劉洋愷，孫偉卿，劉 唯

（1上海理工大學(xué)電氣工程系，上海 200093；2雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610051）

在2020 年9 月，中國(guó)提出了“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，但由于我國(guó)主要依賴(lài)傳統(tǒng)火電等發(fā)電方式，導(dǎo)致碳排放量較高。隨后，中國(guó)逐年提高新能源發(fā)電比例，盡管面臨風(fēng)能和太陽(yáng)能等新能源發(fā)電不穩(wěn)定性帶來(lái)的問(wèn)題[1]，如高棄風(fēng)棄光率，再加上不斷增長(zhǎng)的能源需求和電能需求峰谷差[2]，這些現(xiàn)象都對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了挑戰(zhàn)。因此，電力儲(chǔ)能系統(tǒng)備受關(guān)注。由于儲(chǔ)能技術(shù)能夠迅速、靈活地調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率，參與電力系統(tǒng)的調(diào)峰調(diào)頻以及新能源發(fā)電的消納，有效解決了電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行所面臨的威脅。

不同類(lèi)型的儲(chǔ)能系統(tǒng)具有技術(shù)差異，為滿(mǎn)足新型電力系統(tǒng)各種情況和大規(guī)模用電需求，需要綜合應(yīng)用多種儲(chǔ)能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)功率和能量在不同時(shí)間尺度上的平衡，同時(shí)考慮儲(chǔ)能的安全性和環(huán)境影響等問(wèn)題，從而獲得最佳技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益[3]。在考慮經(jīng)濟(jì)性方面，文獻(xiàn)[4]詳細(xì)分析了各種儲(chǔ)能裝置，包括壽命、效率和能量功率密度等指標(biāo)。以電化學(xué)儲(chǔ)能為例，具有響應(yīng)速度較快，能根據(jù)功率需求靈活配置容量，并且在電池組方面具備適應(yīng)性，不易受地理環(huán)境等外界條件制約[4]。

但對(duì)儲(chǔ)能的相關(guān)研究中，缺少對(duì)特定環(huán)境及問(wèn)題下的儲(chǔ)能配置選擇的系統(tǒng)方法，本工作就該現(xiàn)象進(jìn)行研究，提出一種系統(tǒng)地選擇儲(chǔ)能類(lèi)型的方法。文獻(xiàn)[5]提出了AHP 對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)類(lèi)型的選擇，該方法從對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能的具體型號(hào)選擇拓展至所有類(lèi)型的儲(chǔ)能，且對(duì)方法進(jìn)行了簡(jiǎn)化，僅通過(guò)專(zhuān)家打分和九級(jí)標(biāo)度法對(duì)各種類(lèi)型的儲(chǔ)能打分然后獲得權(quán)重從而得出最好的選擇；文獻(xiàn)[6]中建立決策指標(biāo)集，其中包含目標(biāo)層、決策層和方案層，目標(biāo)層為儲(chǔ)能選型的追求目標(biāo)，即儲(chǔ)能系統(tǒng)的適用性，決策層中包含兩層指標(biāo)，第1層為決策指標(biāo)大類(lèi)，包含技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)成本、環(huán)境方面和技術(shù)成熟度指標(biāo)，第2層指標(biāo)是第1 層指標(biāo)的子指標(biāo)，包含技術(shù)安全性、規(guī)?；潭取⒆苑烹娐屎晚憫?yīng)速度等指標(biāo)；文獻(xiàn)[7]提出了將模糊綜合評(píng)價(jià)法應(yīng)用在儲(chǔ)能選型中，通過(guò)因素集合和評(píng)語(yǔ)集合得到對(duì)某些型號(hào)在某個(gè)指標(biāo)下的評(píng)價(jià)集合，而后完成多個(gè)指標(biāo)下的評(píng)價(jià)最終獲得評(píng)價(jià)矩陣而后求得隸屬度，隸屬度越高越好。以上文獻(xiàn)僅通過(guò)一種選型方法對(duì)儲(chǔ)能類(lèi)型打分并做出選擇，而由于AHP 法的固有缺陷，如每位專(zhuān)家的研究領(lǐng)域不同，可能會(huì)因?yàn)橐欢ǖ闹饔^性造成判斷失誤，并且也沒(méi)有引入其他的方法來(lái)消除可能出現(xiàn)的判斷失誤；另外文獻(xiàn)中AHP 法中考慮的指標(biāo)數(shù)量較少，與當(dāng)前儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境存在較大差別，不能更全面地評(píng)估儲(chǔ)能類(lèi)型。根據(jù)上述對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)選型方法的優(yōu)缺點(diǎn)分析，對(duì)方法的缺點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，所以本工作通過(guò)引入優(yōu)劣解距離發(fā)法(TOPSIS)弱化評(píng)分的主觀性對(duì)AHP 法進(jìn)行改進(jìn)，獲得更客觀的權(quán)重向量；同時(shí)擴(kuò)充目標(biāo)層、決策層和方案層的內(nèi)容，使其符合當(dāng)前的儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景；然后與模糊法結(jié)合，得到儲(chǔ)能評(píng)價(jià)隸屬度并取最大值所在等級(jí)為最終評(píng)價(jià)結(jié)果。

綜上所述，儲(chǔ)能系統(tǒng)是未來(lái)電力系統(tǒng)發(fā)展不可或缺的一部分。為確保電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全與穩(wěn)定，選擇合適的儲(chǔ)能裝置成為關(guān)鍵一環(huán)。本工作提出一種新的儲(chǔ)能選型方式來(lái)構(gòu)建新型綜合儲(chǔ)能評(píng)價(jià)體系，通過(guò)各類(lèi)型儲(chǔ)能的技術(shù)特征，然后經(jīng)TOPSIS獲得更為客觀的權(quán)重向量，與模糊綜合分析法結(jié)合，通過(guò)充分考慮評(píng)價(jià)過(guò)程中的模糊性和不確定性，可以提高評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，找到最優(yōu)的儲(chǔ)能方案，最后通過(guò)算例仿真得出仿真結(jié)果，驗(yàn)證該方法。

1 各類(lèi)型儲(chǔ)能系統(tǒng)性能分析

目前儲(chǔ)能類(lèi)型多樣，除了抽水蓄能等傳統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)，也漸漸發(fā)展出了超級(jí)電容等新型技術(shù)。根據(jù)不同儲(chǔ)能技術(shù)的工作原理，可以將儲(chǔ)能分為物理儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能和電化學(xué)儲(chǔ)能三種類(lèi)型。物理儲(chǔ)能包括飛輪儲(chǔ)能(FES)、壓縮空氣儲(chǔ)能(CAES)等形式；電磁儲(chǔ)能包括超級(jí)電容(SC)等；電化學(xué)儲(chǔ)能則包括鈉-硫電池(NaS)、鋰離子電池(LIB)、鉛酸電池(VRLAB)、液流電池(LFB)等形式，并且隨著技術(shù)的發(fā)展還會(huì)有更多新的儲(chǔ)能技術(shù)出現(xiàn)。眾多儲(chǔ)能技術(shù)的出現(xiàn)也對(duì)工程實(shí)際中如何選擇合適的儲(chǔ)能類(lèi)型造成了影響，所以在使用儲(chǔ)能選型方法之前，要對(duì)所有類(lèi)型的性能指標(biāo)進(jìn)行梳理。主要的性能指標(biāo)有功率等級(jí)、響應(yīng)時(shí)間、能量密度、功率密度、能量轉(zhuǎn)換效率等。性能指標(biāo)不同，則該類(lèi)型的儲(chǔ)能適應(yīng)場(chǎng)景也會(huì)發(fā)生變化，且工程實(shí)際應(yīng)用中情況復(fù)雜，所以要經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的方法判斷。本工作對(duì)現(xiàn)有的主要儲(chǔ)能技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行總結(jié)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 主要儲(chǔ)能技術(shù)的技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical specifications of major energy storage technologies

2 基于AHP 和TOPSIS-模糊綜合分析法的評(píng)價(jià)模型

2.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)適應(yīng)場(chǎng)景分析

由于在不同場(chǎng)景下儲(chǔ)能的適應(yīng)性不同，所以將通過(guò)設(shè)置削峰填谷、電網(wǎng)保供電以及改善電壓質(zhì)量等場(chǎng)景來(lái)說(shuō)明本工作的儲(chǔ)能選型方法的有效性。儲(chǔ)能的備選方案包括LIB、NaS、VRLAB、LFB、CAES、FES、SC這七種儲(chǔ)能類(lèi)型，且假設(shè)不同場(chǎng)景下均具備建造上述儲(chǔ)能電站的地理?xiàng)l件。

對(duì)于以上儲(chǔ)能類(lèi)型的技術(shù)特性指標(biāo)，通過(guò)九級(jí)標(biāo)度法對(duì)上述儲(chǔ)能的合適程度進(jìn)行標(biāo)度，各類(lèi)型的儲(chǔ)能技術(shù)的基礎(chǔ)特性參見(jiàn)附錄A1(https://esst.cip.com.cn/CN/10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0624)。同時(shí)參考國(guó)內(nèi)其他儲(chǔ)能選型判斷矩陣的數(shù)據(jù)資料[15-17]，結(jié)合專(zhuān)家打分意見(jiàn)，并根據(jù)九級(jí)標(biāo)度法構(gòu)建判斷矩陣中的各個(gè)元素，從而得出判斷矩陣。然后通過(guò)AHP法對(duì)矩陣處理得出指標(biāo)的權(quán)重向量，同時(shí)引入TOPSIS法處理判斷矩陣，結(jié)合AHP法得出的權(quán)重向量計(jì)算TOPSIS的貼進(jìn)度，并將這一結(jié)果當(dāng)作最終的指標(biāo)權(quán)重；然后通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能做模糊綜合評(píng)價(jià)處理，得出關(guān)系向量，再對(duì)某個(gè)準(zhǔn)則層下的指標(biāo)的關(guān)系向量疊加得到關(guān)系矩陣，此時(shí)得到的關(guān)系矩陣與指標(biāo)權(quán)重相乘得到隸屬度向量，向量中的元素最大值所在的位置即為最終評(píng)價(jià)的等級(jí)。具體流程如圖1所示。

圖1 基于AHP和TOPSIS-模糊綜合評(píng)價(jià)法的流程圖Fig.1 Flow chart based on AHP and TOPSIS-fuzzy comprehensive evaluation method

2.2 AHP模型

AHP是一種多層次、系統(tǒng)化的解決方法，通過(guò)規(guī)范化和數(shù)量化的方式引導(dǎo)人們的思維過(guò)程和主觀判斷，從而顯著減少了許多不確定因素的影響。這種方法簡(jiǎn)化了系統(tǒng)分析和計(jì)算工作，幫助決策者在判斷和決策過(guò)程中保持一致的思維過(guò)程。

通過(guò)文獻(xiàn)[18]和實(shí)際應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)，提供了儲(chǔ)能產(chǎn)品的適用性評(píng)估模式，內(nèi)容如圖2所示，共包括四層架構(gòu)：目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層和方案層。目標(biāo)層面是儲(chǔ)能的衡量對(duì)象，即適用性；準(zhǔn)則層面提供了衡量?jī)?chǔ)能實(shí)用性的標(biāo)準(zhǔn)因素，包括技術(shù)特性、壽命周期內(nèi)的年收益、壽命周期內(nèi)的年投入和集成度。指標(biāo)層通常是在標(biāo)準(zhǔn)層下所設(shè)定的指標(biāo)因素，例如技術(shù)性能準(zhǔn)則下設(shè)置了4個(gè)指標(biāo)因素，分別為安全性、循環(huán)壽命、循環(huán)效率和放電深度；壽命周期內(nèi)系統(tǒng)效益準(zhǔn)則下設(shè)置了3 個(gè)指標(biāo)因素[19]，分別為削峰填谷套利效益、延緩電網(wǎng)升級(jí)效益、減少備用容量效益；壽命周期內(nèi)系統(tǒng)成本準(zhǔn)則下設(shè)置2 個(gè)指標(biāo)因素[20]，分別為年投資成本，包含容量、功率和輔助設(shè)備成本，以及年運(yùn)維成本；集成度準(zhǔn)則下設(shè)置了2個(gè)指標(biāo)因素，分別為功率密度和能量密度；方案層為所有備選的儲(chǔ)能技術(shù)方案。準(zhǔn)則層中技術(shù)性能、成熟度等七個(gè)指標(biāo)均是通過(guò)文中所提出的評(píng)價(jià)體系流程得到的評(píng)價(jià)結(jié)果，且由于七個(gè)指標(biāo)的計(jì)算流程一致，下面僅以準(zhǔn)則層中的一個(gè)指標(biāo)為例說(shuō)明計(jì)算流程中所用到的數(shù)學(xué)模型。

圖2 儲(chǔ)能的適用性模型Fig.2 Applicability model for energy storage

層次分析法判斷方案的流程如下：

第1步：通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)層中的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行逐一比較，得出相對(duì)標(biāo)度，獲得判斷矩陣：

式中，n代表指標(biāo)個(gè)數(shù)。aij為矩陣A中的任意一個(gè)元素，即表示指標(biāo)之間的相對(duì)重要程度，其數(shù)值選擇根據(jù)九級(jí)標(biāo)度法得出，其含義如表2所示。

表2 九級(jí)標(biāo)度法含義Table 2 Meaning of the nine-level scale

第2步：計(jì)算判斷矩陣按列歸一化后的矩陣：

第3步：標(biāo)準(zhǔn)層的特征向量：

第4 步：權(quán)重向量λ的合理性需要通過(guò)判斷矩陣A(aij)n×n的一致性指標(biāo)CR進(jìn)行校驗(yàn)：

式中，CI是一致性指標(biāo)：

而上式中λmax為特征向量的最大值，其計(jì)算方式如下：

式中，m是方案的個(gè)數(shù)；RI是平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，其具體值一般由查表獲得[22]，如表3所示。

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)Table 3 Average random consistency metric

當(dāng)CR≤0.1時(shí)，判斷矩陣KX通過(guò)一致性校驗(yàn)。若校驗(yàn)不通過(guò)，則需要重新對(duì)判斷矩陣KX內(nèi)各元素的值重新評(píng)價(jià)，直至判斷矩陣KX通過(guò)一致性校驗(yàn)。

2.3 TOPSIS模型

通過(guò)AHP 獲得的權(quán)重向量，再與TOPSIS 法結(jié)合得到新權(quán)重向量，弱化AHP 法中的主觀性，使判斷更準(zhǔn)確。TOPSIS又名優(yōu)劣解距離法，通過(guò)不同方案的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行評(píng)價(jià)，反映不同方案之間的差距，以此得到最優(yōu)方案。

以下是通過(guò)TOPSIS和AHP整合的流程：

第1 步：構(gòu)造評(píng)價(jià)矩陣，選定儲(chǔ)能方案集合，而后選定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集合得出評(píng)級(jí)矩陣：

xij為矩陣A中的任意一個(gè)元素，即某型號(hào)儲(chǔ)能在某項(xiàng)評(píng)分中的具體得分。

第2步：標(biāo)準(zhǔn)化矩陣。由于不同的評(píng)價(jià)項(xiàng)目有不同的量綱，所以要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，下列兩式對(duì)應(yīng)極大型和極小型指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算方法[21]：

式中，vij是處理后的結(jié)果，maxxj和minxj是評(píng)價(jià)矩陣中某一項(xiàng)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的值。

第3步：構(gòu)造加權(quán)矩陣，將標(biāo)準(zhǔn)化后的矩陣與通過(guò)AHP得出的權(quán)重z結(jié)合得到判斷矩陣：

第4步：正負(fù)理想解：

第5步：歐氏距離：

第6步：貼進(jìn)度：

貼進(jìn)度由大到小排列，數(shù)值越大方案的優(yōu)先級(jí)越高。

2.4 模糊綜合分析法

模糊綜合分析法是對(duì)在儲(chǔ)能體系運(yùn)行評(píng)價(jià)過(guò)程中出現(xiàn)的界限不明確、無(wú)法定量的指標(biāo)加以量化,從而更容易實(shí)現(xiàn)綜合評(píng)估[22]。模糊綜合評(píng)價(jià)分析的基礎(chǔ)是模糊數(shù)學(xué)，其具體方法是將所有待考慮的模糊對(duì)象及其反映模糊對(duì)象特征的模糊范疇作為相應(yīng)的模糊集合，設(shè)置相應(yīng)的隸屬函數(shù)，并利用模糊集合論中的相關(guān)計(jì)算與變換方法，對(duì)模糊對(duì)象特征作出定量分析。首先建立了5 級(jí)評(píng)價(jià)等級(jí)及評(píng)分準(zhǔn)則，分別是“很好”“良好”“一般”“較差”“很差”，如表4 所示。Xi為第X項(xiàng)準(zhǔn)則的第i個(gè)指標(biāo)因素的實(shí)際數(shù)值，xi1～xi4分別為第i個(gè)指標(biāo)和因素在不同評(píng)價(jià)等級(jí)的閾值，s1～s4分別為不同評(píng)價(jià)等級(jí)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。

表4 評(píng)分準(zhǔn)則Table 4 Scoring criteria

第i個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)計(jì)算公式如式(14)所示：

式中，0 ≤f(Xi)≤100。

根據(jù)各指標(biāo)因素的評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)f(Xi)，通過(guò)對(duì)梯形隸屬度函數(shù)進(jìn)行歸一化處理，可以計(jì)算出各指標(biāo)因素在不同評(píng)價(jià)等級(jí)下的隸屬度。梯形隸屬度函數(shù)的梯形等級(jí)與評(píng)價(jià)等級(jí)是一一對(duì)應(yīng)的，所以本課題使用了五階梯形隸屬度函數(shù)對(duì)評(píng)定分?jǐn)?shù)進(jìn)行歸一化計(jì)算，其上一梯形等級(jí)和下一梯形等級(jí)的交匯點(diǎn)為不同評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的邊界值[23]，如圖3所示。

圖3 五級(jí)梯形隸屬度函數(shù)Fig.3 Five-level trapezoidal membership function

橫坐標(biāo)f(Xi)為某指標(biāo)的評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)，縱坐標(biāo)μf(Xi)為該評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)在某一評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度，范圍為[0, 1]。由上述計(jì)算過(guò)程可以得到某一指標(biāo)在5個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)中各個(gè)等級(jí)的隸屬度數(shù)值，這5個(gè)數(shù)值組合可獲得關(guān)系向量ri，如式(15)所示：

因此，由上述內(nèi)容可得，將某一項(xiàng)準(zhǔn)則層下的所有關(guān)系矩陣疊加，可得第X項(xiàng)準(zhǔn)則下設(shè)置指標(biāo)因素的關(guān)系矩陣GX如式(16)所示：

上述內(nèi)容就是本工作所描述的評(píng)價(jià)體系中方法的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)引入TOPSIS 法與AHP 法結(jié)合，弱化AHP法在構(gòu)建評(píng)價(jià)矩陣時(shí)專(zhuān)家打分的主觀性，獲得更客觀的權(quán)重向量；而將模糊概念和模糊對(duì)象視為已定義的模糊集，建立適當(dāng)?shù)碾`屬度函數(shù)，同時(shí)利用模糊集理論的適當(dāng)運(yùn)算和變換對(duì)模糊對(duì)象進(jìn)行定量分析，從而引入模糊綜合分析法；最終，將評(píng)價(jià)隸屬度數(shù)值與權(quán)重向量相乘，以找到最優(yōu)的儲(chǔ)能方案，確保評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

3 算例分析

本工作選取了第1 部分提及的七種儲(chǔ)能類(lèi)型，并通過(guò)第2部分所建立的儲(chǔ)能評(píng)價(jià)體系進(jìn)行仿真運(yùn)算，通過(guò)不同環(huán)境下的仿真運(yùn)算結(jié)果來(lái)判斷最合適的儲(chǔ)能類(lèi)型。

以準(zhǔn)則層為主，從技術(shù)性能、成熟度、系統(tǒng)效益、系統(tǒng)成本、集成度、安全性能、環(huán)境影響這七個(gè)指標(biāo)出發(fā)[18]，參考國(guó)內(nèi)其他儲(chǔ)能選型判斷矩陣的數(shù)據(jù)資料，進(jìn)而得出削峰填谷、電網(wǎng)保供電和改善電壓質(zhì)量這三個(gè)場(chǎng)景的判斷矩陣。然后與TOPSIS法結(jié)合得出權(quán)重向量，最后與模糊綜合分析法結(jié)合得出最終結(jié)論。模糊綜合分析法的數(shù)據(jù)及評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)如附錄A2(https://esst.cip.com.cn/CN/10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0624)所示。

3.1 削峰填谷場(chǎng)景

在削峰填谷場(chǎng)景下，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行安全和經(jīng)濟(jì)性有較高的要求，除此之外，對(duì)于持續(xù)充放電時(shí)間和系統(tǒng)的容量/功率等也有要求；要求系統(tǒng)持續(xù)放電時(shí)間需長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)以上，且時(shí)間越長(zhǎng)越好，額定功率/容量一般也是越大越好。除上述指標(biāo)外，削峰填谷場(chǎng)景對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的其他指標(biāo)沒(méi)有特別要求，如響應(yīng)時(shí)間等均滿(mǎn)足要求；鑒于上述要求，提高該場(chǎng)景下儲(chǔ)能“面積能量密度”“體積能量密度”“質(zhì)量能量密度”“削峰填谷套利收益”“環(huán)境影響”等參數(shù)在判斷矩陣中的權(quán)重，具體的準(zhǔn)則層和指標(biāo)層判斷矩陣見(jiàn)附錄A3(https://esst.cip.com.cn/CN/10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0624)。

對(duì)準(zhǔn)則層和指標(biāo)層中的性能指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，然后使用九級(jí)標(biāo)度法構(gòu)造如公式(1)的判斷矩陣，然后通過(guò)AHP法求得各個(gè)指標(biāo)間的權(quán)重向量，然后對(duì)矩陣使用TOPSIS 方法并通過(guò)AHP 法的權(quán)重向量運(yùn)算得到各個(gè)指標(biāo)下最終的權(quán)重向量。

削峰填谷場(chǎng)景下的七種儲(chǔ)能類(lèi)型在五種等級(jí)中的具體隸屬度數(shù)值如圖4 和附錄B1(https://esst.cip.com.cn/CN/10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0624)所示。

圖4 削峰填谷場(chǎng)景下儲(chǔ)能選型綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.4 Results of a comprehensive assessment ofenergy storage options for peak load reduction scenarios

由圖4可見(jiàn)，在該評(píng)價(jià)體系中，不同儲(chǔ)能的評(píng)價(jià)數(shù)值也不盡相同。在技術(shù)性能方面，通過(guò)橫向比較可得，鋰離子電池在等級(jí)Ⅲ中的隸屬度數(shù)值最大，所以在該評(píng)價(jià)體系中鋰離子電池的技術(shù)性能處于等級(jí)Ⅲ水平，同理可得鈉硫電池和鉛酸電池處于等級(jí)Ⅲ中，液流電池處于等級(jí)Ⅳ中，而壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能處于等級(jí)Ⅰ中。雖然壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等儲(chǔ)能類(lèi)型均處于等級(jí)Ⅰ中，但由于其隸屬度數(shù)值不同，在技術(shù)性能方面，這些儲(chǔ)能類(lèi)型的性能評(píng)價(jià)略有不同。由此可見(jiàn)，通過(guò)縱向比較，在等級(jí)Ⅰ中的儲(chǔ)能類(lèi)型由高到低依次排序?yàn)槌?jí)電容、飛輪儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能；而通過(guò)橫向和縱向比較，可以得出在技術(shù)性能方面的優(yōu)劣排序?yàn)椋撼?jí)電容、飛輪儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、鈉硫電池、鋰離子電池、液流電池和鉛酸電池。

總的技術(shù)性能和成熟度等指標(biāo)層評(píng)價(jià)結(jié)果如表5所示。

表5 削峰填谷場(chǎng)景下隸屬度排序情況Table 5 Ranking of subordination degree in the peak shaving and valley filling scenario

表6 電網(wǎng)保供電場(chǎng)景下隸屬度排序情況Table 6 Ranking of affiliation degree in power grid power supply scenarios

表7 改善電壓質(zhì)量場(chǎng)景下隸屬度排序情況Table 7 Improve the ranking of membership degrees in voltage quality scenarios

由上可知，在削峰填谷場(chǎng)景中，鋰離子電池、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能和超級(jí)電容等儲(chǔ)能類(lèi)型均可使用，但由于集成度問(wèn)題，壓縮空氣和飛輪儲(chǔ)能兩種類(lèi)型在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)受到地形限制。

在對(duì)選型方法改進(jìn)前，僅通過(guò)AHP 和模糊綜合評(píng)價(jià)的結(jié)合對(duì)儲(chǔ)能類(lèi)型做判斷，通過(guò)AHP 法對(duì)指標(biāo)層和準(zhǔn)則層進(jìn)行計(jì)算得出特征向量，然后與經(jīng)過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)處理的儲(chǔ)能性能指標(biāo)相乘得到最終隸屬度，最終評(píng)價(jià)的結(jié)果如圖5所示。

圖5 僅AHP法和模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)合的選型綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.5 Selection evaluation results combining only AHP and fuzzy comprehensive assessment

由圖5可得在綜合評(píng)價(jià)層面，通過(guò)對(duì)隸屬度大小數(shù)值進(jìn)行比較，鋰離子電池和鈉硫電池均位于等級(jí)I，最合適的類(lèi)型有一些缺失，由此可體現(xiàn)出AHP 法在改進(jìn)前的局限性，通過(guò)引入TOPSIS 法后，對(duì)最合適的儲(chǔ)能類(lèi)型做了補(bǔ)充，此時(shí)可以對(duì)負(fù)荷的類(lèi)型以及等級(jí)進(jìn)行更有針對(duì)性的選擇。

3.2 電網(wǎng)保供電場(chǎng)景

電力系統(tǒng)可能會(huì)因?yàn)殡娋W(wǎng)線路故障而發(fā)生臨時(shí)性或永久故障造成不同程度的停電事故，對(duì)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、生產(chǎn)生活造成影響。尤其是一級(jí)負(fù)荷，若不能滿(mǎn)足其電力需求，可能會(huì)造成人身傷害和重大的生產(chǎn)生活事故，這就需要能滿(mǎn)足一定條件的儲(chǔ)能裝置。

對(duì)于不同的負(fù)荷，其允許的斷電時(shí)間級(jí)別包含毫秒級(jí)、秒級(jí)、分鐘級(jí)等范圍。為了保障重要場(chǎng)合以及重大活動(dòng)的用電，在該場(chǎng)景中針對(duì)不同的負(fù)荷需求，選用響應(yīng)更快的儲(chǔ)能類(lèi)型，以便于保障用電安全。鑒于上述要求，提高該場(chǎng)景下的儲(chǔ)能響應(yīng)時(shí)間、循環(huán)效率、面積功率密度、體積功率密度、質(zhì)量功率密度、減少備用容量效益等參數(shù)在判斷矩陣中的權(quán)重，在該情形下具體的準(zhǔn)則層和指標(biāo)層判斷矩陣見(jiàn)附錄A4(https://esst.cip.com.cn/CN/10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0624)。

電網(wǎng)保供電場(chǎng)景下的七種儲(chǔ)能類(lèi)型在五種等級(jí)中的具體隸屬度數(shù)值如圖5 和附錄B2(https://esst.cip.com.cn/CN/10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0624)所示。

由于電網(wǎng)保供電場(chǎng)景中需要儲(chǔ)能系統(tǒng)快速響應(yīng)，飛輪儲(chǔ)能和超級(jí)電容因?yàn)榉烹娧杆伲谠搱?chǎng)景中更有優(yōu)勢(shì)；同時(shí)重要負(fù)荷的供電要求高，在電網(wǎng)保供電初期飛輪儲(chǔ)能和超級(jí)電容放電速度快，所以在保護(hù)重要設(shè)施應(yīng)用方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但由于放電時(shí)間短，難以滿(mǎn)足大容量客戶(hù)的需求，這時(shí)可以考慮鋰離子電池或鈉硫電池與飛輪儲(chǔ)能或超級(jí)電容的綜合運(yùn)用來(lái)保障重要負(fù)荷的用電安全。

3.3 改善電壓質(zhì)量場(chǎng)景

電力系統(tǒng)理想的運(yùn)行狀態(tài)是以額定電壓等級(jí)和固定的頻率向用戶(hù)持續(xù)供電。但隨著時(shí)間的推移，用戶(hù)側(cè)電子器件負(fù)載增多，加上電網(wǎng)的調(diào)度操作等一系列情況，使電網(wǎng)運(yùn)行無(wú)法保證能夠穩(wěn)定地維持理想的狀態(tài)，因幅值突然變化引發(fā)的問(wèn)題接踵而來(lái)，因此產(chǎn)生了電能質(zhì)量問(wèn)題。

電壓質(zhì)量包括電壓偏差、電壓波動(dòng)、諧波含量、三相不平衡、電壓暫降以及電壓閃變等指標(biāo)。電壓質(zhì)量指標(biāo)根據(jù)其特征可分為連續(xù)變化型和突發(fā)事件型兩種，連續(xù)型指標(biāo)的典型特性是電壓的方均根值和相位差等在正常工況下隨著時(shí)間一直存在著微小的變動(dòng)。而電壓短時(shí)間嚴(yán)重偏離其額定值或理想波形，是事件型指標(biāo)的典型特性，它屬于突然發(fā)生的電壓質(zhì)量擾動(dòng)現(xiàn)象。

改善電壓質(zhì)量場(chǎng)景下具體的準(zhǔn)則層和指標(biāo)層判斷矩陣見(jiàn)附錄A5(https://esst.cip.com.cn/CN/10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0624)。該場(chǎng)景下七種儲(chǔ)能類(lèi)型在五種等級(jí)中的具體隸屬度數(shù)值如圖6 和附錄B3所示(https://esst.cip.com.cn/CN/10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0624)。

圖6 電網(wǎng)保供電場(chǎng)景下儲(chǔ)能選型綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.6 Comprehensive evaluation results of energy storage selection under the scenario of power grid power supply

圖7 改善電壓質(zhì)量場(chǎng)景下儲(chǔ)能選型綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.7 Improve the comprehensive evaluation results of energy storage selection in voltage quality scenarios

電壓質(zhì)量降低的發(fā)生有多種情況，例如大型變壓器的投運(yùn)和大型感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)，而其中最常見(jiàn)的故障也是最主要的原因是線路發(fā)生短路等故障。這一類(lèi)情況的發(fā)生也會(huì)對(duì)用戶(hù)側(cè)造成影響，尤其是敏感負(fù)荷，這時(shí)可以通過(guò)飛輪儲(chǔ)能和超級(jí)電容等反應(yīng)迅速的儲(chǔ)能類(lèi)型來(lái)應(yīng)對(duì)大型變壓器投運(yùn)等影響時(shí)間較短的情況而造成的電壓質(zhì)量下降，減少對(duì)敏感負(fù)荷的影響；而對(duì)于線路故障等故障處理時(shí)間較長(zhǎng)的故障，可選用鋰離子電池等電化學(xué)儲(chǔ)能和壓縮空氣等儲(chǔ)能來(lái)應(yīng)對(duì)電壓質(zhì)量下降周期較長(zhǎng)的情況，相較于成本較高的電磁儲(chǔ)能，電化學(xué)儲(chǔ)能成本較低，且具有一定時(shí)間的放電時(shí)長(zhǎng)，具有較高性?xún)r(jià)比，能在改善電能質(zhì)量的同時(shí)獲取一定的經(jīng)濟(jì)效益，縮短投資成本的回收周期。

3.4 應(yīng)用場(chǎng)景總結(jié)

通過(guò)對(duì)上述三種場(chǎng)景的描述可以得出，每種場(chǎng)景中綜合評(píng)價(jià)的最高隸屬度數(shù)值處于等級(jí)I 即為最合適的儲(chǔ)能類(lèi)型。在削峰填谷場(chǎng)景中最合適的儲(chǔ)能類(lèi)型有鋰離子電池、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能和超級(jí)電容，在電網(wǎng)保供電場(chǎng)景中最合適的有鋰離子電池、鈉硫電池、飛輪儲(chǔ)能和超級(jí)電容，在改善電壓質(zhì)量場(chǎng)景中最合適的有鋰離子電池、液流電池、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能和超級(jí)電容。由上述內(nèi)容可得，單獨(dú)考慮這三種場(chǎng)景的應(yīng)用時(shí)，在削峰填谷場(chǎng)景中最合適的儲(chǔ)能類(lèi)型為鋰離子電池，在電網(wǎng)保供電場(chǎng)景中最合適的為超級(jí)電容，而在改善電壓質(zhì)量場(chǎng)景中最合適的為超級(jí)電容，所以在出現(xiàn)上述三種情形時(shí)，可以通過(guò)鋰離子電池和超級(jí)電容儲(chǔ)能應(yīng)對(duì)；由于每種場(chǎng)景下綜合評(píng)價(jià)的最合適的儲(chǔ)能類(lèi)型都有鋰離子電池、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能和超級(jí)電容這四種類(lèi)型，所以在電力系統(tǒng)中可以通過(guò)配置這些儲(chǔ)能類(lèi)型應(yīng)對(duì)上述三種情形。不過(guò)這四種儲(chǔ)能的技術(shù)指標(biāo)差異較大，同時(shí)在實(shí)際配置時(shí)需要考慮地理環(huán)境等因素；由于鋰離子電池在實(shí)際應(yīng)用中組合更容易，可根據(jù)儲(chǔ)能電站選址的具體地理?xiàng)l件靈活配置組合，相較于壓縮空氣儲(chǔ)能對(duì)地理環(huán)境的要求更低，而相較于飛輪儲(chǔ)能和超級(jí)電容來(lái)講，成本更低，自放電率更低，更有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 論

本工作針對(duì)電力系統(tǒng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)類(lèi)型選擇，提出了基于AHP 和TOPSIS-模糊綜合評(píng)價(jià)法的儲(chǔ)能選型方法建立一個(gè)儲(chǔ)能選擇評(píng)價(jià)體系。根據(jù)不同的情形確立不同的判斷矩陣，然后依據(jù)儲(chǔ)能類(lèi)型的技術(shù)指標(biāo)建立相應(yīng)的關(guān)系矩陣，而后利用該評(píng)價(jià)體系進(jìn)行綜合評(píng)估選擇合適的儲(chǔ)能類(lèi)型。得出如下結(jié)論：

（1）通過(guò)引入TOPSIS 法修正AHP 法中的主觀性，可以更客觀全面分析儲(chǔ)能系統(tǒng)，再通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)，將模糊集理論的適當(dāng)運(yùn)算和變換對(duì)模糊對(duì)象進(jìn)行定量分析，定量無(wú)法量化的指標(biāo)，提升評(píng)價(jià)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，選出最合適的類(lèi)型；

（2）在上述內(nèi)容中，鋰離子電池、飛輪儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能和超級(jí)電容在三種場(chǎng)景中都具有較高的隸屬度，所以配置這些儲(chǔ)能類(lèi)型能應(yīng)對(duì)削峰填谷等場(chǎng)景的出現(xiàn)。而在削峰填谷和電網(wǎng)保供電場(chǎng)景中鋰離子電池更具優(yōu)勢(shì)，所以可以?xún)?yōu)先考慮鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。

面對(duì)未來(lái)高比例的新能源發(fā)電，合理地配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)多種方法的聯(lián)合運(yùn)用可以對(duì)不同類(lèi)型考慮得更加全面，可以避免單一評(píng)價(jià)指標(biāo)的局限性，通過(guò)在削峰填谷、電網(wǎng)保供電、改善電壓質(zhì)量這三種場(chǎng)景下對(duì)儲(chǔ)能類(lèi)型配置方法進(jìn)行評(píng)估，選取隸屬度最大值在等級(jí)I 中的儲(chǔ)能類(lèi)型即為最終結(jié)果。以上內(nèi)容即為該評(píng)價(jià)體系的建立，并通過(guò)具體的案例計(jì)算選擇出了合適的儲(chǔ)能類(lèi)型，驗(yàn)證了該評(píng)價(jià)體系。