基于層次分析法的儲能綜合評估及類型選擇

汪湘晉，黃瀅，蔣金琦，林達，謝培坤，李振坤

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.上海電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，上海 200090）

0 引言

在能源革命的驅(qū)動下，對新能源開發(fā)利用的力度持續(xù)加大，新能源接入電網(wǎng)的比例不斷提高，在此過程中其不利影響也逐漸凸顯。新能源出力具有波動性、間歇性的特點，調(diào)節(jié)控制困難。給新能源消納、電網(wǎng)調(diào)壓、調(diào)頻調(diào)峰帶來挑戰(zhàn)，電網(wǎng)運行愈加復(fù)雜，不利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運行［1］。儲能技術(shù)可快速、靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率，將儲能應(yīng)用到新型電力系統(tǒng)中，是解決上述問題的有效途徑之一［2］。儲能在新型電力系統(tǒng)中具有重大價值，而儲能類型眾多，不同的儲能具有不同的技術(shù)經(jīng)濟特性，因此結(jié)合實際場景需求，選擇合適的儲能類型具有重要的現(xiàn)實意義。

近幾年來，儲能的研究和發(fā)展受到廣泛關(guān)注。文獻［3］歸納了常見儲能技術(shù)的關(guān)鍵特征及儲能在新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力，梳理了儲能應(yīng)用功能的研究現(xiàn)狀及未來趨勢。文獻［4］對儲能進行分類并對其在智能電網(wǎng)中的作用進行了分析，然后對儲能的應(yīng)用現(xiàn)狀進行了總結(jié)，從市場規(guī)模、應(yīng)用分布、技術(shù)分布和地域分布4個方面進行了詳細介紹。隨著儲能技術(shù)的不斷發(fā)展，其在新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究也受到了廣泛關(guān)注。文獻［5］總結(jié)了超導(dǎo)儲能系統(tǒng)在可再生能源領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。文獻［6］從新型電力系統(tǒng)的特征出發(fā)，歸納分析儲能在其中的重要作用及開展創(chuàng)新方向的探索。文獻［7］分析了儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)發(fā)展中的地位和作用，以及不同儲能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景。

目前針對儲能容量配置和控制策略的研究已有較多成果［8-15］，而對儲能選型的研究相對偏少。文獻［16］對比和分析了各種電池類型的優(yōu)缺點，從技術(shù)、經(jīng)濟、安全和環(huán)境等角度對比分析，選擇出不同場景的最佳儲能類型。文獻［17］提出了基于區(qū)間層次分析法的儲能選型方法，根據(jù)專家經(jīng)驗確定一層決策指標權(quán)重，利用熵值法確定二層決策指標權(quán)重，確保最終選型方案具備較好的工程適用性。文獻［18］提出基于模糊邏輯的儲能選型方法，通過建立多個決策準則得出各儲能排序，確定最終選型方案。文獻［19］利用模糊邏輯從技術(shù)成熟度、成本和生命周期等角度確定最佳的儲能類型。

綜上所述，在儲能的經(jīng)濟性評估及類型選擇方面已有了一定的研究成果，但針對新型電力系統(tǒng)中的諸多應(yīng)用場景，各類儲能的技術(shù)與經(jīng)濟適用性如何評估計算，目前尚沒有形成系統(tǒng)性的方法。本文首先提出儲能的10 類技術(shù)經(jīng)濟性指標，構(gòu)建適用于新型電力系統(tǒng)中各運行場景的綜合評估指標體系；然后，利用層次分析法，對上述指標進行了綜合評估計算，求出方案層相對于目標層的組合權(quán)重；接著，對多種類型儲能進行了綜合評估計算，找到最優(yōu)儲能選型方案；最后，以某區(qū)域電網(wǎng)為對象進行仿真，得出了多種場景下各類儲能的排序結(jié)果，驗證了所提方法的有效性。

1 儲能類型及技術(shù)特性分析

1.1 各類型儲能的技術(shù)特征

根據(jù)不同的儲能技術(shù)載體，儲能可大致分為以下3類：機械類、電氣類及電化學(xué)類。其中機械類儲能主要包含抽水蓄能、壓縮空氣及飛輪；電氣類儲能主要有超級電容器和超導(dǎo)磁儲能；電化學(xué)類儲能主要有液流電池、鉛酸電池及鋰離子電池。各種儲能的技術(shù)發(fā)展水平各有不同，在典型功率等級、持續(xù)放電時間、響應(yīng)時間、功率密度、能量密度、循環(huán)壽命、能量轉(zhuǎn)換效率及成本等方面均有差異，且各類儲能適用的場合不一，如抽水蓄能、壓縮空氣儲能適用于較大規(guī)模的新能源消納場合，電化學(xué)類儲能適用于微電網(wǎng)場合。本文對目前主要儲能技術(shù)進行了總結(jié)［20-22］，各類儲能的優(yōu)缺點及適用場合如表1和表2所示。

表1 各類儲能技術(shù)特征

表2 各類儲能技術(shù)特征（續(xù)表1）

1.2 不同場景對儲能的需求

不同場景對儲能的需求具有差異性，本文考慮促進新能源消納、配電網(wǎng)饋線調(diào)壓服務(wù)、調(diào)頻服務(wù)、電網(wǎng)保供電、電網(wǎng)調(diào)峰及延緩電網(wǎng)升級改造6 種場景下對典型功率等級、充/放電速率、響應(yīng)時間、功率密度、能量密度、循環(huán)壽命、能量轉(zhuǎn)換效率、單位功率成本、單位容量成本、運維成本這10個指標的需求程度。

本文采用九級標度法表示上述10 個指標在6種應(yīng)用場景中的重要程度，如表3所示。其中，標度數(shù)據(jù)越大表示其重要性越高，如調(diào)頻場景3 對充/放電速率（指標2）、響應(yīng)時間（指標3）要求較高，而對功率密度（指標4）、能量密度（指標5）和能量轉(zhuǎn)換效率（指標7）則相對要求較低。

表3 不同場景對儲能特性指標的需求

將表3中10個指標在6種場景中的重要程度表示為圖1所示。

圖1 不同場景對儲能特性指標的需求

2 基于層次分析法的儲能價值評估

如上文所述，儲能可在新型電力系統(tǒng)的諸多應(yīng)用場景中發(fā)揮重要作用，但在不同場景中，對儲能特性的側(cè)重點也不同，需要通過對儲能各特性指標及其重要性的綜合評價，針對性地選擇最適合的儲能類型。本文采用層次分析法對多種儲能類型進行評估，對比分析儲能的性能指標，得出最佳的儲能配置建議。

2.1 層次分析法

層次分析法采用經(jīng)驗判斷對各項標準的重要程度進行量化，得出各決策方案不同標準的權(quán)數(shù)，利用權(quán)數(shù)計算各方案的優(yōu)劣次序，采用該方法可用于解決儲能配置問題。儲能選型的層次結(jié)構(gòu)包括目標層、標準層、決策方案層3個層次?；趯哟畏治龇ù_定各方案的優(yōu)劣次序的步驟如下。

步驟1：對標準層中的不同指標進行兩兩比較，得出相對重要性的標度，構(gòu)造判斷矩陣，即：

式中：n代表指標的個數(shù)；aij表示指標i與指標j之間的相對重要程度，當i=j時，aij=1，當i≠j時，aij=aij的選擇方法根據(jù)指標i與j間的相對重要程度采用九級標度法得出，九級標度法的含義如表4所示。

表4 九級標度法及含義

步驟2：形成標準層間的標準兩兩對比矩陣，即：

步驟3：計算標準層間的特征向量λ，即：

步驟4：對判斷矩陣進行一致性校驗。為確保最終結(jié)論合理，需對判斷矩陣進行一致性檢驗，使其偏移控制在可以接受的范圍內(nèi)。通常采用CR進行判斷，檢驗公式如下：

式中：CI為一致性指標，定義如下：

式中：λmax為矩陣的最大特征值。λmax的計算如下：

式中：m為方案的個數(shù)；RI為平均隨機一致性指標，該指標越小則對數(shù)據(jù)的一致性要求越高，且隨著準則層中指標個數(shù)的增加，數(shù)據(jù)沖突風(fēng)險增大，因此該值逐漸增大。RI具體取值一般由查表得到，如表5所示［23］，本文準則層共有10個指標，因此，經(jīng)查表RI取值為1.49。

表5 平均隨機一致性指標RI

一般而言，當CR＜0.1 時，認為判斷矩陣滿足一致性。

步驟5：按照步驟1—4，對標準層中每個標準下各方案進行兩兩比較，形成標準層指標k的兩兩對比矩陣，計算標準層全部指標的特征向量λk(k=1，2，…，n)，進行一致性校驗。

步驟6：計算各決策方案的綜合評估指標。以方案p為例，其綜合評估指標的計算方法如下：

式中：λq為標準層間特征向量的第q個元素；表示方案p特征向量的第q個元素。

步驟7：比較不同決策方案的綜合評估指標Rp，值越大，代表所配置的儲能類型越適合。

2.2 運行場景建模分析

為使所構(gòu)建的評估指標體系更具全面性，構(gòu)建如圖2的儲能選型綜合評估指標體系，其中目標層為儲能工況適應(yīng)性；標準層以典型功率等級、充/放電速率、響應(yīng)時間、功率密度、能量密度、循環(huán)壽命、能量轉(zhuǎn)換效率、單位功率成本、單位容量成本以及運維成本這10個指標進行綜合衡量，其中經(jīng)濟性指標考慮單位功率成本、單位容量成本以及運維成本；決策方案層選取抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超級電容、超導(dǎo)磁儲能、液流電池、鉛酸電池以及鋰離子電池這8 種儲能類型。

圖2 儲能選型綜合評估指標層次體系

本文方法實現(xiàn)的程序流程如圖3所示。

圖3 層次分析法實現(xiàn)流程

3 案例與仿真

3.1 案例介紹

以圖4所示區(qū)域電網(wǎng)為算例進行驗證，該系統(tǒng)最大負荷為410 MW，通過節(jié)點1 和8 與外部大電網(wǎng)相連，風(fēng)電機組接入節(jié)點6、節(jié)點12、節(jié)點18，假設(shè)系統(tǒng)風(fēng)機發(fā)電滲透率為50%，風(fēng)機容量共205 MW。風(fēng)電等間歇性的可再生能源發(fā)電接入電網(wǎng)易發(fā)生潮流雙向流動的現(xiàn)象，給新能源消納帶來挑戰(zhàn)，并影響電網(wǎng)調(diào)壓，造成電網(wǎng)運行指標的下降。

圖4 某21節(jié)點區(qū)域電網(wǎng)測試系統(tǒng)

儲能系統(tǒng)憑借其可充可放的運行特性，可以平滑可再生能源輸出功率波動，配合可再生能源接入電網(wǎng)，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。因此在風(fēng)機接入節(jié)點裝設(shè)儲能，利用儲能系統(tǒng)平抑風(fēng)電機組出力的不確定性和隨機性，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。采用層次分析法對多種類型儲能進行綜合評估計算，得出各類儲能的排序結(jié)果，找到最佳的儲能類型。

3.2 仿真結(jié)果分析

在仿真分析中，首先，對標準層中的不同指標進行兩兩比較，構(gòu)造公式（1）中判斷矩陣A(aij)n×n。判斷矩陣中元素的值根據(jù)表3 中10 個指標的重要程度和九級標度法進行確定；其次，基于公式（2）計算標準兩兩對比矩陣基于公式（3）計算標準層間特征向量λ；最后，對判斷矩陣進行一致性檢驗，基于公式（6）計算λmax=10.169 8，基于公式（5）計算一致性指標CI=0.018 9，由表5 可知n=10 時RI=1.49，基于公式（4）計算隨機一致性指標CR=0.012 7 ＜0.1，則判斷矩陣滿足一致性。故準則層（各指標）對目標層（儲能運行場景適應(yīng)性）的指標權(quán)重計算結(jié)果如表6所示。

表6 儲能選型的O-F判斷矩陣及權(quán)重

同樣，對標準層中每個標準下各方案進行兩兩比較，計算標準層全部指標的特征向量，并進行一致性校驗，得出各判斷矩陣均滿足一致性即CR＜0.1。最后，基于公式（7）計算各決策方案的綜合評估指標，得到促進新能源消納場景的儲能選型層次總排序如表7所示。

從表6 可知，在10 個指標中典型功率等級權(quán)重占比最高，為0.197 7，其次充/放電速率、響應(yīng)時間及能量轉(zhuǎn)換效率的權(quán)重占比分別為0.185 6、0.148 0 及0.122 3，單位功率成本、單位功率成本、循環(huán)壽命及運維成本分別為0.110 3、0.082 9、0.063 2 及0.045 6，功率密度、能量密度權(quán)重占比較低，分別為0.023 0和0.021 4。各指標權(quán)重占比如圖5 所示，典型功率等級的權(quán)重與系統(tǒng)規(guī)模相關(guān)，而充/放電速率和響應(yīng)時間指標則和新能源滲透率相關(guān)。

圖5 促進新能源消納場景下各類指標權(quán)重占比

通過仿真得到標準層中每個指標下各儲能的評估值如圖6所示。

圖6 各類型儲能在10類指標的評估值

促進新能源消納場景下各類儲能排序結(jié)果見表7。由表7可知抽水蓄能評估值最高，為0.168 5，其次液流電池、鋰離子電池、壓縮空氣儲能和鉛酸電池評估值分別為0.130 6、0.125 3、0.124 0 和0.122 7，權(quán)重占比較低的方案為超級電容器和飛輪儲能評估值分別為0.119 5和0.105 2，超導(dǎo)磁儲能評估值最低，為0.104 4。各類儲能評估值如圖7所示。

表7 促進新能源消納場景的儲能選型層次總排序

如圖7可知，在促進新能源消納場景各類儲能的排序結(jié)果為：抽水蓄能、液流電池、鋰離子電池、壓縮空氣、鉛酸電池、超級電容器、飛輪儲能和超導(dǎo)磁儲能。由于抽水蓄能具有大功率、大容量、壽命長、單位容量成本低的優(yōu)點，因此在該仿真場景下，抽水蓄能具有最佳的工況適應(yīng)性。

圖7 促進新能源消納場景中各類儲能評估值

3.3 系統(tǒng)調(diào)頻及配電網(wǎng)饋線調(diào)壓場景仿真結(jié)果

系統(tǒng)調(diào)頻場景下各類儲能評估值如圖8 所示。由圖8 可知抽水蓄能評估值最高，為0.147 8，其次壓縮空氣儲能、飛輪儲能、鋰離子電池和超導(dǎo)磁儲能的評估值分別為0.137 1、0.129 2、0.120 1和0.119 3，權(quán)重占比較低的方案為液流電池和超級電容器，評估值分別為0.117 1和0.116 1，鉛酸電池評估值最低，為0.113 3。

圖8 系統(tǒng)調(diào)頻場景中各類儲能評估值

由圖8可知，在系統(tǒng)調(diào)頻場景下各儲能類型的排序結(jié)果為：抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、鋰離子電池、超導(dǎo)磁、液流電池、超級電容器、鉛酸電池。由于抽水蓄能具有大功率、大容量、壽命長、單位容量成本低的優(yōu)點，因此在該仿真場景下，抽水蓄能具有最佳的適應(yīng)性。

配電網(wǎng)饋線調(diào)壓場景下各類儲能評估值如圖9所示。由圖9 可知鋰離子電池評估值最高，為0.139 9，其次鉛酸電池、液流電池、壓縮空氣儲能和飛輪儲能評估值分別為0.139 6、0.137 1、0.127 2 和0.117 0，權(quán)重占比較低的方案為超級電容器和超導(dǎo)磁儲能，評估值分別為0.116 4和0.112 9，抽水蓄能評估值最低，為0.109 8。

由圖9可知，在配電網(wǎng)饋線調(diào)壓場景下各儲能類型的排序結(jié)果為：鋰離子電池、鉛酸電池、液流電池、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超級電容器、超導(dǎo)磁、抽水蓄能。由于鋰離子電池具有容量大、能量密度高、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，因此在該仿真場景下，鋰離子電池具有最佳的適應(yīng)性。

圖9 配電網(wǎng)饋線調(diào)壓場景中各類儲能評估值

4 結(jié)論

本文針對儲能系統(tǒng)面向新型電力系統(tǒng)應(yīng)用場景下工況適應(yīng)性進行研究，提出了基于層次分析法的儲能選型方法。根據(jù)儲能工況特性建立相應(yīng)指標體系，利用層次分析法對多種類型儲能進行綜合評估計算，找到適用于應(yīng)用場景的儲能類型。綜合評估指標的構(gòu)建對各指標的差異性考慮得更加全面，能夠避免單一指標評估帶來的局限性。本文的研究過程是基于場景需求差異性開展的儲能選型方法，對促進新能源消納、系統(tǒng)調(diào)頻、配電網(wǎng)饋線調(diào)壓3個場景下的儲能類型選擇分別進行了評估，給出了最適合的儲能類型，驗證了方法的實用性。