電化學(xué)儲能電站并網(wǎng)指標(biāo)體系研究

國家電力投資集團(tuán)安徽分公司 方順順

1 引言

由“十四五”規(guī)劃提出，預(yù)計(jì)2025年新型儲能從初期商業(yè)化向規(guī)?；l(fā)展，擁有大規(guī)模商業(yè)條件，進(jìn)一步提高電化學(xué)儲能技術(shù)，降低系統(tǒng)成本超過30%。國家能源局表示，電力系統(tǒng)對能力調(diào)節(jié)需求不斷提升，開發(fā)消納新能源規(guī)模增大，推進(jìn)規(guī)?；瘍δ芗夹g(shù)勢在必行，要求新型儲能和常規(guī)電源、新能源協(xié)同優(yōu)化，挖掘電源儲能潛力，增強(qiáng)系統(tǒng)容量支撐及調(diào)節(jié)能力。

2 電化學(xué)儲能概述

儲能是轉(zhuǎn)化電能為其他能量形式存儲起來，需要時(shí)即可釋放，實(shí)現(xiàn)電力在輸送端、供應(yīng)端、用戶端穩(wěn)定運(yùn)行。電化學(xué)儲能作為二次電池儲能，以化學(xué)元素為儲能介質(zhì)，整體充放電過程，儲能介質(zhì)也隨之產(chǎn)生化學(xué)變化或反應(yīng)[1]。在能源并網(wǎng)下，電化學(xué)儲能能夠平衡系統(tǒng)能量流，作為中轉(zhuǎn)站，能夠?qū)Χ喾N能源系統(tǒng)耦合，協(xié)同運(yùn)行不同能源，支持可再生能源的大規(guī)模消納，降低棄光、棄風(fēng)率，即便系統(tǒng)產(chǎn)生故障或波動(dòng)，也能保證能源供應(yīng)、生產(chǎn)連續(xù)性，穩(wěn)定能源運(yùn)行，促進(jìn)能源消費(fèi)市場化[2]。電化學(xué)儲能作為重要技術(shù)，具有不受位置限制、靈活成組的優(yōu)勢，對建設(shè)成本、運(yùn)行安全具有較高要求。以儲能技術(shù)裝機(jī)容量、經(jīng)濟(jì)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(shù)擁有較多線路，相比動(dòng)力鋰電池，對能量密度要求寬松，循環(huán)壽命、成本要求卻較高。以此來看，現(xiàn)階段磷酸鐵鋰電池作為適用于儲能的技術(shù)，多投產(chǎn)建設(shè)電站項(xiàng)目也多使用該電池。

3 電化學(xué)儲能電站運(yùn)行評價(jià)

3.1 運(yùn)行核心指標(biāo)

一是放電深度，是電池循環(huán)中，容量放出與電池額定容量比值，電化學(xué)儲能電子的放電深度，對儲能循環(huán)壽命具有直接影響，放電深度越小，衰減電池速度越慢，進(jìn)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(shí)作為計(jì)量單位。

三是循環(huán)壽命，儲能系統(tǒng)的放電過程、一次充電即為1次循環(huán)，壽命為儲能系統(tǒng)充放電最大次數(shù)。

四是剩余電池容量，剩余電量占額定容量比例，按照IEEE 標(biāo)準(zhǔn)，使用電池一段時(shí)間，充電容量小于80%額定容量，需更換電池。

五是能量轉(zhuǎn)換效率，儲能系統(tǒng)進(jìn)行充放電中，會(huì)出現(xiàn)能量損失，進(jìn)而降低能量轉(zhuǎn)化效率。

3.2 特征量權(quán)重

電化學(xué)儲能電站用于削峰填谷，根據(jù)計(jì)劃質(zhì)量在固定時(shí)間充放電進(jìn)行運(yùn)行，與電網(wǎng)調(diào)度信息交互包括電站電量、電池荷電狀態(tài)、電站溫度等[4]。通過基本參數(shù)，能夠體現(xiàn)電站信息，確保電站穩(wěn)定運(yùn)行。但是，電網(wǎng)工況較為頻繁，調(diào)壓、調(diào)頻等短期尺度變化，上述參數(shù)難以將電站調(diào)度能力展現(xiàn)出來，需面向多場景工況，確定電站感知特征權(quán)重。

3.2.1 多場景故障

電化學(xué)儲能電站發(fā)電側(cè)多以平抑新能源功率輸出波動(dòng)及火儲聯(lián)合調(diào)頻，根據(jù)電站歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合電站多次充放電，接收不斷變化的功率指令，容易產(chǎn)生PCS 通信故障及電池一致性故障[5]。而電網(wǎng)側(cè)，電站用于緊急支撐、系統(tǒng)備用、滿足尖峰負(fù)荷等，如果電池模塊經(jīng)常進(jìn)行緊急支撐、浮沖時(shí)，增加了PCS 功率輸出負(fù)擔(dān)，可能出現(xiàn)PCS 保護(hù)故障、壽命異常、缺電欠壓情況。用戶側(cè)電站用于需求響應(yīng)、削峰填谷，電池經(jīng)過深度充放電，容量迅速衰減，可能產(chǎn)生電池容量異常。3.2.2 感知特征權(quán)重

電化學(xué)儲能電站面對多種工況場景，需根據(jù)不同工況選擇相應(yīng)感知特征量，從非計(jì)劃、計(jì)劃類、執(zhí)行調(diào)度、主動(dòng)支撐等角度分析，結(jié)合核心指標(biāo)與故障類型，確定響應(yīng)指標(biāo)。此過程中，采取5/5-9/1方法，對傳統(tǒng)層次分析法進(jìn)行改進(jìn)。例如，調(diào)頻工況下，設(shè)置判斷矩陣，計(jì)算后確定各參數(shù)權(quán)重系數(shù)，響應(yīng)時(shí)間是0.3633，電池SOC 是0.2648、電站內(nèi)阻是0.1751，PCS 充放電是0.1967。評價(jià)指標(biāo)公式為：

式中，Tr是響應(yīng)時(shí)間；Bsoc是電池SOC；Rb是電站內(nèi)阻；Tpcs是PCS 充放電轉(zhuǎn)換時(shí)間；Lfm是感知特征評價(jià)指標(biāo)。通過對調(diào)壓、調(diào)頻、調(diào)峰及平移輸出功率、響應(yīng)需求工況，賦值判斷矩陣，確定電站遠(yuǎn)程感知特征及權(quán)重系數(shù)。

4 電化學(xué)儲能電站并網(wǎng)指標(biāo)

4.1 基于專家偏好系數(shù)的主客觀組合賦權(quán)

4.1.1 參數(shù)主觀權(quán)重

主管權(quán)重以專家打分方式進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)z 專家對核心指標(biāo)打分，分?jǐn)?shù)是fjk（j=1，2…n；k=1，2…n），將分?jǐn)?shù)按照排跌后確定秩次是cjk，每個(gè)指標(biāo)秩和是cj，同等打分計(jì)成結(jié)，結(jié)數(shù)量計(jì)入結(jié)長，該評分秩次可由平均秩確定。確定主管權(quán)重前，利用協(xié)同系數(shù)檢驗(yàn)評分一致性，統(tǒng)計(jì)量如果x2=W(n-1)z ＞x20.05，明確打分有效，通過檢驗(yàn)。協(xié)同系數(shù)計(jì)算式為：

4.1.2 客觀指標(biāo)權(quán)重

信息論下，熵表示系統(tǒng)內(nèi)部混亂度，評價(jià)指標(biāo)熵越小，代表混亂度越低，進(jìn)而熵權(quán)更大，即不同對象下指標(biāo)信息量差異度較大。第j 指標(biāo)熵權(quán)與熵值定義為：

式中，0≤Hj≤1，結(jié)果為0；0≤Wj≤1，結(jié)果為1。

4.1.3 綜合指標(biāo)權(quán)重

指標(biāo)評價(jià)中，使用線性加權(quán)組合法計(jì)算綜合權(quán)重，能夠?qū)⒅饔^權(quán)重明了地展現(xiàn)出來。其表達(dá)式為：

式中，μ是專家偏好系數(shù)確定主客觀權(quán)重?？陀^和主管權(quán)重受到評估對象、專家數(shù)量影響，數(shù)量越多，權(quán)重信服度也隨之增高，為平衡數(shù)據(jù)客觀性與專家主觀性，專注專家偏好，忽視客觀數(shù)據(jù)，或是專注客觀數(shù)據(jù)，忽視專家偏好，縮小取值范圍為0.2～0.8。

4.2 改進(jìn)模糊綜合評價(jià)法

在模糊綜合評價(jià)中，使用模糊數(shù)學(xué)論，對核心評價(jià)指標(biāo)開展單因素分析，考慮權(quán)重計(jì)算結(jié)果，由于傳統(tǒng)評價(jià)具有缺陷，提出綜合模糊評價(jià)改進(jìn)。

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(biāo)體系。

二是評價(jià)集。建立V=（V1，V2…VS），Vi是各種可能評價(jià)總結(jié)果，建立相應(yīng)評價(jià)等級，劃分為“很弱”“較弱”“一般”“較強(qiáng)”“很強(qiáng)”，則V=（V1，V2…V5），從很弱到很強(qiáng)。

三是評價(jià)矩陣。設(shè)評價(jià)體系有評價(jià)指標(biāo)n 個(gè)，待評價(jià)對象m 個(gè)，評估模型矩陣為：

四是權(quán)重向量。確定權(quán)重向量為：

五是綜合評價(jià)。綜合適應(yīng)性評價(jià)，以向量地表儲能技術(shù)等級不同評價(jià)隸屬度，獲得權(quán)重向量及評價(jià)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(gè)評價(jià)等級隸屬度，向量內(nèi)數(shù)值最高元素，與評價(jià)等級逐一對應(yīng)，為綜合適用評價(jià)結(jié)果。

六是改進(jìn)綜合評價(jià)。Z（m）模糊綜合評價(jià)，改進(jìn)隸屬度向量。

式中，α 是不同評價(jià)等級相應(yīng)分值，規(guī)定“很弱”“較弱”“一般”“較強(qiáng)”“很強(qiáng)”分值分別是20、40、60、80、100，以綜合模糊評價(jià)方式，對同一級別結(jié)果加以排序，保證結(jié)果真實(shí)客觀。

4.3 系統(tǒng)定容模型

電化學(xué)儲能電站并網(wǎng)配置為實(shí)現(xiàn)最大化效益，計(jì)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(yīng)設(shè)備成本；C4是并網(wǎng)選配成本。確定儲能配置時(shí)，考慮充放電功率、符合峰谷值、充放電時(shí)間等，要求滿足約束條件，能夠?yàn)橛脩魝?cè)提供恰當(dāng)功率及電容。

整體技術(shù)適用性評估中，指標(biāo)選擇技術(shù)基礎(chǔ)參數(shù)，通過儲能系統(tǒng)定容，采取專家打分權(quán)重計(jì)算與綜合模糊評價(jià)方式，進(jìn)而確定整體并網(wǎng)指標(biāo)適用性及電站并網(wǎng)技術(shù)效能。以鋰離子電池并網(wǎng)為例，綜合基礎(chǔ)參數(shù)，以權(quán)重分布與評價(jià)矩陣可知，大部分核心技術(shù)指標(biāo)隸屬于“很強(qiáng)”區(qū)間，發(fā)電側(cè)成本無較大提升，最終技術(shù)使用性強(qiáng)，能夠滿足電站并網(wǎng)指標(biāo)評價(jià)要求。

4.4 電站整改

在電化學(xué)儲能電站各項(xiàng)能力測試后，針對現(xiàn)場檢查、核查的問題及時(shí)整改，形成整改報(bào)告，包括整改問題的佐證材料、工程整改情況等，再次進(jìn)行質(zhì)量檢查，直至符合能力指標(biāo)要求。

4.5 算例分析

4.5.1 限值計(jì)算

選用IEEE-RTS79測試系統(tǒng)，系統(tǒng)有節(jié)點(diǎn)24個(gè)，元件71個(gè)，發(fā)電機(jī)32臺，線路33條，年峰值符合是2850MW，發(fā)電機(jī)容量12～400MW，裝機(jī)總?cè)萘渴?405MW。電化學(xué)儲能電站并網(wǎng)可靠性評估中，構(gòu)建系統(tǒng)后，確定核心指標(biāo)，計(jì)算原電力系統(tǒng)可靠性，并網(wǎng)后系統(tǒng)接入方案，添加本文中指標(biāo)體系模型，即可得出電站并網(wǎng)可靠性結(jié)果。

系統(tǒng)接入電化學(xué)儲能電站前，由于電站出力存在強(qiáng)隨機(jī)性，準(zhǔn)確評估建安，確定某并網(wǎng)方案后，影響因素在于電站設(shè)備停運(yùn)故障及天氣因素，計(jì)算步驟為：一是建立電化學(xué)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(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)典型故障出力數(shù)據(jù)，代替電站全年出力；三是典型電站故障出力狀態(tài)，接入測試系統(tǒng)，利用系統(tǒng)計(jì)算可靠性；四是計(jì)算最小故障出力情況下，系統(tǒng)可靠性指影響計(jì)入上限數(shù)值，數(shù)值即為電化學(xué)儲能站并網(wǎng)方案下影像系統(tǒng)程度區(qū)間。4.5.2 指標(biāo)影響

電化學(xué)儲能站是利用電池化學(xué)反應(yīng)原理進(jìn)行發(fā)電，出現(xiàn)故障后發(fā)電出力差異顯著，特別是并網(wǎng)后，處理水平對整體系統(tǒng)可靠性將造成影響。在已有電力系統(tǒng)上并網(wǎng)，選擇RTS24中18、15、13三個(gè)節(jié)點(diǎn)，每點(diǎn)并入電力200MW，共600MW，利用上述計(jì)算方法，確定可靠性指標(biāo)，上限數(shù)值是22.84%，下限數(shù)值是8.53%，即提升系統(tǒng)可靠性程度區(qū)間限值是8.53%～23.84%。

5 結(jié)語

電化學(xué)儲能電站作為新型電力系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的支撐，對改善能源業(yè)態(tài)具有積極意義。而電化學(xué)儲能電站并網(wǎng)為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，需加強(qiáng)建設(shè)并網(wǎng)指標(biāo)體系，根據(jù)電化學(xué)儲能電站并網(wǎng)核心運(yùn)行指標(biāo)，采取基于專家偏好系數(shù)的主客觀組合賦權(quán)、改進(jìn)模糊綜合評價(jià)法、系統(tǒng)定容模型的方式，確定指標(biāo)要求及其適用性，銜接現(xiàn)有電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)揮規(guī)范引領(lǐng)作用，從而推進(jìn)電化學(xué)儲能電站高質(zhì)量發(fā)展。