基于層次分析法的儲(chǔ)能綜合評(píng)估及類型選擇

汪湘晉，黃瀅，蔣金琦，林達(dá)，謝培坤，李振坤

（1.國(guó)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(dòng)下，對(duì)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(dòng)性、間歇性的特點(diǎn)，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(yùn)行愈加復(fù)雜，不利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行［1］。儲(chǔ)能技術(shù)可快速、靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率，將儲(chǔ)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(chǔ)能在新型電力系統(tǒng)中具有重大價(jià)值，而儲(chǔ)能類型眾多，不同的儲(chǔ)能具有不同的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性，因此結(jié)合實(shí)際場(chǎng)景需求，選擇合適的儲(chǔ)能類型具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近幾年來，儲(chǔ)能的研究和發(fā)展受到廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)［3］歸納了常見儲(chǔ)能技術(shù)的關(guān)鍵特征及儲(chǔ)能在新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力，梳理了儲(chǔ)能應(yīng)用功能的研究現(xiàn)狀及未來趨勢(shì)。文獻(xiàn)［4］對(duì)儲(chǔ)能進(jìn)行分類并對(duì)其在智能電網(wǎng)中的作用進(jìn)行了分析，然后對(duì)儲(chǔ)能的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，從市場(chǎng)規(guī)模、應(yīng)用分布、技術(shù)分布和地域分布4個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹。隨著儲(chǔ)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(xiàn)［5］總結(jié)了超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)在可再生能源領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。文獻(xiàn)［6］從新型電力系統(tǒng)的特征出發(fā)，歸納分析儲(chǔ)能在其中的重要作用及開展創(chuàng)新方向的探索。文獻(xiàn)［7］分析了儲(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景。

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

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

1 儲(chǔ)能類型及技術(shù)特性分析

1.1 各類型儲(chǔ)能的技術(shù)特征

根據(jù)不同的儲(chǔ)能技術(shù)載體，儲(chǔ)能可大致分為以下3類：機(jī)械類、電氣類及電化學(xué)類。其中機(jī)械類儲(chǔ)能主要包含抽水蓄能、壓縮空氣及飛輪；電氣類儲(chǔ)能主要有超級(jí)電容器和超導(dǎo)磁儲(chǔ)能；電化學(xué)類儲(chǔ)能主要有液流電池、鉛酸電池及鋰離子電池。各種儲(chǔ)能的技術(shù)發(fā)展水平各有不同，在典型功率等級(jí)、持續(xù)放電時(shí)間、響應(yīng)時(shí)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(chǔ)能適用的場(chǎng)合不一，如抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能適用于較大規(guī)模的新能源消納場(chǎng)合，電化學(xué)類儲(chǔ)能適用于微電網(wǎng)場(chǎng)合。本文對(duì)目前主要儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)［20-22］，各類儲(chǔ)能的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)合如表1和表2所示。

表1 各類儲(chǔ)能技術(shù)特征

表2 各類儲(chǔ)能技術(shù)特征（續(xù)表1）

1.2 不同場(chǎng)景對(duì)儲(chǔ)能的需求

不同場(chǎng)景對(duì)儲(chǔ)能的需求具有差異性，本文考慮促進(jìn)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(jí)改造6 種場(chǎng)景下對(duì)典型功率等級(jí)、充/放電速率、響應(yīng)時(shí)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(yùn)維成本這10個(gè)指標(biāo)的需求程度。

本文采用九級(jí)標(biāo)度法表示上述10 個(gè)指標(biāo)在6種應(yīng)用場(chǎng)景中的重要程度，如表3所示。其中，標(biāo)度數(shù)據(jù)越大表示其重要性越高，如調(diào)頻場(chǎng)景3 對(duì)充/放電速率（指標(biāo)2）、響應(yīng)時(shí)間（指標(biāo)3）要求較高，而對(duì)功率密度（指標(biāo)4）、能量密度（指標(biāo)5）和能量轉(zhuǎn)換效率（指標(biāo)7）則相對(duì)要求較低。

表3 不同場(chǎng)景對(duì)儲(chǔ)能特性指標(biāo)的需求

將表3中10個(gè)指標(biāo)在6種場(chǎng)景中的重要程度表示為圖1所示。

圖1 不同場(chǎng)景對(duì)儲(chǔ)能特性指標(biāo)的需求

2 基于層次分析法的儲(chǔ)能價(jià)值評(píng)估

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

2.1 層次分析法

層次分析法采用經(jīng)驗(yàn)判斷對(duì)各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的重要程度進(jìn)行量化，得出各決策方案不同標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)數(shù)，利用權(quán)數(shù)計(jì)算各方案的優(yōu)劣次序，采用該方法可用于解決儲(chǔ)能配置問題。儲(chǔ)能選型的層次結(jié)構(gòu)包括目標(biāo)層、標(biāo)準(zhǔn)層、決策方案層3個(gè)層次。基于層次分析法確定各方案的優(yōu)劣次序的步驟如下。

步驟1：對(duì)標(biāo)準(zhǔn)層中的不同指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，得出相對(duì)重要性的標(biāo)度，構(gòu)造判斷矩陣，即：

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

表4 九級(jí)標(biāo)度法及含義

步驟2：形成標(biāo)準(zhǔn)層間的標(biāo)準(zhǔn)兩兩對(duì)比矩陣，即：

步驟3：計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)層間的特征向量λ，即：

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

式中：CI為一致性指標(biāo)，定義如下：

式中：λmax為矩陣的最大特征值。λmax的計(jì)算如下：

式中：m為方案的個(gè)數(shù)；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，該指標(biāo)越小則對(duì)數(shù)據(jù)的一致性要求越高，且隨著準(zhǔn)則層中指標(biāo)個(gè)數(shù)的增加，數(shù)據(jù)沖突風(fēng)險(xiǎn)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(zhǔn)則層共有10個(gè)指標(biāo)，因此，經(jīng)查表RI取值為1.49。

表5 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI

一般而言，當(dāng)CR＜0.1 時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣滿足一致性。

步驟5：按照步驟1—4，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)層中每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下各方案進(jìn)行兩兩比較，形成標(biāo)準(zhǔn)層指標(biāo)k的兩兩對(duì)比矩陣，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)層全部指標(biāo)的特征向量λk(k=1，2，…，n)，進(jìn)行一致性校驗(yàn)。

步驟6：計(jì)算各決策方案的綜合評(píng)估指標(biāo)。以方案p為例，其綜合評(píng)估指標(biāo)的計(jì)算方法如下：

式中：λq為標(biāo)準(zhǔn)層間特征向量的第q個(gè)元素；表示方案p特征向量的第q個(gè)元素。

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

2.2 運(yùn)行場(chǎng)景建模分析

為使所構(gòu)建的評(píng)估指標(biāo)體系更具全面性，構(gòu)建如圖2的儲(chǔ)能選型綜合評(píng)估指標(biāo)體系，其中目標(biāo)層為儲(chǔ)能工況適應(yīng)性；標(biāo)準(zhǔn)層以典型功率等級(jí)、充/放電速率、響應(yīng)時(shí)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(yùn)維成本這10個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合衡量，其中經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)考慮單位功率成本、單位容量成本以及運(yùn)維成本；決策方案層選取抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超級(jí)電容、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能、液流電池、鉛酸電池以及鋰離子電池這8 種儲(chǔ)能類型。

圖2 儲(chǔ)能選型綜合評(píng)估指標(biāo)層次體系

本文方法實(shí)現(xiàn)的程序流程如圖3所示。

圖3 層次分析法實(shí)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(jìn)行驗(yàn)證，該系統(tǒng)最大負(fù)荷為410 MW，通過節(jié)點(diǎn)1 和8 與外部大電網(wǎng)相連，風(fēng)電機(jī)組接入節(jié)點(diǎn)6、節(jié)點(diǎn)12、節(jié)點(diǎn)18，假設(shè)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)發(fā)電滲透率為50%，風(fēng)機(jī)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(dòng)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(yùn)行指標(biāo)的下降。

圖4 某21節(jié)點(diǎn)區(qū)域電網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)

儲(chǔ)能系統(tǒng)憑借其可充可放的運(yùn)行特性，可以平滑可再生能源輸出功率波動(dòng)，配合可再生能源接入電網(wǎng)，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此在風(fēng)機(jī)接入節(jié)點(diǎn)裝設(shè)儲(chǔ)能，利用儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑風(fēng)電機(jī)組出力的不確定性和隨機(jī)性，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。采用層次分析法對(duì)多種類型儲(chǔ)能進(jìn)行綜合評(píng)估計(jì)算，得出各類儲(chǔ)能的排序結(jié)果，找到最佳的儲(chǔ)能類型。

3.2 仿真結(jié)果分析

在仿真分析中，首先，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)層中的不同指標(biāo)進(jìn)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(gè)指標(biāo)的重要程度和九級(jí)標(biāo)度法進(jìn)行確定；其次，基于公式（2）計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)兩兩對(duì)比矩陣基于公式（3）計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)層間特征向量λ；最后，對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，基于公式（6）計(jì)算λmax=10.169 8，基于公式（5）計(jì)算一致性指標(biāo)CI=0.018 9，由表5 可知n=10 時(shí)RI=1.49，基于公式（4）計(jì)算隨機(jī)一致性指標(biāo)CR=0.012 7 ＜0.1，則判斷矩陣滿足一致性。故準(zhǔn)則層（各指標(biāo)）對(duì)目標(biāo)層（儲(chǔ)能運(yùn)行場(chǎng)景適應(yīng)性）的指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 儲(chǔ)能選型的O-F判斷矩陣及權(quán)重

同樣，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)層中每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下各方案進(jìn)行兩兩比較，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)層全部指標(biāo)的特征向量，并進(jìn)行一致性校驗(yàn)，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(jì)算各決策方案的綜合評(píng)估指標(biāo)，得到促進(jìn)新能源消納場(chǎng)景的儲(chǔ)能選型層次總排序如表7所示。

從表6 可知，在10 個(gè)指標(biāo)中典型功率等級(jí)權(quán)重占比最高，為0.197 7，其次充/放電速率、響應(yīng)時(shí)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(yùn)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(biāo)權(quán)重占比如圖5 所示，典型功率等級(jí)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(shí)間指標(biāo)則和新能源滲透率相關(guān)。

圖5 促進(jìn)新能源消納場(chǎng)景下各類指標(biāo)權(quán)重占比

通過仿真得到標(biāo)準(zhǔn)層中每個(gè)指標(biāo)下各儲(chǔ)能的評(píng)估值如圖6所示。

圖6 各類型儲(chǔ)能在10類指標(biāo)的評(píng)估值

促進(jìn)新能源消納場(chǎng)景下各類儲(chǔ)能排序結(jié)果見表7。由表7可知抽水蓄能評(píng)估值最高，為0.168 5，其次液流電池、鋰離子電池、壓縮空氣儲(chǔ)能和鉛酸電池評(píng)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(jí)電容器和飛輪儲(chǔ)能評(píng)估值分別為0.119 5和0.105 2，超導(dǎo)磁儲(chǔ)能評(píng)估值最低，為0.104 4。各類儲(chǔ)能評(píng)估值如圖7所示。

表7 促進(jìn)新能源消納場(chǎng)景的儲(chǔ)能選型層次總排序

如圖7可知，在促進(jìn)新能源消納場(chǎng)景各類儲(chǔ)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(jí)電容器、飛輪儲(chǔ)能和超導(dǎo)磁儲(chǔ)能。由于抽水蓄能具有大功率、大容量、壽命長(zhǎng)、單位容量成本低的優(yōu)點(diǎn)，因此在該仿真場(chǎng)景下，抽水蓄能具有最佳的工況適應(yīng)性。

圖7 促進(jìn)新能源消納場(chǎng)景中各類儲(chǔ)能評(píng)估值

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

系統(tǒng)調(diào)頻場(chǎng)景下各類儲(chǔ)能評(píng)估值如圖8 所示。由圖8 可知抽水蓄能評(píng)估值最高，為0.147 8，其次壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、鋰離子電池和超導(dǎo)磁儲(chǔ)能的評(píng)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(jí)電容器，評(píng)估值分別為0.117 1和0.116 1，鉛酸電池評(píng)估值最低，為0.113 3。

圖8 系統(tǒng)調(diào)頻場(chǎng)景中各類儲(chǔ)能評(píng)估值

由圖8可知，在系統(tǒng)調(diào)頻場(chǎng)景下各儲(chǔ)能類型的排序結(jié)果為：抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、鋰離子電池、超導(dǎo)磁、液流電池、超級(jí)電容器、鉛酸電池。由于抽水蓄能具有大功率、大容量、壽命長(zhǎng)、單位容量成本低的優(yōu)點(diǎn)，因此在該仿真場(chǎng)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(chǎng)景下各類儲(chǔ)能評(píng)估值如圖9所示。由圖9 可知鋰離子電池評(píng)估值最高，為0.139 9，其次鉛酸電池、液流電池、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能評(píng)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(jí)電容器和超導(dǎo)磁儲(chǔ)能，評(píng)估值分別為0.116 4和0.112 9，抽水蓄能評(píng)估值最低，為0.109 8。

由圖9可知，在配電網(wǎng)饋線調(diào)壓場(chǎng)景下各儲(chǔ)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(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超級(jí)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(diǎn)，因此在該仿真場(chǎng)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(chǎng)景中各類儲(chǔ)能評(píng)估值

4 結(jié)論

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