李德鑫，田春光，呂項羽，張海鋒，王 鋒，韓曉娟

（1.國網(wǎng)吉林省電力科學(xué)研究院有限公司, 長春130021；2.華北電力大學(xué)控制與計算機(jī)工程學(xué)院，北京102206）

高滲透率下的風(fēng)電、光伏等大規(guī)模間歇式新能源的并網(wǎng)，加劇了電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻壓力，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了極大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)火電機(jī)組調(diào)峰調(diào)頻能力不足的問題日益突出，急需新的調(diào)峰調(diào)頻技術(shù)出現(xiàn)[1-3]。儲能系統(tǒng)作為一種具有雙向功率能力、快速響應(yīng)等特點(diǎn)的可調(diào)度資源，可以有效解決新能源并網(wǎng)過程中調(diào)峰調(diào)頻能力不足的問題[4-5]。由于儲能系統(tǒng)種類繁多，不同的應(yīng)用場景下對儲能系統(tǒng)的技術(shù)需求也各不相同。 因此，如何選取合適的儲能系統(tǒng)類型， 充分發(fā)揮儲能系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢，對儲能系統(tǒng)的推廣應(yīng)用具有重要作用。

目前針對儲能系統(tǒng)容量配置和控制策略的研究較多[6-8]，而對儲能選型的研究較少。 文獻(xiàn)[9]從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全和成熟度等多角度對比分析，選擇最佳儲能技術(shù)；文獻(xiàn)[10]提出了基于區(qū)間層次分析法的儲能系統(tǒng)選型方法，根據(jù)專家經(jīng)驗確定一層決策指標(biāo)權(quán)重，利用熵值法確定二層決策指標(biāo)權(quán)重，保證了選型結(jié)果具備較好的工程適用性；文獻(xiàn)[11]從服務(wù)對象潛在的經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，分析了調(diào)頻服務(wù)場景下儲能技術(shù)選型標(biāo)準(zhǔn)，提出適合風(fēng)力發(fā)電廠并網(wǎng)的儲能技術(shù)選型方案，鋰離子電池由于具備快速響應(yīng)能力成為最佳方案；文獻(xiàn)[12]提出基于模糊邏輯的儲能系統(tǒng)選型方法，通過建立多個決策準(zhǔn)則給出儲能系統(tǒng)排序，確定最終選型方案；文獻(xiàn)[13]提出基于層次分析法和模糊邏輯相結(jié)合的儲能技術(shù)選型方法，以效率、負(fù)載管理、技術(shù)成熟度、成本、生命周期和電能質(zhì)量作為決策準(zhǔn)則，實現(xiàn)儲能技術(shù)選型。

綜上所述， 目前儲能技術(shù)在選型過程涉及大量模糊因素，受個人主觀因素影響較大，在決策過程中也未考慮各指標(biāo)的沖突性。 本文以儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻為應(yīng)用場景， 提出基于AHP 和CRITIC相結(jié)合的儲能系統(tǒng)選型方案，通過對儲能系統(tǒng)在調(diào)峰調(diào)頻場景下的工況特性分析，構(gòu)建儲能技術(shù)選型決策指標(biāo)體系。綜合考慮了安全性、技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境性等方面的指標(biāo)，根據(jù)調(diào)峰調(diào)頻場景對儲能的技術(shù)需求，采用評分制將定性指標(biāo)量化。 針對常用的12 種儲能技術(shù)類型， 利用AHP 和CRITIC 確定各指標(biāo)權(quán)重并得出相應(yīng)的綜合評分，得到最佳儲能技術(shù)選型方案。

1 適于調(diào)峰調(diào)頻的儲能決策指標(biāo)體系構(gòu)建

儲能系統(tǒng)的選型作為一個系統(tǒng)的過程，在決策過程中需要考慮各方面因素對結(jié)果的影響。針對儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻應(yīng)用場景，構(gòu)建儲能系統(tǒng)選型的決策指標(biāo)體系如圖1 所示。在決策層主要考慮安全性指標(biāo)、技術(shù)性指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和環(huán)境性指標(biāo)。安全性指標(biāo)包括儲能系統(tǒng)的技術(shù)成熟度和安全性；技術(shù)性指標(biāo)包括能量轉(zhuǎn)換效率、功率等級、響應(yīng)時間、持續(xù)時間、循環(huán)壽命和充放電深度；經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)包括功率成本、 容量成本和運(yùn)維成本；環(huán)境性指標(biāo)包括功率密度、能量密度和對環(huán)境的影響程度。 對于一層決策指標(biāo)中的4 個指標(biāo)，利用AHP法確定其權(quán)重；對于二層決策指標(biāo)，利用CRITIC 法確定其權(quán)重。

圖1 儲能系統(tǒng)選型的決策指標(biāo)體系Fig. 1 Decision index system for energy storage system selection

1.1 AHP 法確定權(quán)重

AHP 是一種將定性與定量分析方法相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法，通過將復(fù)雜問題分解為若干層次和若干因素，對兩兩指標(biāo)之間的重要程度做出比較判斷，建立判斷矩陣，通過計算判斷矩陣的最大特征值以及對應(yīng)特征向量，得出不同方案重要性程度的權(quán)重[14]。 利用層次分析法確定一層權(quán)重指標(biāo)的步驟如下。

步驟1針對一層決策的4 個指標(biāo)， 基于專家經(jīng)驗，根據(jù)九級標(biāo)度法[15]構(gòu)建指標(biāo)的對比矩陣，即

式中，axy為第x 個指標(biāo)和第y 個指標(biāo)的重要性之比。

步驟2對比矩陣的一致性檢驗。 檢驗公式為

式中：CI 為一致性指標(biāo)；RI 為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。 CI 可表示為

式中，λmax為矩陣的最大特征值。

當(dāng)n=1～9 時RI 可以根據(jù)表1 得到。

表1 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RITab. 1 Average random consistency index RI

一般而言，當(dāng)CR<0.1 時，認(rèn)為對比矩陣滿足一致性；若CR≥0.1 時，則需要對矩陣進(jìn)行修正，直到滿足條件為止。

步驟3層次總排序及權(quán)重計算。

在對矩陣的一致性進(jìn)行檢驗之后，計算數(shù)據(jù)的權(quán)重為

步驟4歸一化處理，得到各指標(biāo)的一層權(quán)重為

1.2 CRITIC 法確定權(quán)重

CRITIC 是由Diakoulaki 提出的一種客觀權(quán)重賦值法，它主要是以對比強(qiáng)度和評價指標(biāo)之間的沖突性為基礎(chǔ)來確定指標(biāo)的客觀權(quán)重系數(shù)[16]，具體步驟如下。

（1）計算各指標(biāo)之間的系數(shù)，有

式中：cov（x, y）為指標(biāo)x 和y 之間的協(xié)方差；var[x]為指標(biāo)x 的方差；var[y]為指標(biāo)y 的方差。

（2）計算第j 個指標(biāo)與其他指標(biāo)的沖突性的量化指標(biāo)，有

（3）計算第j 個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差，有

（4）計算第j 個評價指標(biāo)所含的信息量cj，有

（5）計算第j 個評價指標(biāo)的二層權(quán)重，有

1.3 指標(biāo)綜合權(quán)重的計算

通過綜合兩層決策指標(biāo)權(quán)重，結(jié)合各類型儲能系統(tǒng)量化后的指標(biāo)參數(shù)，儲能系統(tǒng)的綜合評分為

式中：SCOREi為第i 種儲能系統(tǒng)的綜合得分；Xstandard_ij為第i 種儲能系統(tǒng)的第j 個指標(biāo)的評分值， 其計算方式如下。

（1）若對于第i 種儲能系統(tǒng)，第j 個指標(biāo)越高越好，則有

式中，maxjXij和minjXij分別為所有儲能系統(tǒng)第j 個指標(biāo)中的最大值和最小值。

（2）若對于第i 種儲能系統(tǒng)，第j 個指標(biāo)越低越好，則有

2 算例分析

本文選取12 種常用的儲能類型進(jìn)行分析，圖1決策指標(biāo)體系中各指標(biāo)的技術(shù)參數(shù)見表2[17-18]。 由表2 可知，功率成本、容量成本等可以定量描述，而安全性、技術(shù)成熟度等只能定性描述。 為便于分析，根據(jù)其對調(diào)峰調(diào)頻工況的重要性進(jìn)行量化評分，評分等級分為差（1 分）、中（2 分）、良（3 分）和優(yōu)（4 分）。

根據(jù)調(diào)峰調(diào)頻應(yīng)用場景下對儲能系統(tǒng)的技術(shù)需求，對各指標(biāo)的評分標(biāo)準(zhǔn)如表3 所示。

表2 各類型儲能系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)Tab. 2 Technical parameters of various types of energy storage system

表3 指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)Tab. 3 Index scoring standard

根據(jù)表3 中的評分標(biāo)準(zhǔn)，將表2 中不能定量描述的指標(biāo)進(jìn)行量化。利用式（12）和式（13）對量化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，作為各指標(biāo)的評分值。

通過對每一個指標(biāo)進(jìn)行評分后，根據(jù)九級標(biāo)度法對一層決策指標(biāo)構(gòu)造判斷矩陣A 為

由一致性矩陣檢驗得到CR=0.095 2<0.1， 可認(rèn)為構(gòu)造的矩陣A 賦值合理。 根據(jù)A 賦值，計算得到一層指標(biāo)的權(quán)重見表4。根據(jù)第2.2 節(jié)CRITIC 法步驟，求取二層決策指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果見表5。 根據(jù)式（11）對儲能系統(tǒng)進(jìn)行綜合評分，結(jié)果見表6。

由表6 可知， 在電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻應(yīng)用場景下，磷酸鐵鋰電池具有最佳的工況適應(yīng)性，鈦酸鋰電池次之；抽水蓄能雖然安全性最高，但是其響應(yīng)速度較慢且經(jīng)濟(jì)性較差；氫儲能技術(shù)雖然在技術(shù)性指標(biāo)方面具有較大優(yōu)勢，但技術(shù)不成熟且在安全性方面存在隱患；鉛炭電池和膠體電池雖然在經(jīng)濟(jì)性方面具有一定優(yōu)勢，但是其功率等級低、循環(huán)壽命小、存在鉛污染且技術(shù)成熟度不夠。 因此，在該技術(shù)評價體系中，其他儲能設(shè)備的綜合工況適應(yīng)性都弱于磷酸鐵鋰電池和鈦酸鋰電池。

表4 一層指標(biāo)權(quán)重Tab. 4 Index weights in the first layer

表5 二層指標(biāo)權(quán)重Tab. 5 Index weights in the second layer

表6 各類型儲能的綜合評分Tab. 6 Comprehensive score for each type of energy storage

3 結(jié)語

本文針對儲能系統(tǒng)面向電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻應(yīng)用場景下工況適應(yīng)性進(jìn)行研究， 提出了基于AHP 和CRITIC 法相結(jié)合的儲能技術(shù)選型規(guī)劃方法。 根據(jù)調(diào)峰調(diào)頻場景下儲能工況特性建立相應(yīng)決策指標(biāo)體系，在決策層考慮了兩層決策指標(biāo)。 基于專家經(jīng)驗和技術(shù)需求，利用AHP 法確定一層決策指標(biāo)權(quán)重，利用CRITIC 法確定二層決策指標(biāo)權(quán)重。 結(jié)合兩層決策指標(biāo)對各儲能系統(tǒng)進(jìn)行綜合評分， 根據(jù)評分結(jié)果確定適用于電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻應(yīng)用場景的儲能系統(tǒng)類型， 即磷酸鐵鋰電池具有最佳的工況適應(yīng)性，鈦酸鋰電池次之。 該儲能系統(tǒng)選型方案不僅適用于電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻應(yīng)用場景， 也可用于其它應(yīng)用場景。 用于其他場景時，只需考慮各指標(biāo)對該場景工況適應(yīng)性的影響即可。 本文方法具有一定的工程實踐意義， 可為儲能系統(tǒng)選型和應(yīng)用提供理論依據(jù)。