電化學儲能電站并網指標體系研究

國家電力投資集團安徽分公司 方順順

1 引言

由“十四五”規劃提出，預計2025年新型儲能從初期商業化向規模化發展，擁有大規模商業條件，進一步提高電化學儲能技術，降低系統成本超過30%。國家能源局表示，電力系統對能力調節需求不斷提升，開發消納新能源規模增大，推進規模化儲能技術勢在必行，要求新型儲能和常規電源、新能源協同優化，挖掘電源儲能潛力，增強系統容量支撐及調節能力。

2 電化學儲能概述

儲能是轉化電能為其他能量形式存儲起來，需要時即可釋放，實現電力在輸送端、供應端、用戶端穩定運行。電化學儲能作為二次電池儲能，以化學元素為儲能介質，整體充放電過程，儲能介質也隨之產生化學變化或反應[1]。在能源并網下，電化學儲能能夠平衡系統能量流，作為中轉站，能夠對多種能源系統耦合，協同運行不同能源，支持可再生能源的大規模消納，降低棄光、棄風率，即便系統產生故障或波動，也能保證能源供應、生產連續性，穩定能源運行，促進能源消費市場化[2]。電化學儲能作為重要技術，具有不受位置限制、靈活成組的優勢，對建設成本、運行安全具有較高要求。以儲能技術裝機容量、經濟性、安全性及工程適用性而言，全釩液流、碳鉛、鋰離子電池最具競爭力。而鋰電技術擁有較多線路，相比動力鋰電池，對能量密度要求寬松，循環壽命、成本要求卻較高。以此來看，現階段磷酸鐵鋰電池作為適用于儲能的技術，多投產建設電站項目也多使用該電池。

3 電化學儲能電站運行評價

3.1 運行核心指標

一是放電深度，是電池循環中，容量放出與電池額定容量比值，電化學儲能電子的放電深度，對儲能循環壽命具有直接影響，放電深度越小，衰減電池速度越慢，進而延長電池使用壽命[3]。

二是存儲容量，即存儲最大能量值，以瓦時作為計量單位。

三是循環壽命，儲能系統的放電過程、一次充電即為1次循環，壽命為儲能系統充放電最大次數。

四是剩余電池容量，剩余電量占額定容量比例，按照IEEE 標準，使用電池一段時間，充電容量小于80%額定容量，需更換電池。

五是能量轉換效率，儲能系統進行充放電中，會出現能量損失，進而降低能量轉化效率。

3.2 特征量權重

電化學儲能電站用于削峰填谷，根據計劃質量在固定時間充放電進行運行，與電網調度信息交互包括電站電量、電池荷電狀態、電站溫度等[4]。通過基本參數，能夠體現電站信息，確保電站穩定運行。但是，電網工況較為頻繁，調壓、調頻等短期尺度變化，上述參數難以將電站調度能力展現出來，需面向多場景工況，確定電站感知特征權重。

3.2.1 多場景故障

電化學儲能電站發電側多以平抑新能源功率輸出波動及火儲聯合調頻，根據電站歷史數據，結合電站多次充放電，接收不斷變化的功率指令，容易產生PCS 通信故障及電池一致性故障[5]。而電網側，電站用于緊急支撐、系統備用、滿足尖峰負荷等，如果電池模塊經常進行緊急支撐、浮沖時，增加了PCS 功率輸出負擔，可能出現PCS 保護故障、壽命異常、缺電欠壓情況。用戶側電站用于需求響應、削峰填谷，電池經過深度充放電，容量迅速衰減，可能產生電池容量異常。3.2.2 感知特征權重

電化學儲能電站面對多種工況場景，需根據不同工況選擇相應感知特征量，從非計劃、計劃類、執行調度、主動支撐等角度分析，結合核心指標與故障類型，確定響應指標。此過程中，采取5/5-9/1方法，對傳統層次分析法進行改進。例如，調頻工況下，設置判斷矩陣，計算后確定各參數權重系數，響應時間是0.3633，電池SOC 是0.2648、電站內阻是0.1751，PCS 充放電是0.1967。評價指標公式為：

式中，Tr是響應時間；Bsoc是電池SOC；Rb是電站內阻；Tpcs是PCS 充放電轉換時間；Lfm是感知特征評價指標。通過對調壓、調頻、調峰及平移輸出功率、響應需求工況，賦值判斷矩陣，確定電站遠程感知特征及權重系數。

4 電化學儲能電站并網指標

4.1 基于專家偏好系數的主客觀組合賦權

4.1.1 參數主觀權重

主管權重以專家打分方式進行計算，假設z 專家對核心指標打分，分數是fjk（j=1，2…n；k=1，2…n），將分數按照排跌后確定秩次是cjk，每個指標秩和是cj，同等打分計成結，結數量計入結長，該評分秩次可由平均秩確定。確定主管權重前，利用協同系數檢驗評分一致性，統計量如果x2=W(n-1)z ＞x20.05，明確打分有效，通過檢驗。協同系數計算式為：

4.1.2 客觀指標權重

信息論下，熵表示系統內部混亂度，評價指標熵越小，代表混亂度越低，進而熵權更大，即不同對象下指標信息量差異度較大。第j 指標熵權與熵值定義為：

式中，0≤Hj≤1，結果為0；0≤Wj≤1，結果為1。

4.1.3 綜合指標權重

指標評價中，使用線性加權組合法計算綜合權重，能夠將主觀權重明了地展現出來。其表達式為：

式中，μ是專家偏好系數確定主客觀權重。客觀和主管權重受到評估對象、專家數量影響，數量越多，權重信服度也隨之增高，為平衡數據客觀性與專家主觀性，專注專家偏好，忽視客觀數據，或是專注客觀數據，忽視專家偏好，縮小取值范圍為0.2～0.8。

4.2 改進模糊綜合評價法

在模糊綜合評價中，使用模糊數學論，對核心評價指標開展單因素分析，考慮權重計算結果，由于傳統評價具有缺陷，提出綜合模糊評價改進。

一是因素集。建立U=（U1，U2…Um），U1再次劃分成U1=（ui1，ui2…uin），建立評估指標體系。

二是評價集。建立V=（V1，V2…VS），Vi是各種可能評價總結果，建立相應評價等級，劃分為“很弱”“較弱”“一般”“較強”“很強”，則V=（V1，V2…V5），從很弱到很強。

三是評價矩陣。設評價體系有評價指標n 個，待評價對象m 個，評估模型矩陣為：

四是權重向量。確定權重向量為：

五是綜合評價。綜合適應性評價，以向量地表儲能技術等級不同評價隸屬度，獲得權重向量及評價矩陣影響。

式中，°是模糊合成算子；Bi是1行5列向量，代表5個評價等級隸屬度，向量內數值最高元素，與評價等級逐一對應，為綜合適用評價結果。

六是改進綜合評價。Z（m）模糊綜合評價，改進隸屬度向量。

式中，α 是不同評價等級相應分值，規定“很弱”“較弱”“一般”“較強”“很強”分值分別是20、40、60、80、100，以綜合模糊評價方式，對同一級別結果加以排序，保證結果真實客觀。

4.3 系統定容模型

電化學儲能電站并網配置為實現最大化效益，計算E 年凈效益公式為：

式中，C1是土建成本；C2是購置電池成本；C3是購置相應設備成本；C4是并網選配成本。確定儲能配置時，考慮充放電功率、符合峰谷值、充放電時間等，要求滿足約束條件，能夠為用戶側提供恰當功率及電容。

整體技術適用性評估中，指標選擇技術基礎參數，通過儲能系統定容，采取專家打分權重計算與綜合模糊評價方式，進而確定整體并網指標適用性及電站并網技術效能。以鋰離子電池并網為例，綜合基礎參數，以權重分布與評價矩陣可知，大部分核心技術指標隸屬于“很強”區間，發電側成本無較大提升，最終技術使用性強，能夠滿足電站并網指標評價要求。

4.4 電站整改

在電化學儲能電站各項能力測試后，針對現場檢查、核查的問題及時整改，形成整改報告，包括整改問題的佐證材料、工程整改情況等，再次進行質量檢查，直至符合能力指標要求。

4.5 算例分析

4.5.1 限值計算

選用IEEE-RTS79測試系統，系統有節點24個，元件71個，發電機32臺，線路33條，年峰值符合是2850MW，發電機容量12～400MW，裝機總容量是3405MW。電化學儲能電站并網可靠性評估中，構建系統后，確定核心指標，計算原電力系統可靠性，并網后系統接入方案，添加本文中指標體系模型，即可得出電站并網可靠性結果。

系統接入電化學儲能電站前，由于電站出力存在強隨機性，準確評估建安，確定某并網方案后，影響因素在于電站設備停運故障及天氣因素，計算步驟為：一是建立電化學電站模型，提取不同故障類型的出力曲線；二是綜合考慮極限情況，以電站充放電、電網側、用戶側典型故障出力數據，代替電站全年出力；三是典型電站故障出力狀態，接入測試系統，利用系統計算可靠性；四是計算最小故障出力情況下，系統可靠性指影響計入上限數值，數值即為電化學儲能站并網方案下影像系統程度區間。4.5.2 指標影響

電化學儲能站是利用電池化學反應原理進行發電，出現故障后發電出力差異顯著，特別是并網后，處理水平對整體系統可靠性將造成影響。在已有電力系統上并網，選擇RTS24中18、15、13三個節點，每點并入電力200MW，共600MW，利用上述計算方法，確定可靠性指標，上限數值是22.84%，下限數值是8.53%，即提升系統可靠性程度區間限值是8.53%～23.84%。

5 結語

電化學儲能電站作為新型電力系統構建的關鍵環節，也是實現“雙碳”目標的支撐，對改善能源業態具有積極意義。而電化學儲能電站并網為實現穩定運行，需加強建設并網指標體系，根據電化學儲能電站并網核心運行指標，采取基于專家偏好系數的主客觀組合賦權、改進模糊綜合評價法、系統定容模型的方式，確定指標要求及其適用性，銜接現有電力系統標準，發揮規范引領作用，從而推進電化學儲能電站高質量發展。