離散化等方法解決含有非連續約束的優化問題,該控制算法已成功應用于南方電網兆瓦級鋰離子電池儲能示范工程。文獻[28]提出了一種分布式電池儲能系統的新型協調控制算法。主控制中心分組和控制模擬系統中相鄰電池儲能系統,向每個電池儲能系統發送充電或放電運行信號,從而應用于電網削峰填谷。

總體而言,已有研究大多針對集中式大容量的儲能系統,而對于分布式儲能參與電網輔助服務的協同控制技術研究還較少。如何構建規模化分布式儲能匯聚效應的動態仿真模型,協調控制多點布局的分布式儲能以及柔性負荷,亟需開展相關內容的深入研究與應用。文獻[29-30]定義了負荷聚合商概念,因此進一步可以擴展到儲能參與需求響應和提供輔助服務中,將會出現“資源聚合商”,未來資源聚合商將匯聚若干分布式用戶儲能參與電力市場交易,基本框架如圖2所示。

 

圖2 分布式儲能匯聚(資源聚合商)參與電網調度交易示意圖

 

3 儲能關鍵裝備研制

隨著智能電網的發展和分布式電源的不斷增多,對于研制分布式儲能關鍵裝備的需求也更加迫切。關鍵裝備主要包括高效率、即插即用變流器,支持廣域調控的就地監控設備和協調控制設備等。

3.1 高效率、即插即用儲能變流設備

在一些特殊的場合下,分布式儲能設備需要有并網和離網運行2種工作模式,這2種工作模式之間的切換需要盡可能平滑,減小對用戶或電網的沖擊和影響,使分布式儲能設備能夠柔性接入和退出的控制技術是實現分布式儲能設備即插即用的基礎。通過并網切換孤島過程補償算法與孤島切換并網過程預同步方法[31]可以實現2種工況的無縫切換,具體控制策略見圖3和圖4,圖中變量定義參見文獻[31]。

 

圖3 并網切換孤島控制策略

 

 

圖4 孤島切換并網控制策略

 

對于提高分布式儲能系統的效率而言,基于新型中點鉗位(A-NPC)拓撲結構的三電平變流器可以提高輸出電壓波形質量,有利于降低絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)耐壓,以減小開關器件成本、IGBT損耗和電感損耗,來提高系統整體效率,因此具有廣泛的應用前景。文獻[32]基于A-NPC三電平拓撲結構,設計了電池儲能變流器主電路,開發了變流器系統控制器軟硬件,研究了變流器中點電壓控制機理。

目前對于單臺儲能變流設備無縫切換控制策略研究較多,但是如何實現設備即插即用的電氣/通訊接口技術以及設備并網運行時的柔性接入/退出,減小對系統沖擊方面和不同應用模式下平滑切換控制技術方面研究較少,亟需開展相關內容的深入研究。

3.2 儲能系統就地監控設備

電池儲能系統一般由儲能電池、電池管理系統、雙向變流器和監控系統等幾個主要部分組成,并通過升壓變壓器接入10 kV及以上電壓等級。儲能監控系統與電池管理系統、雙向變流器、上級調度系統通過高速的通信協議以及通信網絡實現信息交互與傳輸,從而實現對儲能系統的監測、運行控制以及能量管理。針對分布式儲能系統的不同應用場景以及需求,儲能監控系統基于儲能系統中電池、雙向變流器等配套設備的運行狀態,實時控制各儲能變流器的充放電功率并優化管理儲能電池系統充放電能量,不僅實現電池儲能系統在各種場景下的應用目標,并可實現電池系統的優化調度管理,有效減緩電池劣化,實現儲能系統高效、安全、可靠、經濟運行。儲能監控系統的設計需要遵循IEC 61850標準,能夠完成實時監控和高效控制的功能,提高儲能系統運行的穩定性,主要環節包括信息采集、狀態監測、遠程控制、人機交互等[33-35]。儲能監控系統拓撲結構見圖5。

 

圖5 儲能監控系統拓撲結構

 

由于國情不同、電網的生產運營方式不同以及高昂的價格,國外的監控系統很難在國內推廣應用。考慮到今后儲能監控技術與需求的發展,實現先進的優化控制調度,開發具有自主知識產權適用于多點布局中小規模分布式工程的低成本儲能監控系統勢在必行。

3.3 多點布局儲能系統協調控制設備

多源協調控制根據分布式電源、負載類型以及配電網不同的工作模式,通過主從控制、對等控制以及其他相關控制策略,抑制因各節點電壓差產生的環流和控制直流母線電壓的穩定,實現配電網中的各供電電源的協調控制。常用的控制技術包括多代理系統的直流電壓穩定控制策略、電壓分層協調控制策略、基于動態虛擬慣量的分布式電源控制等。對于離網運行的工況而言,多臺儲能逆變器并聯運行時,需要為整個微網系統提供穩定的電壓頻率支撐,但逆變器等效輸出阻抗和線路阻抗的差異會造成功率分配不均以及環流過大等問題,從而導致整個微網系統的不穩定。P-U、Q-f下垂控制策略可以解決功率在多臺儲能逆變器之間的分配問題。針對逆變器間的環流,可以增加虛擬阻抗技術,使變流器等效輸出阻抗呈現阻性,從而抑制環流;對于不同電池系統,其荷電狀態不同,可以施加功率控制外環,根據電池系統的荷電狀態合理分配功率,從而實現多臺逆變器離網狀態下的協調控制[20,36-37]。下垂控制適用于本地多逆變器離網的并聯控制,對于配電網中分布式儲能而言,往往是并網運行,且分布在不同節點上。對于廣域布局分布式儲能系統的協調控制設備的研制,需要遵循IEC 61850通信標準建立儲能系統的擴展信息模型,實現不同節點儲能系統的通信與數據共享,并以最優電能質量指標或最大經濟效益為目標編寫控制軟件,實現廣域布局分布式儲能系統的協調控制[38-39]。除了分布式儲能系統之外,文獻[40]在分析電動汽車動力電池特性的基礎上提出了電動汽車分布式儲能的概念。在滿足電池約束、電網約束和車主約束的基礎上提出了電動汽車分布式儲能的控制策略。

目前,國際上的分布式儲能協調控制設備研發也處在剛剛起步的過程,如德國能源供應公司SENEC.IES,目前有2000個用戶參與到他們的‘Economic Grid’計劃中,家庭用戶安裝“雙向能源管理系統”(簡稱BEMI),每15 min儲存用戶用電數據,記錄用戶用電習慣,當電價發生變動時,BEMI通過控制分布式儲能系統來調控用電時間和用電量。目前國內尚沒有分布式儲能相關產品,主要是借用微網控制器實現類似功能,然而微網控制器多用于本地控制,很少涉及到廣域多點調度相關功能,同時微網控制器缺乏對電池儲能系統在線檢測、充放電優化控制和保護的相關功能,難以實現對于分布式儲能系統的全面控制和優化。

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伴隨配網側分布式儲能的快速發展,面向電網的儲能資源匯聚應用將包含電池儲能設備、通過V2G并網的電動汽車、儲熱鍋爐、冰蓄冷中央空調等分布式儲能設備,通過多設備間的協調控制,參與電網調峰、調頻等應用,如圖6所示。在這個過程中,儲能系統的協調控制設備在上層調度和各分散的分布式儲能資源間起到調度指令分解、儲能設備協調控制、儲能監控與保護、多應用功能切換等功能。

 

圖6 面向電網應用的分布式儲能協調控制框圖

 

4 儲能商業模式評估

4.1 商業模式

作為分布式可再生能源發電和智能微電網的關鍵支撐技術,分布式儲能在分布式發電和微電網系統中除了參與系統運行控制,還可以產生相應的經濟效益,如在分時電價機制下,可以通過低儲高發實現套利,在工商業用戶兩部制電價下,通過降低基本電價為用戶節省電費,或通過提供用戶需求響應能力,幫助用戶降低高峰負荷的用電量,賺取需求響應服務費等。2016年國家能源局發布的《關于促進電儲能參與“三北”地區電力輔助服務補償(市場)機制試點工作的通知》特別強調了鼓勵電儲能參與電網的調峰,并針對用戶側電儲能調峰進行了說明,用戶側建設的電儲能設施,充電電量既可執行目錄電價,也可參與電力直接交易自行購買低谷充電電量,放電電量既可自用,也可視為分布式電源就近向電力用戶出售電量;用戶側建設的一定規模的電儲能設施,可作為獨立市場主體或與發電企業聯合參與調頻、深度調峰和啟停調峰等輔助服務。該通知明確了電儲能參與系統輔助服務的身份,在目前的電力市場環境下通過低儲高發獲取收益是可行的途徑。

從目前的市場環境來看,儲能設備獲利是具有政策支持的,目前的研究也多基于此展開,文獻[41]提出一種雙層調度策略模型,該模型的主要目標是通過最優地控制儲能充放電曲線來使售電公司的利潤最大化。文獻[42]在綜合考慮了電、水、氣高級量測,微電網分布式能源管理和電動汽車充電及相關節能技術的基礎上,根據智能小區的技術發展現狀,對智能小區商業模式從投資分攤類型、盈利模式和效益測算分析3個方面進行了探討,并詳細分析了各個方案的優缺點。

目前,與分布式光伏組合形成的分布式光儲系統在國外已有較多的商業應用,在不同的國家,分布式光儲發電的應用重點各不相同,美國加州在工商業領域的分布式項目居多,澳大利亞和德國市場的重點在戶用儲能領域。以德國SENEC.IES公司為例,該公司將用戶側儲能聚集起來開展“免費午餐”模式,享有對電池的主要控制權,當電網“零電價”時控制電池從電網充電。用戶主要通過最大化地自我消納屋頂光伏所發的電力、使用SENEC.IES 提供給用戶的“免費儲存的電力”,實現更低的電費賬單,進而獲益。SENEC.IES的商業模式見圖7。

 

圖7 SENEC.IES的商業模式

 

Fenecon/Ampard開展的虛擬電廠模式,將Ampard的能源管理模塊與Pro Hybrid儲能系統集成起來,使其可以在用戶側被用作虛擬電廠。

用戶為了增加自發自用而購買儲能系統,Ampard利用他們的能源管理系統(Ampard Energy Manager)將這些系統管理起來,為這些儲能系統增加虛擬電廠的功能提供一次調頻控制和備用等服務。Fenecon/Ampard的商業模式見圖8。

 

圖8 Fenecon/Ampard的商業模式

 

從目前分布式儲能應用現狀來看,分布式儲能系統具有通過匯聚將“點”資源凝聚起來,通過前面定義的資源聚合商概念,實現分布式儲能資源的匯聚商業運營的可能,國外在該方面的應用已經初具雛形。國內對于分布式儲能運營商業模式研究還處于起步階段,相關的探討和分析仍比較局限。隨著政策引導和市場需求的增強,預期將發展形成一大批從事各類型儲能技術研發、制造、建設、運營的相關企業,分布式儲能將在電網中得到更廣泛的應用,關于商業模式的研究有待進一步深入。

4.2 經濟性評估

在自由競爭的電力市場中,相關的評估研究大多針對運營商的收益,如低儲高發套利、調頻收益、備用收益等,根據電價預測,計及運維成本,建立優化調度模型,在日前市場中合理安排儲能系統的調頻容量、備用容量和充/放電策略,使運營商獲取最大的效益,從而對儲能系統應用的效益進行評估。

對分布式儲能的經濟評價,需要量化儲能的投資運行費用、政策的補貼、工作模式如削峰填谷和配合新能源接入等帶來的收益以及節能減排等其它收益。由于新能源出力的不確定性,可以使用典型日提取、信息決策理論等方法對儲能帶來的收益進行量化評估[43-45],建立相應的目標函數,評估儲能投資的可行性。文獻[46]提出一種評估儲能支撐分布式光伏接入價值的方法,分別針對有儲能和無儲能接入2種情況,以適應大規模分布式光伏接入所采取的技術措施總成本最優為目標,利用年度潮流計算和智能優化方法,優化確定2種情況下的最優技術措施組合及其相應的成本,通過對比技術措施成本的構成進而進行儲能價值評估。文獻[47]提出一種評估高光伏滲透率的配電網中投資儲能的綜合方法。考慮經濟和技術條件的限制,將儲能靈活應用于削峰填谷和延緩配電網投資升級。儲能系統的選址定容和使用方式決定了經濟的可行性。文獻[48]提出了一種包括儲能單位運行成本、維護成本、環境效益、風電輸出功率減小補償收益和能量損耗成本的綜合經濟評估框架。文獻[49]對儲能系統用于配電網削峰填谷,具有復合濾波結構的風儲聯合發電系統進行了經濟性評估。

分布式儲能參與系統調峰,目前在美國已經實現商業化運營,針對這一應用模式就目前中美兩國的應用現狀進行比較,如表3所示。

 

表3 中美分布式電儲能參與調峰輔助服務現狀對比

 

 

表4 美國加州某區電價

 

 

表5 上海地區電力市場相關數據

 

通過表3的對比情況可看出,目前在我國通過儲能參與電網調峰輔助服務并不具備經濟性,作為優質的輔助服務資源,應盡快出臺量化儲能價值的政策法規,通過政策導向激勵儲能產業,以產業自身發展帶動成本下降,進而實現儲能產業的良性發展。

5 探討與展望

隨著分布式電源的大規模接入電網以及城鄉配電網固有的一些問題逐漸嚴重,分布式儲能技術成為了人們關注的焦點。近年來,國內外在分布式儲能的優化配置、參與輔助服務、關鍵設備研制以及商業模式等方面已有一定研究。在此基礎上,未來在以下方面進行深入探討。

1)補充性規劃技術。面向參與電網輔助服務或優化電網運行等應用,基于對局域電網內現有分布式儲能資源的評估,開展補充性規劃技術研究,通過在關鍵節點配置少量儲能,起到以小博大的作用,充分整合已有的儲能資源。

2)針對大電網的調峰、調頻和緊急事故響應需求、配電網的電壓調節、清潔能源滿額消納和源網經濟運行等需求,開展分布式儲能、柔性負荷等響應資源的協同調控策略研究。

3)在分布式儲能關鍵設備方面,有必要根據不同拓撲結構以及所設定系統動態、穩態性能指標對不同功率等級的分布式儲能設備進行參數優化設計,提高設備運行效率,降低運維成本,實現分布式儲能系統在不同應用模式下平滑切換。此外,針對廣域多點調度需求的分布式儲能監控設備、規模化分布式儲能協調調控設備的研制工作亟待開展。

4)在促進分布式儲能的商業運營發展方面,應認可儲能作用,給予儲能參與電力市場的同等身份。鑒于目前我國儲能技術發展主要是依托于可再生能源,通過出臺補貼政策推動儲能產業發展的可行性不大,建議放開輔助服務市場,使儲能設備獲得與其他資源同等的身份,通過分布式儲能匯聚參與電網輔助服務實現市場化運營。

5)在時間粒度和位置粒度上細化儲能系統的計量計費辦法,量化儲能的時間價值和位置價值,并研發支撐細化辦法的計量設備。

6 結論

隨著清潔能源大量分散化接入和“源-網-荷”友好互動要求,儲能系統已從單一化應用背景向多點匯聚、能源互聯過渡。以儲能作為核心承載技術的多能互補、互動一體化工程應用將全方位勾勒第三次工業革命的發展愿景,未來勢必將構建出“源-網-荷-儲-控”的新型智能電網形態。

（作者：李建林、馬會萌、袁曉冬、王展、葛樂）

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原標題:規模化分布式儲能的關鍵應用技術研究綜述