基于AHP 和CRITIC 的電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻儲能系統(tǒng)規(guī)劃

李德鑫，田春光，呂項羽，張海鋒，王 鋒，韓曉娟

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

高滲透率下的風電、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)定運行帶來了極大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)火電機組調(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、快速響應等特點的可調(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，不同的應用場景下對儲能系統(tǒng)的技術需求也各不相同。 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)的技術優(yōu)勢，對儲能系統(tǒng)的推廣應用具有重要作用。

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[9]從技術、經(jīng)濟、安全和成熟度等多角度對比分析，選擇最佳儲能技術；文獻[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權重，利用熵值法確定二層決策指標權重，保證了選型結果具備較好的工程適用性；文獻[11]從服務對象潛在的經(jīng)濟效益出發(fā)，分析了調(diào)頻服務場景下儲能技術選型標準，提出適合風力發(fā)電廠并網(wǎng)的儲能技術選型方案，鋰離子電池由于具備快速響應能力成為最佳方案；文獻[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則給出儲能系統(tǒng)排序，確定最終選型方案；文獻[13]提出基于層次分析法和模糊邏輯相結合的儲能技術選型方法，以效率、負載管理、技術成熟度、成本、生命周期和電能質(zhì)量作為決策準則，實現(xiàn)儲能技術選型。

綜上所述， 目前儲能技術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)頻為應用場景， 提出基于AHP 和CRITIC相結合的儲能系統(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，構建儲能技術選型決策指標體系。綜合考慮了安全性、技術性、經(jīng)濟性和環(huán)境性等方面的指標，根據(jù)調(diào)峰調(diào)頻場景對儲能的技術需求，采用評分制將定性指標量化。 針對常用的12 種儲能技術類型， 利用AHP 和CRITIC 確定各指標權重并得出相應的綜合評分，得到最佳儲能技術選型方案。

1 適于調(diào)峰調(diào)頻的儲能決策指標體系構建

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果的影響。針對儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻應用場景，構建儲能系統(tǒng)選型的決策指標體系如圖1 所示。在決策層主要考慮安全性指標、技術性指標、經(jīng)濟性指標和環(huán)境性指標。安全性指標包括儲能系統(tǒng)的技術成熟度和安全性；技術性指標包括能量轉(zhuǎn)換效率、功率等級、響應時間、持續(xù)時間、循環(huán)壽命和充放電深度；經(jīng)濟性評價指標包括功率成本、 容量成本和運維成本；環(huán)境性指標包括功率密度、能量密度和對環(huán)境的影響程度。 對于一層決策指標中的4 個指標，利用AHP法確定其權重；對于二層決策指標，利用CRITIC 法確定其權重。

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

1.1 AHP 法確定權重

AHP 是一種將定性與定量分析方法相結合的多目標決策分析方法，通過將復雜問題分解為若干層次和若干因素，對兩兩指標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特征向量，得出不同方案重要性程度的權重[14]。 利用層次分析法確定一層權重指標的步驟如下。

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

式中，axy為第x 個指標和第y 個指標的重要性之比。

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；RI 為平均隨機一致性指標。 CI 可表示為

式中，λmax為矩陣的最大特征值。

當n=1～9 時RI 可以根據(jù)表1 得到。

表1 平均隨機一致性指標RITab. 1 Average random consistency index RI

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

步驟3層次總排序及權重計算。

在對矩陣的一致性進行檢驗之后，計算數(shù)據(jù)的權重為

步驟4歸一化處理，得到各指標的一層權重為

1.2 CRITIC 法確定權重

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

（1）計算各指標之間的系數(shù)，有

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

（2）計算第j 個指標與其他指標的沖突性的量化指標，有

（3）計算第j 個指標的標準差，有

（4）計算第j 個評價指標所含的信息量cj，有

（5）計算第j 個評價指標的二層權重，有

1.3 指標綜合權重的計算

通過綜合兩層決策指標權重，結合各類型儲能系統(tǒng)量化后的指標參數(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行分析，圖1決策指標體系中各指標的技術參數(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)頻應用場景下對儲能系統(tǒng)的技術需求，對各指標的評分標準如表3 所示。

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

表3 指標評分標準Tab. 3 Index scoring standard

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

通過對每一個指標進行評分后，根據(jù)九級標度法對一層決策指標構造判斷矩陣A 為

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

由表6 可知， 在電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻應用場景下，磷酸鐵鋰電池具有最佳的工況適應性，鈦酸鋰電池次之；抽水蓄能雖然安全性最高，但是其響應速度較慢且經(jīng)濟性較差；氫儲能技術雖然在技術性指標方面具有較大優(yōu)勢，但技術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、存在鉛污染且技術成熟度不夠。 因此，在該技術評價體系中，其他儲能設備的綜合工況適應性都弱于磷酸鐵鋰電池和鈦酸鋰電池。

表4 一層指標權重Tab. 4 Index weights in the first layer

表5 二層指標權重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 結語

本文針對儲能系統(tǒng)面向電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻應用場景下工況適應性進行研究， 提出了基于AHP 和CRITIC 法相結合的儲能技術選型規(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決策指標體系，在決策層考慮了兩層決策指標。 基于專家經(jīng)驗和技術需求，利用AHP 法確定一層決策指標權重，利用CRITIC 法確定二層決策指標權重。 結合兩層決策指標對各儲能系統(tǒng)進行綜合評分， 根據(jù)評分結果確定適用于電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻應用場景的儲能系統(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)頻應用場景， 也可用于其它應用場景。 用于其他場景時，只需考慮各指標對該場景工況適應性的影響即可。 本文方法具有一定的工程實踐意義， 可為儲能系統(tǒng)選型和應用提供理論依據(jù)。