基于粗糙集的新能源產(chǎn)業(yè)中儲(chǔ)能技術(shù)評(píng)價(jià)

李 欣，黃魯成，常金平

（北京工業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京 100124）

積極開(kāi)發(fā)和利用以風(fēng)能、太陽(yáng)能和海洋能等為主的新能源，減少人類(lèi)對(duì)化石能源的依賴(lài)，已成為全球共同關(guān)注的熱點(diǎn)。新能源通常被轉(zhuǎn)化為電能使用，但由于受季節(jié)、晝夜和地理環(huán)境等因素的影響，其發(fā)電存在隨機(jī)性、間歇性和波動(dòng)性等特點(diǎn)，在并網(wǎng)時(shí)，容易引起電網(wǎng)頻率偏差和電壓波動(dòng)［1］。如果不能解決這些問(wèn)題，新能源的普及應(yīng)用將會(huì)受到較大限制，而儲(chǔ)能技術(shù)可以較好地解決新能源并網(wǎng)發(fā)電這一瓶頸問(wèn)題［2］。因此，根據(jù)新能源并網(wǎng)發(fā)電的需要，如何從眾多的儲(chǔ)能技術(shù)中選擇出最適合于大規(guī)模儲(chǔ)能的技術(shù)，進(jìn)而形成適合企業(yè)和國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的技術(shù)路線，是目前擺在人們面前的熱門(mén)課題。

由于儲(chǔ)能技術(shù)是隨著新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展而日益被人們所關(guān)注的新興技術(shù)，到目前為止，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)中的儲(chǔ)能技術(shù)評(píng)價(jià)研究還處于探索階段。IBRAHIM等［3］從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面建立儲(chǔ)能技術(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用描述法對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。MAKAROV等［4］利用13個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)和德?tīng)柗品▽?duì)能應(yīng)用于大規(guī)模儲(chǔ)電的儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。PETERS和O'MALLEY根據(jù)不同儲(chǔ)能技術(shù)的技術(shù)性能，采用定性分析法對(duì)能夠應(yīng)用于新能源并網(wǎng)發(fā)電的儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

綜上所述，雖然目前已有不少學(xué)者利用不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)各種儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，但大多數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)集中在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面，還沒(méi)有形成一個(gè)完整、系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，且評(píng)價(jià)方法多為定性分析法?；诖?，筆者提出了基于粗糙集的新能源產(chǎn)業(yè)中儲(chǔ)能技術(shù)評(píng)價(jià)方法，實(shí)證結(jié)果表明該方法是有效的。

1 粗糙集的基本概念

粗糙集是由波蘭數(shù)學(xué)家 PAWLAK［5］提出的一種處理模糊和不確定性知識(shí)的數(shù)學(xué)工具。筆者利用粗糙集來(lái)對(duì)各種儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，為了便于分析討論，引入如下概念。

定義1 S=（U，A，V，f）為知識(shí)表示系統(tǒng)，其中，U為非空有限集，稱(chēng)為論域；A為有限個(gè)屬性的集合；V=，Va為屬性 a∈A 的值域；f:U ×A→Va為一單射，使論域U中任一元素的屬性賦予一個(gè)信息值，即?x∈U，?a∈A，f（x，a）∈Va。若信息系統(tǒng)中屬性集A能分為條件屬性集C和決策屬性集D，即有C∪D=A且C∩D=φ，則該信息系統(tǒng)稱(chēng)為決策系統(tǒng)或決策表。同時(shí)，若在決策表中去掉決策屬性，則決策表就變成了信息系統(tǒng)。

定義2 對(duì)于任意屬性集C?A，存在對(duì)象xi，xj∈U，?c∈C，如果滿(mǎn)足 c（xi）=c（xj），則稱(chēng)對(duì)象xi，xj對(duì)于屬性集 C 不可分辨（indiscernibility），記為Ind（C）。

定義3 對(duì)于屬性ci∈A，如果Ind（A）=Ind（A－{ci}），則稱(chēng)ci是冗余的；否則稱(chēng)ci是獨(dú)立的或者必要的。如果?c∈A，c都是獨(dú)立的，則稱(chēng)A是獨(dú)立的。若C?A是獨(dú)立的，并且Ind（C）=Ind（A），則稱(chēng)C是A的一個(gè)約簡(jiǎn)。

定義4 在決策表 S=（U，C，D，V，f）中，?P?C，設(shè) U/P={P1，P2，…，Pm}表示由條件屬性集 P對(duì)論域U的劃分，?X?U，記 P（X）=，則稱(chēng)P（X）為X在U上關(guān)于P的下近似集。

定義5 在決策表 S=（U，C，D，V，f）中，設(shè)U/D={D1，D2，…，Dk}表示由決策屬性集 D 對(duì)論域 U 的劃分，U/P={P1，P2，…，Pm}表示由條件屬性集P（P?C）對(duì)論域U的劃分，稱(chēng)posP（D）=（Di）為P關(guān)于D的正區(qū)域。

定義6［6］在信息系統(tǒng) S=（U，C，V，f）中，?p?C，設(shè) U/{p}={P1，P2，…，Pm}，定義屬性 p的重要度為:

2 儲(chǔ)能技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重確定

2.1 儲(chǔ)能技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立

HADJIPASCHALIS等［7］指出不同的儲(chǔ)能技術(shù)具有不同的特征、儲(chǔ)能容量和應(yīng)用領(lǐng)域，在根據(jù)不同的應(yīng)用目的選擇合適的儲(chǔ)能技術(shù)之前，需要對(duì)每一種儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，而選擇科學(xué)合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)是進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的第一步。因此，為了獲得能夠應(yīng)用于新能源并網(wǎng)發(fā)電的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)科學(xué)合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)，筆者首先對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域的專(zhuān)家進(jìn)行咨詢(xún)，概括總結(jié)出技術(shù)因素、經(jīng)濟(jì)因素、環(huán)境因素和社會(huì)因素為儲(chǔ)能技術(shù)評(píng)價(jià)的4個(gè)主要因素；其次，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)4個(gè)方面，通過(guò)閱讀、分析和梳理大量相關(guān)文獻(xiàn)，來(lái)獲得儲(chǔ)能技術(shù)評(píng)價(jià)的指標(biāo)。儲(chǔ)能技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1所示。

2.2 儲(chǔ)能技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

在建立儲(chǔ)能技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)后，評(píng)價(jià)指標(biāo)（屬性）的權(quán)重可以由式（2）獲得。

定義7 在信息系統(tǒng) S=（U，C，V，f）中，?ci∈C，定義:

表1 儲(chǔ)能技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)

為屬性ci在信息系統(tǒng)中的權(quán)重。

3 基于粗糙集的儲(chǔ)能技術(shù)評(píng)價(jià)方法

基于粗糙集的新能源產(chǎn)業(yè)中儲(chǔ)能技術(shù)評(píng)價(jià)方法的具體步驟如下:

（1）建立初始信息系統(tǒng) S=（U，C，V，f）。首先把表1中所有子指標(biāo)作為信息系統(tǒng)的屬性集，把要評(píng)價(jià)的儲(chǔ)能技術(shù)作為信息系統(tǒng)中的對(duì)象集合；其次，獲得每個(gè)對(duì)象在每個(gè)屬性下的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化處理，從而構(gòu)建一個(gè)信息系統(tǒng)S。

（2）信息系統(tǒng)屬性約簡(jiǎn)。根據(jù)粗糙集理論中屬性約簡(jiǎn)的概念，計(jì)算不可分辨關(guān)系，求解信息系統(tǒng)的各種約簡(jiǎn)，從而對(duì)信息系統(tǒng)進(jìn)行約簡(jiǎn)。

（3）評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算。對(duì)于約簡(jiǎn)后的信息系統(tǒng) S=（U，C，V，f），屬性重要度可由式（1）計(jì)算，屬性（評(píng)價(jià)指標(biāo)）權(quán)重可由式（2）計(jì)算。

（4）綜合評(píng)價(jià)模型。對(duì)于約簡(jiǎn)后的信息系統(tǒng)S=（U，C，V，f），?Xn∈U

v（Xn，ci）為第n個(gè)對(duì)象在屬性ci下的取值，ω（{ci}）為屬性ci的權(quán)重，則每個(gè)對(duì)象的評(píng)價(jià)值可由式（3）計(jì)算。

4 案例分析

4.1 信息系統(tǒng)的建立

電力存儲(chǔ)協(xié)會(huì)（electricity storage association）網(wǎng)站上公布的能夠應(yīng)用于新能源并網(wǎng)發(fā)電的儲(chǔ)能技術(shù)有:抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、鈉硫電池、鉛酸電池、全釩液流電池、鋅溴液流電池、鋅空氣電池和鎳鎘電池。因此，以這8種儲(chǔ)能技術(shù)為樣本，記為 U={X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8}，用所提出的方法對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

根據(jù)美國(guó)巴那威利電力管理局（Bonneville Power Administration）公布的各種儲(chǔ)能技術(shù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得到以上8種儲(chǔ)能技術(shù)在表1中的所有子指標(biāo)下對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，采用1～4等級(jí)的專(zhuān)家離散法［16］對(duì)所獲數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化處理，從而構(gòu)成信息系統(tǒng)，如表2所示。

表2 信息系統(tǒng)

4.2 屬性約簡(jiǎn)

從表2可以看出，屬性C4和C5，C2和 C13所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)對(duì)象的屬性值相同，即對(duì)于評(píng)價(jià)樣本，它們具有相同的分辨能力，故只需保留其中的1個(gè)。因此，表2可以進(jìn)一步化簡(jiǎn)為表3。

4.3 屬性權(quán)重的計(jì)算

根據(jù)表3，利用式（1）和式（2）分別計(jì)算出各子指標(biāo)的重要度及權(quán)重，如表4所示。

表3 約簡(jiǎn)后的信息系統(tǒng)

表4 各子指標(biāo)重要度及權(quán)重

4.4 評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

在獲得各子指標(biāo)的權(quán)重后，根據(jù)表3，利用式（3）計(jì)算出各儲(chǔ)能技術(shù)最終評(píng)價(jià)值。評(píng)價(jià)結(jié)果如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)能技術(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

從圖1可以看出，抽水儲(chǔ)能的綜合評(píng)價(jià)值最高，其次是壓縮空氣儲(chǔ)能、鋅空氣電池、鋅溴液流電池和鈉硫電池，最后是鉛酸電池、鎳鎘電池和全釩液流電池。這一評(píng)價(jià)結(jié)果與美國(guó)加州電力研究所2010年發(fā)表的研究報(bào)告［17］結(jié)果一致:目前抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能已經(jīng)被應(yīng)用于大規(guī)模儲(chǔ)能，其中抽水儲(chǔ)能是最成熟和應(yīng)用最廣泛的儲(chǔ)能技術(shù)，是儲(chǔ)能的首選技術(shù)；液流電池、鈉硫電池隨著技術(shù)發(fā)展將有巨大的規(guī)?；瘧?yīng)用前景。

但由于抽水儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能受地形、地質(zhì)條件制約和對(duì)環(huán)境的影響，因此建議在具備適用條件的地方首選抽水儲(chǔ)能，并優(yōu)先支持發(fā)展以鋅空氣電池為首的液流電池，積極推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展和應(yīng)用示范項(xiàng)目的開(kāi)展，加強(qiáng)對(duì)液流電池和鈉硫電池的研發(fā)力度。以此來(lái)更好地解決新能源大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電的瓶頸問(wèn)題，進(jìn)而促進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié)論

新能源產(chǎn)業(yè)的瓶頸之痛是儲(chǔ)能技術(shù)，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心問(wèn)題是新能源并網(wǎng)發(fā)電問(wèn)題。針對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)中能夠應(yīng)用于新能源并網(wǎng)發(fā)電的儲(chǔ)能技術(shù)評(píng)價(jià)問(wèn)題，提出了基于粗糙集的評(píng)價(jià)方法。該方法首先在構(gòu)建新能源產(chǎn)業(yè)儲(chǔ)能技術(shù)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，根據(jù)各儲(chǔ)能技術(shù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，建立儲(chǔ)能技術(shù)評(píng)價(jià)信息系統(tǒng)；然后利用粗糙集對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行屬性約簡(jiǎn)，以減少屬性間相關(guān)性的影響，并根據(jù)不同屬性的重要度來(lái)確定不同屬性的權(quán)重；最后得到儲(chǔ)能技術(shù)評(píng)價(jià)的結(jié)果。該方法一方面減少了評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)性對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響；另一方面評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)源于各儲(chǔ)能技術(shù)的客觀數(shù)據(jù)，提高了評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和合理性。但在具體的應(yīng)用領(lǐng)域中利用該評(píng)價(jià)方法時(shí)，應(yīng)當(dāng)與專(zhuān)家的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，將這種由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的客觀評(píng)價(jià)方法，輔之以評(píng)價(jià)者的定性分析，能得到更科學(xué)的結(jié)論。

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