基于模糊環境下面向能源互聯網多種儲能項目建設決策研究

烏云娜，張 婷，伊力奇，武程浩

（華北電力大學經濟與管理學院，北京 102206）

1 研究背景

能源互聯網綜合運用先進的電力電子技術，信息技術和智能管理技術將大量的分布式能量采集裝置、分布式能量儲存裝置與各類負載構成的新型電力網絡、石油網絡、天然氣網絡等能源節點互聯從而實現能量雙向流動的與共享交換的共享網絡。隨著能源系統的綠色、低碳、可持續發展，可再生能源在中國的應用領域不斷擴大，裝機容量不斷增加［1］。然而，由于風力變化和晝夜交替，主要新能源風力發電與太陽能發電呈現出顯著的隨機性、間歇性與波動性的特點，致使其與固定用電需求的用戶難以按照傳統方式匹配［2］。為此，大型且高效的儲能系統成為能源轉變的關鍵支撐點，且在多能互補中具有重要的地位。儲能是智能電網、可再生能源接入、分布式發電以及電動汽車發展中不可或缺的支撐環節。然而，成本高是影響儲能大規模發展的一個主要因素，其關鍵材料、制造工藝與能量轉換效率等因素也是各種技術面臨的共同挑戰與瓶頸。截至2018年年底，中國儲能項目使用情況如圖1所示，中國目前儲能現狀仍以抽水蓄能為主。然而，在面向互聯網能源體系中，高效的匹配于選擇合理的儲能項目可以加快能源互聯網的發展，同時保證能源互聯網更加安全可靠的運行［3］。因此，本文綜合分析每種儲能的主要特征，選擇最優的面向能源互聯網的儲能項目投資決策是對能源系統的可持續發展關鍵決策之一。到目前為止，相比于美國與日本，中國尚未形成儲能運用標準體系。

圖1 2018年底儲能項目使用情況

現有儲能技術主要包括機械儲能，如抽水蓄能，壓縮空氣儲能與飛輪儲能等；電化學儲能，如鋰電池，鈉硫電池，釩液流電池等；以及電磁感應儲能，如超級電容器儲能與超導儲能等。在機械儲能中，抽水蓄能是目前最為成熟的儲能技術。且裝機容量最大，技術最為成熟，適合大規模儲能接入是抽水蓄能最大特點。然而由于抽水蓄能對地理條件的要求較高，因此適合建立此種儲能設備的廠址有限，且施工建設難度較大［4］。而傳統壓縮空氣儲能雖容量大，工作時間長，充放電循環次數多且壽命長，但其低效率以及苛刻的建設條件使得其推廣應用受到了限制。為了解決傳統壓縮空氣儲能的種種問題，先進的絕熱壓縮空氣儲能技術、液化空氣儲能技術以及超臨界壓縮空氣儲能技術與可再生能源的耦合已成為國內外研究的重點方向［5］。除此之外，飛輪儲能有著效率高且壽命長等優點，但其嚴重的自放電現象以及較高的建設成本在一定程度上限制了其發展。

相比較而言，蓄電池作為一種電化學儲能設備具有較為成熟的技術，能量轉換效率較高且環境適應能力強［6］。然而，由于較高的建設與運作成本，電磁感應儲能的裝機容量也較為有限。超級電容器是20世紀60年代率先出現在美國，由于適用特殊材料作為電極與電解質，這種電容器的存儲容量是普通儲能設備的20～1 000倍。其與傳統蓄電池相比具有能量密度高且使用壽命長的特點。與飛輪儲能和超導儲能相比它的使用可靠性較高［7］。相比較而言，超導儲能具有效率高、響應速度快且無噪音污染等優點，但其相對較高的成本與維修使得其在運用過程中受到了一定的限制［8］。由于不同儲能設備性能差異較大，且儲能在能源互聯網中扮演著重要的角色，因此選擇最佳的儲能項目對能源互聯網的可靠高效運行有著至關重要的作用。

能源互聯網強調了未來能源消費要充分考慮電、熱、氣多種能源形式的耦合。在能源的生產、流通以及消費中建立一個監視的信息通信系統，使得能源系統更加現代化、方便且可靠。與傳統能源系統相比，能源互聯網有3個突出的優勢［9］：

（1）通過與分布式儲能系統的耦合和信息系統的繼承，解決可再生能源輸出與用戶側負荷需求的強隨機性；

（2）利用天然氣管網、冷暖系統、電力系統等能源之間的耦合關系，將其作為一個綜合的能源供應系統；

（3）能源互聯網存在雙向交互作用，有利于能源信息的有效溝通與能源系統的充分協作；

作為能源互聯網的重要部分，儲能設備在其中發揮著至關重要的作用。為探究在能源互聯網中儲能項目投資決策的優先適用性，本文總結了影響儲能設備運行的關鍵指標并構成綜合指標體系，并對三類九種儲能設備進行綜合效果評價，同時根據評價結果對能源互聯網中儲能設備的運用提出有針對性的意見和建議。

2 指標體系與評價模型的建立

2.1 儲能項目評價指標的建立

科學合理的指標評價體系是取得客觀且有效的評價結果的重要依據。在參考文獻［10-12］與相關儲能研究報告等資料的基礎上，考慮到儲能項目的主要性能指標，建立了儲能項目的運行效果的綜合評價指標體系如表1。

表1 儲能關鍵指標體系

能量轉換效率（C11）是儲能元件儲存起來的電量與輸入能量的比值。轉換效率指標用于反映能源互聯網中儲能設備運用的效率，能效系數是衡量能源互聯網系統儲能設備運用的重要指標之一。

儲能使用壽命（C12）。儲能設備的壽命與工作方式密切相關。不同的儲能設備壽命是不同的，使用壽命長的儲能設備對能源互聯網的穩定可持續發展具有推動作用。

儲能響應速率（C13）與能源密度（C14）均是衡量儲能能力的重要指標，但每種儲能設備的相應速率與能源密度都不盡相同，因此通過綜合分析兩種儲能項目的這兩項指標可以區別不同儲能的優劣。

能源成本（C21）與儲能電站建設成本（C22）以及運行維護費用（C23）是衡量儲能電站的重要的經濟指標，通過評價儲能電站的經濟情況，選擇經濟較為合理且可持續發展的儲能項目。

噪音污染（C31）與環境保護成本（C32）為兩項重要的環境指標，噪音較高的儲能的項目會影響附近居民的正常生活且對其工作人員也具有較大的影響。作為幫助可持續綠色電力的能源發展，儲能項目的建設要本著綠色發展的原則進行環境保護，這類產出即為環境保護成本。

就業機會（C41）與土地需求（C42）是社會評價指標，是儲能電站投資的外部指標，也是衡量儲能電站與能源互聯環境之間的相互影響。

2.2 模糊綜合評價模型

2.2.1 評價指標值表示方法

圖2 IT2TRFN模糊數

由于決策環境的模糊性以及決策者自身對評價對象的猶豫性，傳統的確定數集對于定量指標的指標值獲取會有較大的偏差，因此本文將結合決策者最習慣用的語言集對定性指標進行評價，并最終將其全部轉換為IT2TrFNs［14］（見表2）。

表2 語言集與IT2TrFNs轉換關系

表2（續）

2.2.2 PROMETHEE評價方法

PROMETHEE-II已經得到了深入的研究和廣泛的應用，是基于流量來判斷各方案優先程度的MCDM方法。它可以通過選擇優先函數的類型和設置相應的函數參數來更好的反應決策者的主觀意愿，而無需對原始數據進行處理，避免由于原始數據處理方法不同而造成結果差異［15］。PROMETHEE-II具體評價方法步驟如下［16］：

步驟1：計算指標間距離。基于評價對象的指標值，運用公式（1）計算得出兩兩指標間的距離。

步驟2：構造優先函數。通過考慮不同指標的特點，Brans等［17］提出了6種優先函數，每種指標選擇合適的優先函數從而確保評價結果的有效性。

Form 1：常用標準

Form 2：U-shape標準

Form 3：等級標準

Form 5：V-shape無差別標準

Form 6：高斯標準

步驟3：優先系數計算

步驟4：計算正流量

步驟5：計算負流量

步驟6：計算凈流量

步驟7：排序。根據每個方案的凈流量值，可以確定水平高于關系見圖3。

圖3 級別關系圖

3 多種儲能項目運行效果評價案例分析

本文選擇九種具有代表性的儲能項目對其面向能源互聯網的運行效果進行綜合分析，從而選擇更加適合能源互聯網建設的儲能項目，為能源互聯網的可持續發展獻計獻策。

首先采用文獻閱讀方法搜集各種儲能項目指標值，建立原始評價信息矩陣如表3所示。考慮到指標值的模糊性與指標環境的不確定性，本文采用專家評價法與IT2TrFN轉換方式來描述評價對象的指標信息。

為充分表示指標值與指標體系中每個儲能指標相對于能源互聯網應用的相對重要性，本文采用專家決策法確定定性指標值以及每種儲能指標對能源互聯網的重要度。選取3位專家進行理性評價，專家選擇條件為：（1）對能源互聯網有深入研究；（2）對每種儲能的特征有較為全面的了解；（3）具有兩項以上能源類研究成果；三位專家打分前詳細了解各種儲能項目的相關運用背景，性能，并進行多項儲能電站實地考察研究，以保證充分并深入了解儲能項目狀況。運用OWA算子將上述專家的指標重要度進行集結，得到最終權重結果見圖4。

表3 儲能項目運行效果評價指標體系指標值

圖4 權重結果圖

運用PROMETHREE-II對9種具有代表性的儲能項目進行綜合排序。三位專家針對指標特征選擇三類優先函數。由于儲能技術特征通常用等級來評價，因此選擇等級標準來確定一級指標C1下的個指標優先系數。由于經濟標準通常設置在一定范圍之內，因此C2適合采用U-shape標準。但對于環境與社會標準，專家們認為指標值的變化無較為明顯的關系，因此本文選擇常用標準來確定C3與C4下指標的偏好系數。具體偏好函數的選擇與變量的設置如表3所示。隨后計算出每種儲能項目的優先系數，正流出量與負流入量，最后根據公式（17）確定每個項目的凈流量如表4所示。

基于模糊環境下IT2TrFN-PROMETHREE-II模型，綜合考慮各種儲能項目的指標表現情況后結果顯示，機械儲能中的抽水蓄能與飛輪機儲能、電化學儲能中的鉛酸電池以及電磁感應儲能中的超導儲能更加適于參與能源互聯網建設規劃中。綜合考慮各種指標后，儲能項目的效果評價排序結果為飛輪儲能優于鉛酸電池優于抽水蓄能優于超導儲能。具體評價結果如表5所示。

表4 偏好函數與變量的設置

表4（續）

表5 儲能項目正流出、負流入與凈流量

4 面向能源互聯網的儲能項目決策分析

由于90年代后，飛輪儲能技術在材料、摩擦損耗、電力轉換技術方面取得了突飛猛進的發展，給飛輪儲能技術在電力調峰與提供電源轉換的不間斷電源方面上帶來了更大的發展空間。鉛酸電池在能源互聯網運作中具有重大的作用，其具有通用，成本低，高低溫性能較好且效率較高等優點，但其含有鉛等有毒物質對環境具有一定的污染性，因此在運用過程中需要對其生產以及使用后處理進行嚴格把控，防止其對環境造成危害。抽水蓄能作為一種技術成熟、適合大規模建設且成本較低的儲能裝置，在電力系統中調峰與平滑新能源的波動性具有較為廣泛的應用。但抽水蓄能對地形的要求較高，建設維護工作較為復雜，應用的領域受到了一定的限制。最后超導儲能相比于其他儲能最大的優點就是響應速度快，這使得其在降低本身高成本的基礎上擁有著廣泛的應用前景。其他儲能技術在關鍵性質上往往表現出不同程度的優劣性，因此減少各種儲能的劣勢發揮其優勢是能源互聯網應用的關鍵。

5 結論

為研究面向能源互聯網的儲能項目投資選擇問題，本文運用專家決策法與文獻閱讀方法建立評價指標體系，并采用模糊綜合評價拓展方法IT2TrFNPROMETHREE-II對九種具有代表性的儲能項目進行綜合分析，考慮了評價環境的模糊性與指標值的不確定性。評價結果表示飛輪儲能，鉛酸電池儲能，抽水蓄能以及超導儲能更加適合幫助能源互聯網的建設。通過對評價結果的分析，給出面向能源互聯網的建設決策建議，為我國能源互聯網的儲能建設提供理論基礎。