基于模糊環(huán)境下面向能源互聯(lián)網(wǎng)多種儲(chǔ)能項(xiàng)目建設(shè)決策研究

烏云娜，張 婷，伊力奇，武程浩

（華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京 102206）

1 研究背景

能源互聯(lián)網(wǎng)綜合運(yùn)用先進(jìn)的電力電子技術(shù)，信息技術(shù)和智能管理技術(shù)將大量的分布式能量采集裝置、分布式能量?jī)?chǔ)存裝置與各類負(fù)載構(gòu)成的新型電力網(wǎng)絡(luò)、石油網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)等能源節(jié)點(diǎn)互聯(lián)從而實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)的與共享交換的共享網(wǎng)絡(luò)。隨著能源系統(tǒng)的綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展，可再生能源在中國(guó)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，裝機(jī)容量不斷增加［1］。然而，由于風(fēng)力變化和晝夜交替，主要新能源風(fēng)力發(fā)電與太陽(yáng)能發(fā)電呈現(xiàn)出顯著的隨機(jī)性、間歇性與波動(dòng)性的特點(diǎn)，致使其與固定用電需求的用戶難以按照傳統(tǒng)方式匹配［2］。為此，大型且高效的儲(chǔ)能系統(tǒng)成為能源轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵支撐點(diǎn)，且在多能互補(bǔ)中具有重要的地位。儲(chǔ)能是智能電網(wǎng)、可再生能源接入、分布式發(fā)電以及電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展中不可或缺的支撐環(huán)節(jié)。然而，成本高是影響儲(chǔ)能大規(guī)模發(fā)展的一個(gè)主要因素，其關(guān)鍵材料、制造工藝與能量轉(zhuǎn)換效率等因素也是各種技術(shù)面臨的共同挑戰(zhàn)與瓶頸。截至2018年年底，中國(guó)儲(chǔ)能項(xiàng)目使用情況如圖1所示，中國(guó)目前儲(chǔ)能現(xiàn)狀仍以抽水蓄能為主。然而，在面向互聯(lián)網(wǎng)能源體系中，高效的匹配于選擇合理的儲(chǔ)能項(xiàng)目可以加快能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，同時(shí)保證能源互聯(lián)網(wǎng)更加安全可靠的運(yùn)行［3］。因此，本文綜合分析每種儲(chǔ)能的主要特征，選擇最優(yōu)的面向能源互聯(lián)網(wǎng)的儲(chǔ)能項(xiàng)目投資決策是對(duì)能源系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展關(guān)鍵決策之一。到目前為止，相比于美國(guó)與日本，中國(guó)尚未形成儲(chǔ)能運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)體系。

圖1 2018年底儲(chǔ)能項(xiàng)目使用情況

現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)主要包括機(jī)械儲(chǔ)能，如抽水蓄能，壓縮空氣儲(chǔ)能與飛輪儲(chǔ)能等；電化學(xué)儲(chǔ)能，如鋰電池，鈉硫電池，釩液流電池等；以及電磁感應(yīng)儲(chǔ)能，如超級(jí)電容器儲(chǔ)能與超導(dǎo)儲(chǔ)能等。在機(jī)械儲(chǔ)能中，抽水蓄能是目前最為成熟的儲(chǔ)能技術(shù)。且裝機(jī)容量最大，技術(shù)最為成熟，適合大規(guī)模儲(chǔ)能接入是抽水蓄能最大特點(diǎn)。然而由于抽水蓄能對(duì)地理?xiàng)l件的要求較高，因此適合建立此種儲(chǔ)能設(shè)備的廠址有限，且施工建設(shè)難度較大［4］。而傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能雖容量大，工作時(shí)間長(zhǎng)，充放電循環(huán)次數(shù)多且壽命長(zhǎng)，但其低效率以及苛刻的建設(shè)條件使得其推廣應(yīng)用受到了限制。為了解決傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能的種種問(wèn)題，先進(jìn)的絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)、液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)以及超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)與可再生能源的耦合已成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)方向［5］。除此之外，飛輪儲(chǔ)能有著效率高且壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但其嚴(yán)重的自放電現(xiàn)象以及較高的建設(shè)成本在一定程度上限制了其發(fā)展。

相比較而言，蓄電池作為一種電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備具有較為成熟的技術(shù)，能量轉(zhuǎn)換效率較高且環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)［6］。然而，由于較高的建設(shè)與運(yùn)作成本，電磁感應(yīng)儲(chǔ)能的裝機(jī)容量也較為有限。超級(jí)電容器是20世紀(jì)60年代率先出現(xiàn)在美國(guó)，由于適用特殊材料作為電極與電解質(zhì)，這種電容器的存儲(chǔ)容量是普通儲(chǔ)能設(shè)備的20～1 000倍。其與傳統(tǒng)蓄電池相比具有能量密度高且使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。與飛輪儲(chǔ)能和超導(dǎo)儲(chǔ)能相比它的使用可靠性較高［7］。相比較而言，超導(dǎo)儲(chǔ)能具有效率高、響應(yīng)速度快且無(wú)噪音污染等優(yōu)點(diǎn)，但其相對(duì)較高的成本與維修使得其在運(yùn)用過(guò)程中受到了一定的限制［8］。由于不同儲(chǔ)能設(shè)備性能差異較大，且儲(chǔ)能在能源互聯(lián)網(wǎng)中扮演著重要的角色，因此選擇最佳的儲(chǔ)能項(xiàng)目對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)的可靠高效運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。

能源互聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)調(diào)了未來(lái)能源消費(fèi)要充分考慮電、熱、氣多種能源形式的耦合。在能源的生產(chǎn)、流通以及消費(fèi)中建立一個(gè)監(jiān)視的信息通信系統(tǒng)，使得能源系統(tǒng)更加現(xiàn)代化、方便且可靠。與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)相比，能源互聯(lián)網(wǎng)有3個(gè)突出的優(yōu)勢(shì)［9］：

（1）通過(guò)與分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的耦合和信息系統(tǒng)的繼承，解決可再生能源輸出與用戶側(cè)負(fù)荷需求的強(qiáng)隨機(jī)性；

（2）利用天然氣管網(wǎng)、冷暖系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等能源之間的耦合關(guān)系，將其作為一個(gè)綜合的能源供應(yīng)系統(tǒng)；

（3）能源互聯(lián)網(wǎng)存在雙向交互作用，有利于能源信息的有效溝通與能源系統(tǒng)的充分協(xié)作；

作為能源互聯(lián)網(wǎng)的重要部分，儲(chǔ)能設(shè)備在其中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。為探究在能源互聯(lián)網(wǎng)中儲(chǔ)能項(xiàng)目投資決策的優(yōu)先適用性，本文總結(jié)了影響儲(chǔ)能設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo)并構(gòu)成綜合指標(biāo)體系，并對(duì)三類九種儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行綜合效果評(píng)價(jià)，同時(shí)根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)中儲(chǔ)能設(shè)備的運(yùn)用提出有針對(duì)性的意見(jiàn)和建議。

2 指標(biāo)體系與評(píng)價(jià)模型的建立

2.1 儲(chǔ)能項(xiàng)目評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立

科學(xué)合理的指標(biāo)評(píng)價(jià)體系是取得客觀且有效的評(píng)價(jià)結(jié)果的重要依據(jù)。在參考文獻(xiàn)［10-12］與相關(guān)儲(chǔ)能研究報(bào)告等資料的基礎(chǔ)上，考慮到儲(chǔ)能項(xiàng)目的主要性能指標(biāo)，建立了儲(chǔ)能項(xiàng)目的運(yùn)行效果的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如表1。

表1 儲(chǔ)能關(guān)鍵指標(biāo)體系

能量轉(zhuǎn)換效率（C11）是儲(chǔ)能元件儲(chǔ)存起來(lái)的電量與輸入能量的比值。轉(zhuǎn)換效率指標(biāo)用于反映能源互聯(lián)網(wǎng)中儲(chǔ)能設(shè)備運(yùn)用的效率，能效系數(shù)是衡量能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)儲(chǔ)能設(shè)備運(yùn)用的重要指標(biāo)之一。

儲(chǔ)能使用壽命（C12）。儲(chǔ)能設(shè)備的壽命與工作方式密切相關(guān)。不同的儲(chǔ)能設(shè)備壽命是不同的，使用壽命長(zhǎng)的儲(chǔ)能設(shè)備對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展具有推動(dòng)作用。

儲(chǔ)能響應(yīng)速率（C13）與能源密度（C14）均是衡量?jī)?chǔ)能能力的重要指標(biāo)，但每種儲(chǔ)能設(shè)備的相應(yīng)速率與能源密度都不盡相同，因此通過(guò)綜合分析兩種儲(chǔ)能項(xiàng)目的這兩項(xiàng)指標(biāo)可以區(qū)別不同儲(chǔ)能的優(yōu)劣。

能源成本（C21）與儲(chǔ)能電站建設(shè)成本（C22）以及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用（C23）是衡量?jī)?chǔ)能電站的重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，通過(guò)評(píng)價(jià)儲(chǔ)能電站的經(jīng)濟(jì)情況，選擇經(jīng)濟(jì)較為合理且可持續(xù)發(fā)展的儲(chǔ)能項(xiàng)目。

噪音污染（C31）與環(huán)境保護(hù)成本（C32）為兩項(xiàng)重要的環(huán)境指標(biāo)，噪音較高的儲(chǔ)能的項(xiàng)目會(huì)影響附近居民的正常生活且對(duì)其工作人員也具有較大的影響。作為幫助可持續(xù)綠色電力的能源發(fā)展，儲(chǔ)能項(xiàng)目的建設(shè)要本著綠色發(fā)展的原則進(jìn)行環(huán)境保護(hù)，這類產(chǎn)出即為環(huán)境保護(hù)成本。

就業(yè)機(jī)會(huì)（C41）與土地需求（C42）是社會(huì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，是儲(chǔ)能電站投資的外部指標(biāo)，也是衡量?jī)?chǔ)能電站與能源互聯(lián)環(huán)境之間的相互影響。

2.2 模糊綜合評(píng)價(jià)模型

2.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)值表示方法

圖2 IT2TRFN模糊數(shù)

由于決策環(huán)境的模糊性以及決策者自身對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的猶豫性，傳統(tǒng)的確定數(shù)集對(duì)于定量指標(biāo)的指標(biāo)值獲取會(huì)有較大的偏差，因此本文將結(jié)合決策者最習(xí)慣用的語(yǔ)言集對(duì)定性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并最終將其全部轉(zhuǎn)換為IT2TrFNs［14］（見(jiàn)表2）。

表2 語(yǔ)言集與IT2TrFNs轉(zhuǎn)換關(guān)系

表2（續(xù)）

2.2.2 PROMETHEE評(píng)價(jià)方法

PROMETHEE-II已經(jīng)得到了深入的研究和廣泛的應(yīng)用，是基于流量來(lái)判斷各方案優(yōu)先程度的MCDM方法。它可以通過(guò)選擇優(yōu)先函數(shù)的類型和設(shè)置相應(yīng)的函數(shù)參數(shù)來(lái)更好的反應(yīng)決策者的主觀意愿，而無(wú)需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，避免由于原始數(shù)據(jù)處理方法不同而造成結(jié)果差異［15］。PROMETHEE-II具體評(píng)價(jià)方法步驟如下［16］：

步驟1：計(jì)算指標(biāo)間距離。基于評(píng)價(jià)對(duì)象的指標(biāo)值，運(yùn)用公式（1）計(jì)算得出兩兩指標(biāo)間的距離。

步驟2：構(gòu)造優(yōu)先函數(shù)。通過(guò)考慮不同指標(biāo)的特點(diǎn)，Brans等［17］提出了6種優(yōu)先函數(shù)，每種指標(biāo)選擇合適的優(yōu)先函數(shù)從而確保評(píng)價(jià)結(jié)果的有效性。

Form 1：常用標(biāo)準(zhǔn)

Form 2：U-shape標(biāo)準(zhǔn)

Form 3：等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

Form 5：V-shape無(wú)差別標(biāo)準(zhǔn)

Form 6：高斯標(biāo)準(zhǔn)

步驟3：優(yōu)先系數(shù)計(jì)算

步驟4：計(jì)算正流量

步驟5：計(jì)算負(fù)流量

步驟6：計(jì)算凈流量

步驟7：排序。根據(jù)每個(gè)方案的凈流量值，可以確定水平高于關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 級(jí)別關(guān)系圖

3 多種儲(chǔ)能項(xiàng)目運(yùn)行效果評(píng)價(jià)案例分析

本文選擇九種具有代表性的儲(chǔ)能項(xiàng)目對(duì)其面向能源互聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行效果進(jìn)行綜合分析，從而選擇更加適合能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的儲(chǔ)能項(xiàng)目，為能源互聯(lián)網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策。

首先采用文獻(xiàn)閱讀方法搜集各種儲(chǔ)能項(xiàng)目指標(biāo)值，建立原始評(píng)價(jià)信息矩陣如表3所示。考慮到指標(biāo)值的模糊性與指標(biāo)環(huán)境的不確定性，本文采用專家評(píng)價(jià)法與IT2TrFN轉(zhuǎn)換方式來(lái)描述評(píng)價(jià)對(duì)象的指標(biāo)信息。

為充分表示指標(biāo)值與指標(biāo)體系中每個(gè)儲(chǔ)能指標(biāo)相對(duì)于能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的相對(duì)重要性，本文采用專家決策法確定定性指標(biāo)值以及每種儲(chǔ)能指標(biāo)對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)的重要度。選取3位專家進(jìn)行理性評(píng)價(jià)，專家選擇條件為：（1）對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)有深入研究；（2）對(duì)每種儲(chǔ)能的特征有較為全面的了解；（3）具有兩項(xiàng)以上能源類研究成果；三位專家打分前詳細(xì)了解各種儲(chǔ)能項(xiàng)目的相關(guān)運(yùn)用背景，性能，并進(jìn)行多項(xiàng)儲(chǔ)能電站實(shí)地考察研究，以保證充分并深入了解儲(chǔ)能項(xiàng)目狀況。運(yùn)用OWA算子將上述專家的指標(biāo)重要度進(jìn)行集結(jié)，得到最終權(quán)重結(jié)果見(jiàn)圖4。

表3 儲(chǔ)能項(xiàng)目運(yùn)行效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系指標(biāo)值

圖4 權(quán)重結(jié)果圖

運(yùn)用PROMETHREE-II對(duì)9種具有代表性的儲(chǔ)能項(xiàng)目進(jìn)行綜合排序。三位專家針對(duì)指標(biāo)特征選擇三類優(yōu)先函數(shù)。由于儲(chǔ)能技術(shù)特征通常用等級(jí)來(lái)評(píng)價(jià)，因此選擇等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定一級(jí)指標(biāo)C1下的個(gè)指標(biāo)優(yōu)先系數(shù)。由于經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)通常設(shè)置在一定范圍之內(nèi)，因此C2適合采用U-shape標(biāo)準(zhǔn)。但對(duì)于環(huán)境與社會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，專家們認(rèn)為指標(biāo)值的變化無(wú)較為明顯的關(guān)系，因此本文選擇常用標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定C3與C4下指標(biāo)的偏好系數(shù)。具體偏好函數(shù)的選擇與變量的設(shè)置如表3所示。隨后計(jì)算出每種儲(chǔ)能項(xiàng)目的優(yōu)先系數(shù)，正流出量與負(fù)流入量，最后根據(jù)公式（17）確定每個(gè)項(xiàng)目的凈流量如表4所示。

基于模糊環(huán)境下IT2TrFN-PROMETHREE-II模型，綜合考慮各種儲(chǔ)能項(xiàng)目的指標(biāo)表現(xiàn)情況后結(jié)果顯示，機(jī)械儲(chǔ)能中的抽水蓄能與飛輪機(jī)儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能中的鉛酸電池以及電磁感應(yīng)儲(chǔ)能中的超導(dǎo)儲(chǔ)能更加適于參與能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃中。綜合考慮各種指標(biāo)后，儲(chǔ)能項(xiàng)目的效果評(píng)價(jià)排序結(jié)果為飛輪儲(chǔ)能優(yōu)于鉛酸電池優(yōu)于抽水蓄能優(yōu)于超導(dǎo)儲(chǔ)能。具體評(píng)價(jià)結(jié)果如表5所示。

表4 偏好函數(shù)與變量的設(shè)置

表4（續(xù)）

表5 儲(chǔ)能項(xiàng)目正流出、負(fù)流入與凈流量

4 面向能源互聯(lián)網(wǎng)的儲(chǔ)能項(xiàng)目決策分析

由于90年代后，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在材料、摩擦損耗、電力轉(zhuǎn)換技術(shù)方面取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，給飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在電力調(diào)峰與提供電源轉(zhuǎn)換的不間斷電源方面上帶來(lái)了更大的發(fā)展空間。鉛酸電池在能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)作中具有重大的作用，其具有通用，成本低，高低溫性能較好且效率較高等優(yōu)點(diǎn)，但其含有鉛等有毒物質(zhì)對(duì)環(huán)境具有一定的污染性，因此在運(yùn)用過(guò)程中需要對(duì)其生產(chǎn)以及使用后處理進(jìn)行嚴(yán)格把控，防止其對(duì)環(huán)境造成危害。抽水蓄能作為一種技術(shù)成熟、適合大規(guī)模建設(shè)且成本較低的儲(chǔ)能裝置，在電力系統(tǒng)中調(diào)峰與平滑新能源的波動(dòng)性具有較為廣泛的應(yīng)用。但抽水蓄能對(duì)地形的要求較高，建設(shè)維護(hù)工作較為復(fù)雜，應(yīng)用的領(lǐng)域受到了一定的限制。最后超導(dǎo)儲(chǔ)能相比于其他儲(chǔ)能最大的優(yōu)點(diǎn)就是響應(yīng)速度快，這使得其在降低本身高成本的基礎(chǔ)上擁有著廣泛的應(yīng)用前景。其他儲(chǔ)能技術(shù)在關(guān)鍵性質(zhì)上往往表現(xiàn)出不同程度的優(yōu)劣性，因此減少各種儲(chǔ)能的劣勢(shì)發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)是能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵。

5 結(jié)論

為研究面向能源互聯(lián)網(wǎng)的儲(chǔ)能項(xiàng)目投資選擇問(wèn)題，本文運(yùn)用專家決策法與文獻(xiàn)閱讀方法建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并采用模糊綜合評(píng)價(jià)拓展方法IT2TrFNPROMETHREE-II對(duì)九種具有代表性的儲(chǔ)能項(xiàng)目進(jìn)行綜合分析，考慮了評(píng)價(jià)環(huán)境的模糊性與指標(biāo)值的不確定性。評(píng)價(jià)結(jié)果表示飛輪儲(chǔ)能，鉛酸電池儲(chǔ)能，抽水蓄能以及超導(dǎo)儲(chǔ)能更加適合幫助能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。通過(guò)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的分析，給出面向能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)決策建議，為我國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)的儲(chǔ)能建設(shè)提供理論基礎(chǔ)。