趙鵬翔,覃振坤,郭東旭,王旭升,叢 琳

(1.國(guó)網(wǎng)綜合能源服務(wù)集團(tuán)有限公司,北京市 西城區(qū) 100050;2.上海電力大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院,上海市 浦東新區(qū) 201306)

0 引言

在能源互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的背景下,利用多能耦合來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性是未來的發(fā)展趨勢(shì),綜合能源系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。隨著可再生能源比例的提高且用能需求更加的靈活,系統(tǒng)的波動(dòng)性和不穩(wěn)定性也隨之加劇。靈活性資源(例如儲(chǔ)能、需求側(cè)響應(yīng)資源等)能在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)一定程度上平抑系統(tǒng)波動(dòng)。靈活性資源多種多樣,并具有靈活性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等特性,其中,靈活性的評(píng)估是分析系統(tǒng)抗干擾能力的重要手段。

文獻(xiàn)[1-2]探討了供需系統(tǒng)平衡在應(yīng)對(duì)可再生能源接入系統(tǒng)的不確定性方面的重要性,并強(qiáng)調(diào)了靈活性在其中發(fā)揮的關(guān)鍵作用;文獻(xiàn)[3]指出,在可再生能源高滲透率的情況下,凈負(fù)荷波動(dòng)會(huì)變大;文中,靈活性被定義為調(diào)度系統(tǒng)內(nèi)資源平抑凈負(fù)荷波動(dòng)的能力?？煽闯?系統(tǒng)靈活性的重要特征在于能在系統(tǒng)供需不平衡時(shí),快速響應(yīng)并平抑波動(dòng)。文獻(xiàn)[4]提出了靈活性調(diào)節(jié)產(chǎn)品的概念,為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ),但目前僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力系統(tǒng)等單一系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[5]利用電動(dòng)汽車的快速響應(yīng)能力,將其作為電力系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)產(chǎn)品來參與系統(tǒng)的調(diào)頻工作。文獻(xiàn)[6]針對(duì)高滲透率分布式電源接入系統(tǒng)的情況,深入研究了如何應(yīng)對(duì)系統(tǒng)用能側(cè)負(fù)荷變化;文獻(xiàn)[7]在全面分析配電網(wǎng)靈活性提升方案的基礎(chǔ)上,提出了3個(gè)能代表配電網(wǎng)靈活性的評(píng)價(jià)指標(biāo),即凈負(fù)荷峰值裕度、凈負(fù)荷谷值裕度和凈負(fù)荷允許波動(dòng)裕度。這些指標(biāo)有助于更好地理解和評(píng)估配電網(wǎng)的運(yùn)行性能,為提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性提供了重要參考依據(jù)。文獻(xiàn)[8]提出了利用可調(diào)度性高的電動(dòng)汽車作為分布式儲(chǔ)能,以提高高比例可再生能源系統(tǒng)的靈活性。文獻(xiàn)[9-10]則研究了電動(dòng)汽車充電對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)靈活性的影響。

在綜合能源系統(tǒng)中,靈活性資源涉及到整個(gè)系統(tǒng)的供能、輸能、用能和儲(chǔ)能各環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)[11-12]指出,在源側(cè),傳統(tǒng)能源(包括水電、火電及核電)的裝機(jī)容量較大,但其快速調(diào)整能力較弱,啟動(dòng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。隨著光伏、風(fēng)電等可再生能源在系統(tǒng)中所占份額的增加,系統(tǒng)的安全運(yùn)行受到影響,因此提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力變得尤為重要。文獻(xiàn)[13-14]指出,提高靈活性的潛力來自于區(qū)域能源系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)布局。

在綜合能源系統(tǒng)靈活性評(píng)價(jià)指標(biāo)方面,國(guó)內(nèi)外對(duì)綜合能源系統(tǒng)的效益評(píng)價(jià)大多沿用傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。文獻(xiàn)[15]強(qiáng)調(diào)了采用整體能源系統(tǒng)方法進(jìn)行綜合能源系統(tǒng)評(píng)估的必要性,其中包括多維、多向量、系統(tǒng)性、未來導(dǎo)向、整體規(guī)劃和適用性6個(gè)特征。文獻(xiàn)[16]將建筑能源靈活性定義為降低峰值負(fù)荷的能力,并對(duì)不同資源的靈活性進(jìn)行了分析,最后通過模擬驗(yàn)證了所提出的量化模型的正確性。文獻(xiàn)[17]引入了靈活性能指標(biāo),并依此建立了一種給建筑靈活性打分的方法。文獻(xiàn)[18]提出了一種電力系統(tǒng)靈活性評(píng)估方法,該方法考慮了風(fēng)電預(yù)測(cè)區(qū)間、機(jī)組和系統(tǒng)運(yùn)行特性,并提出機(jī)組和系統(tǒng)運(yùn)行靈活性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。

綜上所述,綜合能源系統(tǒng)的評(píng)估研究必須綜合考慮各類能源供應(yīng)、轉(zhuǎn)換、輸配、存儲(chǔ)和用能等過程,需要了解綜合能源系統(tǒng)的特點(diǎn)及靈活性資源所特有的性質(zhì),通過這些特性,可建立綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,對(duì)資源的價(jià)值進(jìn)行全面評(píng)估。

本文遵循指標(biāo)構(gòu)建五大原則,構(gòu)建了綜合能源系統(tǒng)靈活性資源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,包含系統(tǒng)級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和局部級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;其次,根據(jù)綜合能源系統(tǒng)靈活性評(píng)價(jià)框架,采用層次分析法-熵值法相結(jié)合確定指標(biāo)權(quán)重,通過變權(quán)法修正組合權(quán)重,再運(yùn)用SPSSAU 軟件導(dǎo)入專家評(píng)估問卷計(jì)算出權(quán)重并進(jìn)行決策評(píng)價(jià);最后,根據(jù)實(shí)例設(shè)立8個(gè)配置方案,通過對(duì)方案進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的雷達(dá)圖分析和模糊綜合評(píng)價(jià)得出最優(yōu)配置方案。

1 綜合能源系統(tǒng)靈活性資源指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 構(gòu)建指標(biāo)體系的流程

綜合能源系統(tǒng)靈活性資源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分為2個(gè)層面,第1個(gè)是系統(tǒng)級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,第2個(gè)是局部級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。系統(tǒng)級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是將綜合能源系統(tǒng)靈活性資源價(jià)值評(píng)價(jià)作為目標(biāo)層,局部級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是從“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”四側(cè)分別建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,從靈活性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、環(huán)保性、平移性5個(gè)方面對(duì)靈活性資源進(jìn)行評(píng)價(jià)。在構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí),需要充分考慮靈活性資源本身的特性,構(gòu)建的指標(biāo)體系需經(jīng)過不斷改進(jìn)優(yōu)化,最終形成一套成熟的指標(biāo)體系,流程如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

系統(tǒng)級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是將綜合能源系統(tǒng)靈活性資源價(jià)值評(píng)價(jià)作為目標(biāo)層(A),包含7個(gè)二級(jí)指標(biāo),和18個(gè)三級(jí)指標(biāo),具體內(nèi)容如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)級(jí)具體評(píng)價(jià)指標(biāo)Fig.2 Specific evaluation indicators at the system level

三級(jí)指標(biāo)如下:

(1) 系統(tǒng)慣性滲透率是指綜合能源系統(tǒng)中的電慣性、熱慣性等結(jié)合后的系統(tǒng)綜合慣性能力,用于減緩系統(tǒng)能源供需的即時(shí)不平衡,是反映系統(tǒng)靈活性和穩(wěn)定性的指標(biāo)。

式中:C11為系統(tǒng)慣性滲透率;Eit為具有供能慣性的機(jī)組的供能總量;Esp為系統(tǒng)供能總量。

(2) 快速頻率響應(yīng)和快速溫度響應(yīng)(C12)是系統(tǒng)的重要特性,快速頻率響應(yīng)能確保系統(tǒng)在頻率異常時(shí)迅速恢復(fù)穩(wěn)定,而快速溫度響應(yīng)則能保證系統(tǒng)在溫度異常時(shí)迅速恢復(fù)正常。

(3) 爬坡速率是指系統(tǒng)的升、降負(fù)荷能力。

式中:C21為爬坡速率,kW/min;為每分鐘調(diào)整出力最大值;Econ為系統(tǒng)額定容量。

(4) 最小負(fù)荷滿足度是系統(tǒng)最小凈負(fù)荷與系統(tǒng)供能總量的比率。

式中:C22為最小負(fù)荷滿足度;為最小凈負(fù)荷。

(5) 系統(tǒng)平均電源故障時(shí)間是評(píng)估電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的重要標(biāo)準(zhǔn),是指單個(gè)用戶平均停電時(shí)間。它可衡量電網(wǎng)從停電到恢復(fù)供電的平均持續(xù)時(shí)間,即維持不間斷供電的能力。

式中:C31為系統(tǒng)中斷的平均持續(xù)時(shí)間;TU為用戶斷電總持續(xù)時(shí)間;na為用戶總數(shù)量。

(6) 系統(tǒng)平均故障頻率是通過在特定時(shí)間段內(nèi)系統(tǒng)故障的平均發(fā)生次數(shù)來評(píng)估系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。“失能”是指供能設(shè)備故障,包括電源故障、氣源故障、熱/冷故障等。

式中:C32為系統(tǒng)平均故障頻率;nx為系統(tǒng)發(fā)生故障的次數(shù)。

(7) 預(yù)期的系統(tǒng)能源短缺是指在系統(tǒng)故障期間,由于能源供應(yīng)中斷而可能導(dǎo)致的損失。這種預(yù)測(cè)是基于綜合能源系統(tǒng)中電力、天然氣和熱能等能源的持續(xù)供應(yīng)水平。

式中:C33為系統(tǒng)能源短缺量;Pi為負(fù)荷點(diǎn)i處的負(fù)荷量;Ti為負(fù)荷點(diǎn)i處的停電時(shí)間;I為系統(tǒng)負(fù)荷點(diǎn)總數(shù)。

(8) 能源互聯(lián)及區(qū)域調(diào)度是指同一區(qū)域或不同區(qū)域之間能源網(wǎng)絡(luò)的相互連接與調(diào)度能力。

式中:C41為能源互聯(lián)及區(qū)域調(diào)度能力;Eex為互聯(lián)系統(tǒng)的可交換容量;為系統(tǒng)用能最大值。

(9) 管網(wǎng)損耗率反映系統(tǒng)能量傳輸過程中的能量損失,也是影響綜合能源系統(tǒng)中靈活性調(diào)用效率的一個(gè)因素。不同能量傳輸對(duì)應(yīng)的能量損耗不相同。

式中:C42為管網(wǎng)損失率;Qe為管道供能量;Qo為管道有效供能量。

(10) 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)緩受益能力(C43)可反映系統(tǒng)建設(shè)降低系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)初期投資成本或延緩其轉(zhuǎn)型升級(jí)的能力,用有功和無功功率的單位成本表示。

(11) 需求響應(yīng)占比率。

式中:C51為需求響應(yīng)占比率;Edm為需求響應(yīng)用能總量;Eu為系統(tǒng)用能總量。

(12) 電動(dòng)汽車有序充放電管理能力(C52)指在滿足電動(dòng)汽車充放電需求的前提下,運(yùn)用經(jīng)濟(jì)手段及技術(shù)措施引導(dǎo)、控制電動(dòng)汽車進(jìn)行有序充放電的能力。

(13) 儲(chǔ)能占比率指不同儲(chǔ)能形式所能提供的容量空間占比。

式中:C61為儲(chǔ)能占比率;Est為儲(chǔ)能容量。

(14) 儲(chǔ)能效率和放能效率(C62)分別指儲(chǔ)能側(cè)存儲(chǔ)能量與輸入總能量之比以及釋放能量與循環(huán)過程中充能容量之比。

(15) 系統(tǒng)靈活性能力具體指標(biāo)包括向上靈活性充裕度、向下靈活性充裕度、向上靈活性不足度和向下靈活性不足度。

式中:C71、C72、C73、C74分別為向上靈活性充裕度、向下靈活性充裕度、向上靈活性不足度、向下靈活性不足度;Eup,a、Edown,a、Eup,b和Edown,b為向上靈活性充裕量、向下靈活性充裕量、向上靈活性不足量、向下靈活性不足量;Tup,a、Tdown,a、Tup,b、Tdown,b分別為上調(diào)靈活性充裕時(shí)間、下調(diào)靈活性充裕時(shí)間、上調(diào)不足靈活性時(shí)間、下調(diào)不足靈活性時(shí)間。

1.3 局部級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)

局部級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)包括共性指標(biāo)、源側(cè)靈活性指標(biāo)、網(wǎng)側(cè)靈活性指標(biāo)、荷側(cè)靈活性指標(biāo)及儲(chǔ)側(cè)靈活性指標(biāo)。

其中,共性指標(biāo)包括:

(1) 安全性指標(biāo)。

① 設(shè)備可靠性。指設(shè)備在規(guī)定時(shí)間和條件下,能無故障地完成規(guī)定功能的能力。這種能力主要反映了設(shè)備的穩(wěn)定性、精度、準(zhǔn)確度及零件的耐用性和安全可靠性。

② 設(shè)備可用性。指設(shè)備在運(yùn)行的任意時(shí)刻,設(shè)備能正常工作的概率。通常,可用性是根據(jù)設(shè)備的故障時(shí)間來衡量的。

③ 資源裕量?！霸淳W(wǎng)荷儲(chǔ)”四側(cè)對(duì)資源的需求有一定的裕度值,設(shè)備只有在安全裕度范圍內(nèi)運(yùn)行才能保證系統(tǒng)的安全。

(2) 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

① 初始投資成本。指在初始階段生產(chǎn)或改善期間的固定費(fèi)用,不會(huì)因產(chǎn)品的使用或生產(chǎn)的數(shù)量而改變。

② 運(yùn)行成本。指在運(yùn)作過程中,每個(gè)資源的需求或需求所引起的變化產(chǎn)生的費(fèi)用,屬于靈活性資源的可變費(fèi)用。

③ 綜合效益。指在社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)中,被交換的對(duì)象以物的形式被轉(zhuǎn)讓而獲得的經(jīng)濟(jì)利益。這一過程牽涉到的對(duì)象很多,考慮的因素也比較復(fù)雜。

(3) 平移性指標(biāo)。

① 自然資源約束度。自然資源對(duì)靈活性資源具有一定的約束力。

② 社會(huì)資源約束度。獲得政策放寬或政策補(bǔ)貼的靈活性資源,其可遷移能力相對(duì)較小。

③ 受自我限制程度。靈活性資源的自我限制程度在一定程度上決定了其可遷移能力的大小。

(4) 環(huán)保性指標(biāo)。

① 碳排放總量。為促進(jìn)系統(tǒng)綠色環(huán)保運(yùn)行,以系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的碳排總量作為能源環(huán)保性的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

② 一次能源消耗率。設(shè)備一次能源耗能與設(shè)備總能源耗能之比。

源側(cè)靈活性指標(biāo)包括:

(1) 啟停時(shí)間。表示在系統(tǒng)及機(jī)組正常狀態(tài)下,供能設(shè)備啟動(dòng)或停運(yùn)所需要的時(shí)間。

(2) 最小穩(wěn)定出力,又稱技術(shù)最小出力。為保障機(jī)組安全,機(jī)組運(yùn)行時(shí)所必需達(dá)到的最小出力。

(3) 可調(diào)幅值,又稱可調(diào)出力。是供能單元可向上或向下調(diào)節(jié)的供能出力值,是衡量設(shè)備調(diào)節(jié)供能能力的一個(gè)重要指標(biāo)。

(4) 爬坡速率,也稱可調(diào)控速度。指設(shè)備資源的升、降負(fù)荷能力,是反映靈活調(diào)節(jié)源側(cè)靈活性調(diào)節(jié)快速響應(yīng)的指標(biāo)。

(5) 可持續(xù)時(shí)間。機(jī)組能在備用功率下維持運(yùn)行的最大時(shí)長(zhǎng)。

(6) 備用容量。指可用容量中超過可預(yù)測(cè)需求峰值的閑置份額,是衡量設(shè)備可用性的常用指標(biāo)。

網(wǎng)側(cè)靈活性指標(biāo)包括:

(1) 輸送容量裕度。是輸能線路在正常情況下允許輸送的最大容量與實(shí)際傳輸容量的差值比,是衡量輸能線路可調(diào)節(jié)靈活性的指標(biāo)。

(2) 調(diào)控響應(yīng)時(shí)間。指在靈活性調(diào)節(jié)過程中,能源網(wǎng)絡(luò)從接到需求命令或信息到做出響應(yīng)的時(shí)間。

(3) 可調(diào)控范圍。網(wǎng)側(cè)靈活性資源的可調(diào)控范圍反應(yīng)了其實(shí)際響應(yīng)需求空間的調(diào)控裕度。

(4) 可調(diào)控速度。網(wǎng)側(cè)靈活性資源的可調(diào)控速度是衡量靈活性資源響應(yīng)快慢的最常用指標(biāo)。

荷側(cè)靈活性指標(biāo)包括:

(1) 凈負(fù)荷波動(dòng)率。其反映了電/冷/熱凈負(fù)荷單位時(shí)間內(nèi)的波動(dòng)率。

(2) 負(fù)荷可調(diào)控量。指負(fù)荷側(cè)對(duì)各用能單位運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控,并在發(fā)生故障或響應(yīng)需求時(shí),能及時(shí)對(duì)各單位進(jìn)行管理調(diào)度的最大范圍。

(3) 可調(diào)控速度。指將負(fù)載側(cè)反饋的數(shù)據(jù)與實(shí)際參數(shù)相結(jié)合,并考慮到所有生產(chǎn)工作方式和裝運(yùn)控制指令的傳播速度。

(4) 電動(dòng)汽車可調(diào)度時(shí)段。指電動(dòng)汽車設(shè)定接入及離開時(shí),供電網(wǎng)調(diào)度的時(shí)間段。

(5) 電動(dòng)汽車可調(diào)度容量。指電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)時(shí),可供電網(wǎng)調(diào)度的容量。

儲(chǔ)側(cè)靈活性指標(biāo)包括:

(1) 儲(chǔ)能效率。指儲(chǔ)能元件儲(chǔ)存起來的電量與輸入能量之比。

(2) 可調(diào)容量,又叫可調(diào)出力。指儲(chǔ)能單元儲(chǔ)能出力值,其通常受成本、空間及整體容量等因素限制。

(3) 儲(chǔ)能響應(yīng)時(shí)間。指儲(chǔ)能設(shè)備從收到系統(tǒng)指令開始到設(shè)備啟動(dòng)開始充/放電的時(shí)間。

(4) 最大持續(xù)放電時(shí)間。指儲(chǔ)能設(shè)備能持續(xù)對(duì)用能系統(tǒng)放電的最長(zhǎng)小時(shí)數(shù)。

(5) 功率補(bǔ)償能力。儲(chǔ)能的功率補(bǔ)償能力是指儲(chǔ)能系統(tǒng)在供電或放電過程中,單位時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存或釋放的能量大小。

(6) 能量/功率吞吐能力。指一定時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)能設(shè)備能進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存和釋放的容量。

(7) 可輸出最大功率。指儲(chǔ)能設(shè)備在放電時(shí)能輸出的最大功率,由于電能和電壓是額定的,電池的輸出功率主要由放電電流決定。

2 基于綜合能源系統(tǒng)靈活性資源的綜合評(píng)估模型構(gòu)建

對(duì)綜合能源系統(tǒng)靈活性資源進(jìn)行評(píng)估的方法如表1所示,可見:每種評(píng)價(jià)方法都有其局限性,沒有評(píng)價(jià)方法可做到絕對(duì)全面又準(zhǔn)確。由于現(xiàn)階段對(duì)綜合能源系統(tǒng)中靈活性資源分類仍不夠明確,本文通過將層次分析法和模糊評(píng)價(jià)法相結(jié)合,來實(shí)現(xiàn)對(duì)綜合能源系統(tǒng)靈活性資源的綜合評(píng)估。

表1 不同評(píng)價(jià)方法的優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 Advantages and disadvantages of different evaluation methods

2.1 評(píng)估模型

本文構(gòu)建評(píng)估模型,對(duì)綜合能源系統(tǒng)靈活性資源進(jìn)行評(píng)估。首先,采用熵值法與層次分析法相結(jié)合的方法確定指標(biāo)權(quán)重;然后,將2個(gè)方法求得的權(quán)重進(jìn)行對(duì)應(yīng)結(jié)合來確定組合權(quán)重,并考慮到綜合能源系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)性,涉及評(píng)價(jià)靈活性資源的指標(biāo)會(huì)隨系統(tǒng)變化而變化,因此通過變權(quán)法修正組合權(quán)重,最終得到變權(quán)指標(biāo)權(quán)重;再采用模糊評(píng)價(jià)法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),最后利用SPSSAU 軟件進(jìn)行計(jì)算。模型評(píng)估流程如圖3所示。

圖3 本文靈活性資源評(píng)估模型的評(píng)估流程Fig.3 Evaluation process of flexibility resource assessment model in this paper

圖4 層次分析法流程圖Fig.4 Flowchart of analytic hierarchy process

2.2 評(píng)估流程

2.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

(1) 層次分析法。

多標(biāo)準(zhǔn)決策技術(shù)最初是為幫助個(gè)人、少數(shù)專家或特定問題中的幾個(gè)利益相關(guān)者進(jìn)行復(fù)雜決策而創(chuàng)建的;隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大、決策者數(shù)量的增加,決策不僅出現(xiàn)在理論層面,還涉及到實(shí)際參與的問題。

本文的研究對(duì)象為綜合能源系統(tǒng)的靈活性資源,評(píng)價(jià)體系包括系統(tǒng)級(jí)、局部級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。為將定性問題轉(zhuǎn)為定量分析,在目標(biāo)層的評(píng)價(jià)下,準(zhǔn)則層各要素進(jìn)行兩兩比較;準(zhǔn)則層與指標(biāo)層建立判斷矩陣,在準(zhǔn)則層的評(píng)價(jià)下,指標(biāo)層各要素進(jìn)行兩兩比較。在比較過程中,采用1-9標(biāo)度法將結(jié)果定量化,具體如表2所示。表中:標(biāo)度值aij表示因素i相對(duì)因素j的重要性,aii=1,aij=aji。

表2 構(gòu)建判斷矩陣的因素的重要性比較Table 2 Importance comparison of the factors in constructing judgment matrix

邀請(qǐng)行業(yè)專家填寫評(píng)分問卷,利用yaahp軟件,構(gòu)造因素比較的判斷矩陣。如果比較結(jié)果與判斷結(jié)果不一致,構(gòu)建出判斷矩陣后要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。檢驗(yàn)與趨勢(shì)分析如下:

式中:CCI為一致性指標(biāo),當(dāng)CCI=0時(shí),判斷矩陣具有完全的一致性,CCI越大判斷矩陣一致性越差;λmax為矩陣最大特征根;n為矩陣的階數(shù)。

平均隨機(jī)一致性指標(biāo)CRI是依據(jù)判斷矩陣的階數(shù)確定的常數(shù),取值如表3所示。

表3 CRI 指標(biāo)對(duì)照Table 3 Comparison of CRI

一致性比率CCR為

當(dāng)且僅當(dāng)CCR≤1時(shí),判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)通過,否則應(yīng)重新調(diào)整判斷矩陣,最終通過檢驗(yàn)。

(2) 熵值法。

熵值法是一種在具體應(yīng)用過程中計(jì)算客觀權(quán)重的有效方法,該方法根據(jù)每個(gè)指數(shù)的變化過程來決定熵值。

(3) 組合權(quán)重。

主觀權(quán)重法基于屬性本身的重要性的權(quán)重,但缺乏客觀性?？陀^權(quán)重法根據(jù)權(quán)重決定屬性,不考慮屬性的實(shí)際價(jià)值,因此并不能反映決策者對(duì)各種屬性的高度重視程度。在確定權(quán)重時(shí),需要考慮到各種主觀權(quán)重方法的優(yōu)缺點(diǎn)及決策者對(duì)屬性的偏好,盡量減少主觀隨機(jī)性。因此,合理的加權(quán)方法應(yīng)該基于指標(biāo)數(shù)據(jù)與專家經(jīng)驗(yàn)之間的內(nèi)在規(guī)則來對(duì)決策指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)。

(4) 根據(jù)變權(quán)函數(shù)修正權(quán)重。

主流靈活性資源評(píng)價(jià)指標(biāo)研究大多偏靜態(tài),然而,綜合能源系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展過程,包括電力供應(yīng)、負(fù)載應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)傳輸和存儲(chǔ)能源等環(huán)節(jié),每個(gè)環(huán)節(jié)都存在相互的反饋。因此,在研究綜合能源系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí),靜態(tài)指標(biāo)不能客觀評(píng)價(jià)這個(gè)動(dòng)態(tài)的、相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)。因此,本文采用了變權(quán)方法修正權(quán)重。

2.2.2 模糊綜合評(píng)價(jià)

本文通過制定系統(tǒng)級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系調(diào)查問卷,邀請(qǐng)電氣、暖通、熱能、制冷、機(jī)械等領(lǐng)域的專家進(jìn)行評(píng)分,從而明確各指標(biāo)的隸屬度。

第i個(gè)評(píng)價(jià)因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的隸屬程度Ri=［ri1,ri2,ri3,…,rim］(i=1,2,3,…,n),構(gòu)造隸屬度矩陣R如下:

式中0≤rij≤1,要根據(jù)獲得指標(biāo)權(quán)重,獲得最終的指數(shù)。

在評(píng)價(jià)某一事物時(shí),往往難以進(jìn)行量化的比較,因此通常采用一些邊界較為模糊的評(píng)語(yǔ)來描述,例如“很小靈活”“較小靈活”“一般靈活”“較大靈活”“非常靈活”等。本文通過采用專家打分法和問卷調(diào)查相結(jié)合的方式,將評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理,從而得到定性的指標(biāo)隸屬度:

式中:U為隸屬度;u為行業(yè)專家總?cè)藬?shù);u1、u2、u3、u4、u5為不同分?jǐn)?shù)段打分專家人數(shù)。

2.3 綜合能源系統(tǒng)靈活性資源價(jià)值評(píng)估

2.3.1 指標(biāo)權(quán)重確定

目標(biāo)層(A),對(duì)綜合能源系統(tǒng)靈活性資源價(jià)值進(jìn)行評(píng)價(jià);準(zhǔn)則層(B),包括能源供應(yīng)輸出(其指標(biāo)為B1)、高比例可再生能源消納(其指標(biāo)為B2)、系統(tǒng)供能可靠性(其指標(biāo)為B3)、能源網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)(其指標(biāo)為B4)、負(fù)荷需求(其指標(biāo)為B5)、儲(chǔ)能(其指標(biāo)為B6)和系統(tǒng)靈活性能力(其指標(biāo)為B7);具體指標(biāo)層(C)為系統(tǒng)級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的三級(jí)指標(biāo)。

A-B判斷矩陣及指標(biāo)權(quán)重如表4所示,判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)已通過。

表4 A-B判斷矩陣及指標(biāo)權(quán)重Table 4 A-B judgment matrix and indicator weights

以能源供給輸出準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)指標(biāo)為例,進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算和數(shù)據(jù)處理,結(jié)果如表5所示。

表5 B-C判斷矩陣及其權(quán)重Table 5 B-C judgment matrix and indicator weights

將層次分析法與變權(quán)法相結(jié)合,最終確定綜合能源系統(tǒng)靈活性資源價(jià)值評(píng)價(jià)各指標(biāo)權(quán)重,如表6所示。

表6 綜合能源系統(tǒng)靈活性資源價(jià)值評(píng)價(jià)各指標(biāo)權(quán)重Table 6 Indicator weights for evaluating the value of flexibility resources in integrated energy system

2.3.2 定量定性指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

在確定權(quán)重的基礎(chǔ)上,提出針對(duì)靈活性資源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的定性定量指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。評(píng)價(jià)等級(jí)設(shè)定為“很小靈活”“較小靈活”“一般靈活”“較大靈活”“非常靈活”5個(gè)類型。如表7所示。

表7 系統(tǒng)級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)區(qū)分Table 7 Grading of evaluation criteria at the system level

2.3.3 定量定性指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

利用SPSSAU 軟件,將專家評(píng)估問卷導(dǎo)入軟件中,確定權(quán)重向量矩陣,構(gòu)造權(quán)重判斷矩陣,計(jì)算權(quán)重并進(jìn)行決策評(píng)價(jià)。權(quán)重計(jì)算結(jié)果如表8所示,可見:在“很小靈活”“較小靈活”“一般靈活”“較大靈活”“非常靈活”5個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)中,“非常靈活”占比最高。

表8 系統(tǒng)級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)Table 8 Grading of system-level evaluation indicators

3 靈活性資源實(shí)例評(píng)價(jià)分析

3.1 園區(qū)概況

本文以上海市某典型園區(qū)為例,對(duì)園區(qū)內(nèi)的靈活性資源現(xiàn)狀進(jìn)行梳理和分析,并針對(duì)某一靈活性需求響應(yīng)場(chǎng)景,提出不同的靈活性資源調(diào)度方案。根據(jù)構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和綜合評(píng)估模型,對(duì)不同的靈活性調(diào)度方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.2 靈活性資源調(diào)用方案匹配研究

對(duì)于城市級(jí)綜合能源系統(tǒng)或能源站,為保持電負(fù)荷曲線的平穩(wěn)并增加熱負(fù)荷的輸出,本園區(qū)可選擇燃?xì)馊?lián)供分布式能源系統(tǒng)或柴油發(fā)電機(jī)。在制冷/加熱工況下,熱泵與電鍋爐及常規(guī)冷水機(jī)組和蓄能系統(tǒng)聯(lián)合進(jìn)行制冷/加熱操作,起到了調(diào)節(jié)負(fù)荷的作用。在常規(guī)供熱系統(tǒng)中,蓄能設(shè)備對(duì)于穩(wěn)定末端負(fù)荷及確保分布式能源的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用,電鍋爐也是園區(qū)常用的供能方式。本區(qū)域園區(qū)的特色設(shè)施包括水蓄能與儲(chǔ)能電站,它們可提供電負(fù)荷和冷/熱負(fù)荷。根據(jù)前文所述的需求響應(yīng)場(chǎng)景及該場(chǎng)景下的靈活性資源調(diào)度目標(biāo),將在本園區(qū)的靈活性資源供應(yīng)的基礎(chǔ)上制定不同的調(diào)度方案,具體如表9所示。

表9 調(diào)度方案設(shè)計(jì)表Table 9 Design table of scheduling plans

3.3 靈活性資源評(píng)價(jià)

3.3.1 資源評(píng)價(jià)

(1) 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)比較。

根據(jù)局部級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及專家評(píng)分得出圖5所示燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、柴油機(jī)指標(biāo)權(quán)重雷達(dá)圖,可見:燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的靈活性和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于柴油發(fā)電機(jī),但平移性和安全性弱于柴油發(fā)電機(jī)。

圖5 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、柴油機(jī)指標(biāo)權(quán)重雷達(dá)圖Fig.5 Radar chart of indicators and weights for gas internal combustion engine and diesel engine

經(jīng)過專家打分和模糊綜合評(píng)價(jià)法得到的具體靈活性結(jié)果如表10所示,由“非常靈活”的權(quán)重?cái)?shù)值可知:燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的靈活性優(yōu)于柴油發(fā)電機(jī)。

表10 柴油發(fā)電機(jī)與燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)靈活性分析Table 10 Flexibility analysis of diesel generator and gas internal combustion engine

(2) 熱泵、電鍋爐、燃?xì)忮仩t比較。

根據(jù)專家評(píng)分得出圖6所示熱泵、燃?xì)忮仩t、電鍋爐指標(biāo)權(quán)重雷達(dá)圖,可見:燃?xì)忮仩t的靈活性最好;熱泵則在經(jīng)濟(jì)性與安全性方面表現(xiàn)良好;相比之下,電鍋爐的性能較差。因此,選擇燃?xì)忮仩t和熱泵是比較好的選擇。

圖6 熱泵、燃?xì)忮仩t、電鍋爐指標(biāo)權(quán)重雷達(dá)圖Fig.6 Radar chart of weight indicators for heat pump,gas boiler and electric boiler

(3) 電網(wǎng)、氣網(wǎng)比較。

根據(jù)專家評(píng)分得出圖7所示能源傳輸側(cè)指標(biāo)權(quán)重雷達(dá)圖,可見:電網(wǎng)在靈活性、環(huán)保性、平移性、安全性4個(gè)方面都優(yōu)于氣網(wǎng);但在經(jīng)濟(jì)性方面,氣網(wǎng)的權(quán)重高于電網(wǎng)?？紤]到誤差及各專家打分的主觀性,這個(gè)結(jié)論是可接受的。

圖7 能源傳輸側(cè)指標(biāo)權(quán)重雷達(dá)圖Fig.7 Radar chart of indicator weights on the energy transmission side

(4) 水蓄能、儲(chǔ)能電站比較。

本園區(qū)的儲(chǔ)能電站主要采用磷酸鋰鐵電池組,由圖8所示水蓄能、儲(chǔ)能電站評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重雷達(dá)圖可見:儲(chǔ)能電站的靈活性和平移性優(yōu)于水蓄能;但在經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保方面,水蓄能更優(yōu)。

圖8 水蓄能、儲(chǔ)能電站評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重雷達(dá)圖Fig.8 Radar chart of evaluation indicator weights for pumped storage and energy storage stations

3.3.2 方案評(píng)價(jià)

根據(jù)資源評(píng)價(jià),對(duì)不同方案進(jìn)行評(píng)估,得到圖9所示雷達(dá)分析圖。

圖9 不同方案評(píng)價(jià)指標(biāo)雷達(dá)圖Fig.9 Radar chart of evaluation indicators for different schemes

由圖9可見:使用柴油機(jī)的方案1—3,其環(huán)保性較差;在考慮靈活性方面,方案3顯示出最高的靈活性。在包含燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的方案中,方案5、7、8展現(xiàn)出較高的靈活性,在這3種方案中,方案7、8的經(jīng)濟(jì)性更為優(yōu)秀。因此,將選取方案3—8進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)。

根據(jù)本文所提出的綜合能源系統(tǒng)局部級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,共邀請(qǐng)7位行業(yè)內(nèi)專家,應(yīng)用模糊綜合評(píng)估方法,對(duì)不同方案的靈活性進(jìn)行評(píng)分。在方案評(píng)價(jià)過程中,設(shè)置如下評(píng)語(yǔ)集:{非常靈活,較大靈活,一般靈活,較小靈活,很小靈活};并給出了相應(yīng)的等級(jí)評(píng)分:V=［95,85,75,65,55］;B為各方案的5個(gè)靈活性程度對(duì)應(yīng)的權(quán)重矩陣。

將評(píng)價(jià)結(jié)果化成百分制:P=VBT=69.01。根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行計(jì)算后,方案3的評(píng)分約為69分,評(píng)價(jià)結(jié)果為“較小靈活”。同理可得:方案4的評(píng)分約為71分,評(píng)價(jià)結(jié)果為“一般靈活”;方案5的評(píng)分約為81分,評(píng)價(jià)結(jié)果為“較大靈活”;方案6的評(píng)分約為67分,評(píng)價(jià)結(jié)果為“較小靈活”;方案7的評(píng)分約為77分,評(píng)價(jià)結(jié)果為“一般靈活”;方案8的評(píng)分約為78分,評(píng)價(jià)結(jié)果為“一般靈活”。

各方案得分如圖10所示,可見:靈活性得分較高的為方案5、方案7和方案8,其中方案5最高。但參考圖9可看出,方案5的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性及安全性都要弱于方案7和方案8,綜合考慮下方案7、8更優(yōu)。

圖10 部分方案得分比較Fig.10 Score comparison for some schemes

4 結(jié)論

本文遵循指標(biāo)構(gòu)建五大原則,構(gòu)建了包括系統(tǒng)級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和局部級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的綜合能源系統(tǒng)靈活性資源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并根據(jù)綜合能源系統(tǒng)靈活性評(píng)價(jià)框架,結(jié)合層次分析法與模糊評(píng)價(jià)法進(jìn)行綜合評(píng)估。最后以某典型能源站供能園區(qū)為例,應(yīng)用構(gòu)建模型進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。通過對(duì)8種方案進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的雷達(dá)圖分析和模糊綜合評(píng)價(jià),分析得到靈活性得分最高的為“燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)+燃?xì)忮仩t”方案,但是綜合考慮到經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、安全性等多個(gè)方面,“燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)+熱泵+水蓄能”和“燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)+熱泵+儲(chǔ)能電站”方案更為突出。

本文主要基于靈活性資源分析理論,形成相應(yīng)的評(píng)估方法。后續(xù)還應(yīng)該根據(jù)靈活性資源的特性,增加相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo),并不斷完善評(píng)估模型,最終形成評(píng)估“工具包”,以便對(duì)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)等全過程進(jìn)行深入的理論和應(yīng)用研究。