面向電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)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(fā)展，有效緩解了世界能源短缺和環(huán)境污染問題，為能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型帶來了契機，但另一方面，可再生能源的大規(guī)模并網(wǎng)給電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻形勢帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)，威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[1]。大規(guī)模電池儲能技術(shù)具備良好的靜態(tài)特性，可以通過低儲高發(fā)削弱峰谷差，有效緩解電網(wǎng)的調(diào)峰壓力。同時，儲能系統(tǒng)具有極快的響應速度，能夠?qū)﹄娋W(wǎng)頻率的變化迅速做出反應，調(diào)節(jié)效果更加精確和高效[2]。電池儲能電站良好的有功調(diào)節(jié)能力可以全面提高大型新能源富集地區(qū)電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻能力，從而提高可再生能源消納水平，并且?guī)砹己玫慕?jīng)濟收益[3]。

在儲能電站參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻方面，目前尚未形成相應的評價機制來對儲能的調(diào)峰調(diào)頻性能進行評價，不利于在實際運行中對其實施優(yōu)化調(diào)度。在儲能參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻的評價體系方面：文獻[4]根據(jù)美國主要電力市場的調(diào)頻考核方法，介紹了相關(guān)性能指標及其計算方法；文獻[5]考慮技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)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(diào)頻性能的高效性，選取負荷跟蹤率、貢獻電量和調(diào)頻綜合偏差進行高效性對比分析。在相關(guān)綜合評價方法方面，現(xiàn)有的研究已經(jīng)取得了較多成果：文獻[7-9]采用層次分析法、數(shù)據(jù)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(jù)問題特點進行選擇，針對指標權(quán)重問題，這些文獻采用了德爾菲法、層次分析法等主觀賦權(quán)法和變異系數(shù)法、熵權(quán)法等客觀賦權(quán)法；文獻[10]采用基于主客觀加權(quán)的組合賦權(quán)法對指標權(quán)重進行優(yōu)化，充分考慮各項指標的主觀和客觀性，使得權(quán)重更加合理。

現(xiàn)有評價體系多集中于儲能電站的內(nèi)部參數(shù)或整體性能，關(guān)于其在電網(wǎng)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(yōu)勢，分別從調(diào)控性、能效水平、可靠性、環(huán)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(diào)峰調(diào)頻性能。在此基礎上，建立了一種基于主客觀組合賦權(quán)法的綜合評價模型對儲能電站調(diào)峰調(diào)頻性能進行合理評價。與現(xiàn)有研究相比，本文所建立模型一方面兼顧了專家的經(jīng)驗判斷，保證了指標權(quán)重具有良好的工程適用性，另一方面，模型所采用的反熵權(quán)法充分利用了指標數(shù)據(jù)，基于指標數(shù)據(jù)所含信息量進行賦權(quán)，同時，反熵權(quán)法克服了傳統(tǒng)熵權(quán)法在指標差異較小時權(quán)重失衡的問題。最后，采用主客觀加權(quán)屬性一致的方法求解最優(yōu)權(quán)重。

1 面向電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)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(jié)果是否準確具有重要影響，為了合理根據(jù)儲能電站綜合評價的側(cè)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(wǎng)的一部分有其特殊性，因此還應遵循以相關(guān)國家、行業(yè)標準為依據(jù)，國家行業(yè)標準中有明確規(guī)定的，應選用標準中的有關(guān)指標。因此，本文基于GB/T 36549-2018 和兩個細則，確定調(diào)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(wǎng)設備升級改造的重要解決方案，具有較大的環(huán)保意義。因此，本文根據(jù)儲能電站對可再生能源的消納貢獻、延緩電網(wǎng)升級改造而減少用地面積等方面評估儲能電站的環(huán)保性。具體指標體系如圖1所示。

圖1 儲能電站調(diào)峰調(diào)頻評價指標體系

1.1 調(diào)控性指標

(1)調(diào)節(jié)速度

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

(2)調(diào)節(jié)精度

調(diào)節(jié)精度指儲能電站最終實際出力與調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)指令到出力開始調(diào)節(jié)所需的時間，響應時間越小，響應性能越好，目前多數(shù)輔助服務市場通常設定一個標準調(diào)節(jié)時間，通過實際調(diào)節(jié)時間與標準調(diào)節(jié)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(guī)定的標準響應時間。

(4)調(diào)頻里程

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

式中：Rt為調(diào)度指令t下的實際出力；n為評價周期內(nèi)調(diào)度指令的總數(shù)量。

(5)調(diào)峰幅度

調(diào)峰幅度是反映儲能電站調(diào)峰能力的重要指標，它反映了儲能電站功率的實際可調(diào)節(jié)范圍，可以依據(jù)儲能電站的最大、最小技術(shù)出力來定義：

式中：Pg,max、Pg,min分別為儲能電站的最大技術(shù)出力和最小技術(shù)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(xù)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(nèi)的實際可放電量與儲能電站額定能量的比值。

1.2 環(huán)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(diào)峰調(diào)頻而增加的可再生能源消納規(guī)模。調(diào)峰場景下，儲能電站通過削峰填谷方式提升系統(tǒng)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(diào)頻場景下，儲能電站通過替代可再生能源參與系統(tǒng)調(diào)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(diào)峰調(diào)頻增發(fā)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(fā)電，可以替代火電機組發(fā)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(zhì)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(fā)電量。

(3)單位占地面積

由于環(huán)保壓力的增大，電網(wǎng)建設用地征地愈加困難，現(xiàn)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(fā)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(zhì)污染性

儲能介質(zhì)污染性指儲能電站在運行時或者壽命終止時本身介質(zhì)對環(huán)境的危害污染程度。各種電池儲能根據(jù)運行過程是否產(chǎn)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(diào)峰調(diào)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(quán)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(quán)屬性值決定。為了在評價中既反映評價的主觀性，又體現(xiàn)決策的客觀性，本文采用層次分析法確定指標的主管權(quán)重采用反熵權(quán)法確定指標客觀權(quán)重然后建立了基于主客觀加權(quán)屬性值一致化的優(yōu)化模型，該優(yōu)化模型采用數(shù)學規(guī)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(quán)重占比過大的問題。假設上文所得主觀權(quán)重與客觀權(quán)重分配系數(shù)分別為a、b，則組合權(quán)重為：

式中：ab≥0，a+b=1。

則儲能電站j的主客觀加權(quán)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(quán)重一致化，可建立如下模型：

各儲能電站之間為平等關(guān)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(quán)屬性值一致的權(quán)重分配系數(shù)a、b。

2.2 基于組合權(quán)重的儲能電站綜合評價模型

基于以上權(quán)重設置方法，建立面向電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)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(fā)潛力。但隨著風電、光伏裝機規(guī)模的不斷增加，系統(tǒng)的調(diào)峰調(diào)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(guī)劃與建設，以期通過儲能改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，促進大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)。將本文所構(gòu)建的綜合評價指標體系和模型應用于該地區(qū)的三個儲能電站A、B、C，對其調(diào)峰調(diào)頻性能進行評價排序。各儲能電站數(shù)據(jù)如表1。

表1 三個儲能電站指標數(shù)據(jù)

基于指標原始數(shù)據(jù)，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(quán)法確定各指標的權(quán)重，根據(jù)主客觀權(quán)重計算及指標量化結(jié)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(quán)屬性值一致化的指標組合權(quán)重。準則層和指標層權(quán)重計算結(jié)果如表2、表3 所示。

表2 準則層權(quán)重計算結(jié)果

表3 指標層權(quán)重計算結(jié)果

根據(jù)表3 計算結(jié)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(quán)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(diào)峰幅度、污染物效益，三者指標權(quán)重均超過了0.06。從全部指標結(jié)果來看，共有9 項指標權(quán)重大于0.05，此類指標對儲能電站的整體運行性能起關(guān)鍵影響作用。根據(jù)權(quán)重計算結(jié)果可知，與常規(guī)單一賦權(quán)法相比，組合賦權(quán)法對較大權(quán)重進行了弱化，對較小權(quán)重進行了強化，避免產(chǎn)生因各個指標權(quán)重差異過大而造成部分指標失效的問題。

最后，根據(jù)所求得的組合權(quán)重值及標準化矩陣，計算儲能電站A、B、C 的調(diào)控性、能效水平、可靠性、環(huán)保性得分及調(diào)峰調(diào)頻性能綜合得分，計算結(jié)果如表4 所示。

表4 儲能電站綜合性能評價結(jié)果

根據(jù)儲能電站評價結(jié)果可知，儲能電站B 得分最高，其調(diào)峰調(diào)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(diào)控性和環(huán)保性表現(xiàn)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(diào)控性能遠高于A、C，因而該電站在調(diào)峰調(diào)頻方面具備了很大優(yōu)勢，在能效水平和環(huán)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(xiàn)較為均衡。

4 結(jié)束語

本文建立了一套考慮儲能電站調(diào)控性、能效水平、可靠性和環(huán)保性的評價指標體系，全面考慮了儲能電站調(diào)峰調(diào)頻的各方面性能，實現(xiàn)了特定場景下儲能電站調(diào)節(jié)性能的綜合評價。建立了基于主客觀加權(quán)優(yōu)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(jié)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(jié)果與實際運行情況一致，實現(xiàn)了儲能電站的客觀合理評價，對電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度運行具有重要的參考意義。