面向電網調峰調頻的儲能電站綜合性能評價

陶以彬，薛金花，王德順，齊金山，姚良忠

(1.中國電力科學研究院有限公司，江蘇南京 210003；2.武漢大學電氣與自動化學院，湖北武漢 430072)

近年來，以風電、光伏為代表的可再生能源快速發展，有效緩解了世界能源短缺和環境污染問題，為能源結構的轉型帶來了契機，但另一方面，可再生能源的大規模并網給電網的調峰調頻形勢帶來了嚴峻的挑戰，威脅電網的安全穩定運行[1]。大規模電池儲能技術具備良好的靜態特性，可以通過低儲高發削弱峰谷差，有效緩解電網的調峰壓力。同時，儲能系統具有極快的響應速度，能夠對電網頻率的變化迅速做出反應，調節效果更加精確和高效[2]。電池儲能電站良好的有功調節能力可以全面提高大型新能源富集地區電網的調峰、調頻能力，從而提高可再生能源消納水平，并且帶來良好的經濟收益[3]。

在儲能電站參與電網調峰調頻方面，目前尚未形成相應的評價機制來對儲能的調峰調頻性能進行評價，不利于在實際運行中對其實施優化調度。在儲能參與電網調峰調頻的評價體系方面：文獻[4]根據美國主要電力市場的調頻考核方法，介紹了相關性能指標及其計算方法；文獻[5]考慮技術、經濟、環境三個方面的影響因素，采用AHP 建立了儲能電站多層次性能指標綜合評價體系；文獻[6]基于儲能電站調頻性能的高效性，選取負荷跟蹤率、貢獻電量和調頻綜合偏差進行高效性對比分析。在相關綜合評價方法方面，現有的研究已經取得了較多成果：文獻[7-9]采用層次分析法、數據包絡法、物元可拓法等對不同問題開展綜合評價，在實際應用中應根據問題特點進行選擇，針對指標權重問題，這些文獻采用了德爾菲法、層次分析法等主觀賦權法和變異系數法、熵權法等客觀賦權法；文獻[10]采用基于主客觀加權的組合賦權法對指標權重進行優化，充分考慮各項指標的主觀和客觀性，使得權重更加合理。

現有評價體系多集中于儲能電站的內部參數或整體性能，關于其在電網具體應用場景中的評價體系尚處空白。為此，本文基于儲能電站特性優勢，分別從調控性、能效水平、可靠性、環保性方面建立了一套評價指標體系，全面準確反映儲能電站調峰調頻性能。在此基礎上，建立了一種基于主客觀組合賦權法的綜合評價模型對儲能電站調峰調頻性能進行合理評價。與現有研究相比，本文所建立模型一方面兼顧了專家的經驗判斷，保證了指標權重具有良好的工程適用性，另一方面，模型所采用的反熵權法充分利用了指標數據，基于指標數據所含信息量進行賦權，同時，反熵權法克服了傳統熵權法在指標差異較小時權重失衡的問題。最后，采用主客觀加權屬性一致的方法求解最優權重。

1 面向電網調峰調頻服務的儲能電站評價指標體系

全面準確的評價指標體系對于評價結果是否準確具有重要影響，為了合理根據儲能電站綜合評價的側重點選取合適的評價指標體系，指標選取應當遵循全面性、科學性、目的性及可操作性的基本原則。除了以上基本原則外，儲能電站作為電網的一部分有其特殊性，因此還應遵循以相關國家、行業標準為依據，國家行業標準中有明確規定的，應選用標準中的有關指標。因此，本文基于GB/T 36549-2018 和兩個細則，確定調控性、能效水平、可靠性能方面各指標。此外，儲能電站作為促進可再生能源消納、延緩電網設備升級改造的重要解決方案，具有較大的環保意義。因此，本文根據儲能電站對可再生能源的消納貢獻、延緩電網升級改造而減少用地面積等方面評估儲能電站的環保性。具體指標體系如圖1所示。

圖1 儲能電站調峰調頻評價指標體系

1.1 調控性指標

(1)調節速度

調節速度指儲能電站響應調頻指令的快慢程度。一般而言，調節速度越快，達到規定調節功率所需的時間越少，則系統頻率回歸速度越快，代表儲能電站的調節性能越好，調節速度性能指標計算公式如式(1)：

(2)調節精度

調節精度指儲能電站最終實際出力與調節指令值之間的差異程度，差異越小，性能越好，計算如式(2)所示：

(3)響應時間

響應時間是指儲能電站從收到調節指令到出力開始調節所需的時間，響應時間越小，響應性能越好，目前多數輔助服務市場通常設定一個標準調節時間，通過實際調節時間與標準調節時間的比值并逆向化處理反映儲能電站響應時間性能指標，其計算公式見式(3)：

式中：ti為響應時間；tN為兩個細則中規定的標準響應時間。

(4)調頻里程

調頻里程是影響儲能電站調頻性能和補償收益的重要指標，它是儲能電站的實際調節量，反映了儲能電站在調度周期內對頻率調節的實際貢獻，儲能電站在一個評價周期內調頻里程計算如式(4)：

式中：Rt為調度指令t下的實際出力；n為評價周期內調度指令的總數量。

(5)調峰幅度

調峰幅度是反映儲能電站調峰能力的重要指標，它反映了儲能電站功率的實際可調節范圍，可以依據儲能電站的最大、最小技術出力來定義：

式中：Pg,max、Pg,min分別為儲能電站的最大技術出力和最小技術出力。

(6)電站實際可充放電功率

儲能電站實際可充放電功率為儲能電站實際可連續運行15 min 以上的最大功率值。

(7)實際可放電量

實際可放電量指儲能電站評價周期內的實際可放電量與儲能電站額定能量的比值。

1.2 環保指標

(1)可再生能源消納貢獻度

可再生能源消納貢獻度指由于儲能電站參與調峰調頻而增加的可再生能源消納規模。調峰場景下，儲能電站通過削峰填谷方式提升系統低谷時的可再生能源消納能力，增加可再生能源的消納量；調頻場景下，儲能電站通過替代可再生能源參與系統調頻，從而提升可再生能源的消納水平。為了更合理地反映該指標，對其進行標準化處理，如式(6)所示：

式中：erenew為可再生能源消納貢獻度；Erenew為由于儲能電站參與調峰調頻增發的可再生能源電量；E為儲能電站額定能量。

(2)污染物減排效益

儲能電站促進風光等可再生能源發電，可以替代火電機組發電，減少污染物排放，可再生能源場站在釋放與火電機組同等電能的情況下，其污染物減排效益計算公式如式(7)：

式中：R為儲能電站的減排污染物效益；Vi為第i種污染物單位質量減排價值；Qih為火電機組第i種污染物的排放量，kg/MWh；Qirenew為可再生能源場站第i種污染物的排放量，kg/MWh；Erenew為可再生能源增發電量。

(3)單位占地面積

由于環保壓力的增大，電網建設用地征地愈加困難，現有變電站場地緊張，因此減少儲能電站的用地面積變得愈發重要。儲能電站單位占地面積為儲能電站占地面積與額定能量之比，計算如式(8)所示：

式中：S為儲能電站占地面積；E為儲能電站額定能量。

(4)儲能介質污染性

儲能介質污染性指儲能電站在運行時或者壽命終止時本身介質對環境的危害污染程度。各種電池儲能根據運行過程是否產生污染物及壽命終止時廢棄物的污染程度可以分為低、較低、中、較高、高。

2 儲能電站調峰調頻性能綜合評價模型

2.1 基于主客觀屬性值一致化的組合權重

在儲能電站運行性能評價問題中，各儲能電站的排序主要由各指標加權屬性值決定。為了在評價中既反映評價的主觀性，又體現決策的客觀性，本文采用層次分析法確定指標的主管權重采用反熵權法確定指標客觀權重然后建立了基于主客觀加權屬性值一致化的優化模型，該優化模型采用數學規劃的方式進行求解，較好地保持了兩種屬性值的一致性，避免了一種權重占比過大的問題。假設上文所得主觀權重與客觀權重分配系數分別為a、b，則組合權重為：

式中：ab≥0，a+b=1。

則儲能電站j的主客觀加權屬性值的偏離程度為：

對于每一個儲能電站，均存在以上偏離程度表達式，為了使其主客觀權重一致化，可建立如下模型：

各儲能電站之間為平等關系，因此該模型為對每一儲能電站主客觀屬性值偏離程度的加和：

通過求解該模型，即可得到基于主客觀加權屬性值一致的權重分配系數a、b。

2.2 基于組合權重的儲能電站綜合評價模型

基于以上權重設置方法，建立面向電網調峰調頻的儲能電站綜合評價模型，其主要步驟如圖2。

圖2 儲能電站綜合評價流程圖

3 算例分析

青海是我國重要的清潔能源基地，蘊藏著豐富的清潔能源，具有非常大的開發潛力。但隨著風電、光伏裝機規模的不斷增加，系統的調峰調頻容量愈加不足，導致棄風棄光問題嚴峻。為此，青海省今年不斷加快電化學儲能電站的規劃與建設，以期通過儲能改善系統的調節能力，促進大規模可再生能源并網。將本文所構建的綜合評價指標體系和模型應用于該地區的三個儲能電站A、B、C，對其調峰調頻性能進行評價排序。各儲能電站數據如表1。

表1 三個儲能電站指標數據

基于指標原始數據，對指標進行歸一化處理，得到標準化評價指標矩陣Y=[Y1,Y2,Y3,Y4]T，其中，Yi(i=1,2,3,4)為第i個準則層下的標準化矩陣。

采用組合賦權法確定各指標的權重，根據主客觀權重計算及指標量化結果，求解式(12)所建模型，可得a=0.468 3、b=0.531 7，進而可得基于主客觀加權屬性值一致化的指標組合權重。準則層和指標層權重計算結果如表2、表3 所示。

表2 準則層權重計算結果

表3 指標層權重計算結果

根據表3 計算結果可知，在儲能電站各個性能指標中，可再生能源貢獻度指標權重為0.083 3，所占比重最大，其次比重較大的指標有響應時間、調峰幅度、污染物效益，三者指標權重均超過了0.06。從全部指標結果來看，共有9 項指標權重大于0.05，此類指標對儲能電站的整體運行性能起關鍵影響作用。根據權重計算結果可知，與常規單一賦權法相比，組合賦權法對較大權重進行了弱化，對較小權重進行了強化，避免產生因各個指標權重差異過大而造成部分指標失效的問題。

最后，根據所求得的組合權重值及標準化矩陣，計算儲能電站A、B、C 的調控性、能效水平、可靠性、環保性得分及調峰調頻性能綜合得分，計算結果如表4 所示。

表4 儲能電站綜合性能評價結果

根據儲能電站評價結果可知，儲能電站B 得分最高，其調峰調頻性能最好，其次是儲能電站A，而儲能電站C 性能最差。對于儲能電站A 而言，相比于B、C，該電站的調控性和環保性表現較差，能效水平良好，可靠性指標方面，與B、C 相差較小。同理，對于儲能電站B，該電站的調控性能遠高于A、C，因而該電站在調峰調頻方面具備了很大優勢，在能效水平和環保性方面，該電站也保持了領先的性能，但該電站在可靠性能方面還需要進一步提高，以補齊短板。對于儲能電站C，該電站的可靠性要高于A、B，但由于該電站電池類型為鉛酸電池，其能效性較差，整體來看，該電站各方面性能表現較為均衡。

4 結束語

本文建立了一套考慮儲能電站調控性、能效水平、可靠性和環保性的評價指標體系，全面考慮了儲能電站調峰調頻的各方面性能，實現了特定場景下儲能電站調節性能的綜合評價。建立了基于主客觀加權優化的綜合評價模型，平衡了主客觀屬性值之間的差異，兼顧了評價結果的工程適用性和客觀性。最后，將所建評價指標體系和綜合評價模型應用于三個儲能電站，所得評價結果與實際運行情況一致，實現了儲能電站的客觀合理評價，對電網的優化調度運行具有重要的參考意義。