基于粗糙集的新能源产业中储能技术评价

李 欣，黄鲁成，常金平

（北京工业大学经济与管理学院，北京 100124）

积极开发和利用以风能、太阳能和海洋能等为主的新能源，减少人类对化石能源的依赖，已成为全球共同关注的热点。新能源通常被转化为电能使用，但由于受季节、昼夜和地理环境等因素的影响，其发电存在随机性、间歇性和波动性等特点，在并网时，容易引起电网频率偏差和电压波动［1］。如果不能解决这些问题，新能源的普及应用将会受到较大限制，而储能技术可以较好地解决新能源并网发电这一瓶颈问题［2］。因此，根据新能源并网发电的需要，如何从众多的储能技术中选择出最适合于大规模储能的技术，进而形成适合企业和国家发展战略的技术路线，是目前摆在人们面前的热门课题。

由于储能技术是随着新能源产业发展而日益被人们所关注的新兴技术，到目前为止，国内外的学者对新能源产业中的储能技术评价研究还处于探索阶段。IBRAHIM等［3］从技术和经济两个方面建立储能技术的评价指标，采用描述法对储能技术进行评价。MAKAROV等［4］利用13个评价指标和德尔菲法对能应用于大规模储电的储能技术进行了评价。PETERS和O'MALLEY根据不同储能技术的技术性能，采用定性分析法对能够应用于新能源并网发电的储能技术进行了评价。

综上所述，虽然目前已有不少学者利用不同的评价指标对各种储能技术进行了评价，但大多数评价指标集中在技术和经济两个方面，还没有形成一个完整、系统的评价指标体系，且评价方法多为定性分析法。基于此，笔者提出了基于粗糙集的新能源产业中储能技术评价方法，实证结果表明该方法是有效的。

1 粗糙集的基本概念

粗糙集是由波兰数学家 PAWLAK［5］提出的一种处理模糊和不确定性知识的数学工具。笔者利用粗糙集来对各种储能技术进行评价，为了便于分析讨论，引入如下概念。

定义1 S=（U，A，V，f）为知识表示系统，其中，U为非空有限集，称为论域；A为有限个属性的集合；V=，Va为属性 a∈A 的值域；f:U ×A→Va为一单射，使论域U中任一元素的属性赋予一个信息值，即∀x∈U，∀a∈A，f（x，a）∈Va。若信息系统中属性集A能分为条件属性集C和决策属性集D，即有C∪D=A且C∩D=φ，则该信息系统称为决策系统或决策表。同时，若在决策表中去掉决策属性，则决策表就变成了信息系统。

定义2 对于任意属性集C⊂A，存在对象xi，xj∈U，∀c∈C，如果满足 c（xi）=c（xj），则称对象xi，xj对于属性集 C 不可分辨（indiscernibility），记为Ind（C）。

定义3 对于属性ci∈A，如果Ind（A）=Ind（A－{ci}），则称ci是冗余的；否则称ci是独立的或者必要的。如果∀c∈A，c都是独立的，则称A是独立的。若C⊆A是独立的，并且Ind（C）=Ind（A），则称C是A的一个约简。

定义4 在决策表 S=（U，C，D，V，f）中，∀P⊆C，设 U/P={P1，P2，…，Pm}表示由条件属性集 P对论域U的划分，∀X⊆U，记 P（X）=，则称P（X）为X在U上关于P的下近似集。

定义5 在决策表 S=（U，C，D，V，f）中，设U/D={D1，D2，…，Dk}表示由决策属性集 D 对论域 U 的划分，U/P={P1，P2，…，Pm}表示由条件属性集P（P⊆C）对论域U的划分，称posP（D）=（Di）为P关于D的正区域。

定义6［6］在信息系统 S=（U，C，V，f）中，∀p⊆C，设 U/{p}={P1，P2，…，Pm}，定义属性 p的重要度为:

2 储能技术评价指标及权重确定

2.1 储能技术评价指标的建立

HADJIPASCHALIS等［7］指出不同的储能技术具有不同的特征、储能容量和应用领域，在根据不同的应用目的选择合适的储能技术之前，需要对每一种储能技术进行综合评价，而选择科学合理的评价指标是进行综合评价的第一步。因此，为了获得能够应用于新能源并网发电的大规模储能技术科学合理的评价指标，笔者首先对储能技术领域的专家进行咨询，概括总结出技术因素、经济因素、环境因素和社会因素为储能技术评价的4个主要因素；其次，从技术、经济、环境和社会4个方面，通过阅读、分析和梳理大量相关文献，来获得储能技术评价的指标。储能技术评价指标如表1所示。

2.2 储能技术评价指标权重的确定

在建立储能技术评价指标后，评价指标（属性）的权重可以由式（2）获得。

定义7 在信息系统 S=（U，C，V，f）中，∀ci∈C，定义:

表1 储能技术评价指标

为属性ci在信息系统中的权重。

3 基于粗糙集的储能技术评价方法

基于粗糙集的新能源产业中储能技术评价方法的具体步骤如下:

（1）建立初始信息系统 S=（U，C，V，f）。首先把表1中所有子指标作为信息系统的属性集，把要评价的储能技术作为信息系统中的对象集合；其次，获得每个对象在每个属性下的数据，并对数据进行离散化处理，从而构建一个信息系统S。

（2）信息系统属性约简。根据粗糙集理论中属性约简的概念，计算不可分辨关系，求解信息系统的各种约简，从而对信息系统进行约简。

（3）评价指标权重的计算。对于约简后的信息系统 S=（U，C，V，f），属性重要度可由式（1）计算，属性（评价指标）权重可由式（2）计算。

（4）综合评价模型。对于约简后的信息系统S=（U，C，V，f），∀Xn∈U

v（Xn，ci）为第n个对象在属性ci下的取值，ω（{ci}）为属性ci的权重，则每个对象的评价值可由式（3）计算。

4 案例分析

4.1 信息系统的建立

电力存储协会（electricity storage association）网站上公布的能够应用于新能源并网发电的储能技术有:抽水储能、压缩空气储能、钠硫电池、铅酸电池、全钒液流电池、锌溴液流电池、锌空气电池和镍镉电池。因此，以这8种储能技术为样本，记为 U={X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8}，用所提出的方法对其进行评价分析。

根据美国巴那威利电力管理局（Bonneville Power Administration）公布的各种储能技术的统计数据，得到以上8种储能技术在表1中的所有子指标下对应的数据，采用1～4等级的专家离散法［16］对所获数据进行离散化处理，从而构成信息系统，如表2所示。

表2 信息系统

4.2 属性约简

从表2可以看出，属性C4和C5，C2和 C13所对应的评价对象的属性值相同，即对于评价样本，它们具有相同的分辨能力，故只需保留其中的1个。因此，表2可以进一步化简为表3。

4.3 属性权重的计算

根据表3，利用式（1）和式（2）分别计算出各子指标的重要度及权重，如表4所示。

表3 约简后的信息系统

表4 各子指标重要度及权重

4.4 评价结果及分析

在获得各子指标的权重后，根据表3，利用式（3）计算出各储能技术最终评价值。评价结果如图1所示。

图1 储能技术评价结果

从图1可以看出，抽水储能的综合评价值最高，其次是压缩空气储能、锌空气电池、锌溴液流电池和钠硫电池，最后是铅酸电池、镍镉电池和全钒液流电池。这一评价结果与美国加州电力研究所2010年发表的研究报告［17］结果一致:目前抽水储能、压缩空气储能已经被应用于大规模储能，其中抽水储能是最成熟和应用最广泛的储能技术，是储能的首选技术；液流电池、钠硫电池随着技术发展将有巨大的规模化应用前景。

但由于抽水储能和压缩空气储能受地形、地质条件制约和对环境的影响，因此建议在具备适用条件的地方首选抽水储能，并优先支持发展以锌空气电池为首的液流电池，积极推动产业化发展和应用示范项目的开展，加强对液流电池和钠硫电池的研发力度。以此来更好地解决新能源大规模并网发电的瓶颈问题，进而促进新能源产业的可持续发展。

5 结论

新能源产业的瓶颈之痛是储能技术，其产业发展的核心问题是新能源并网发电问题。针对新能源产业中能够应用于新能源并网发电的储能技术评价问题，提出了基于粗糙集的评价方法。该方法首先在构建新能源产业储能技术系统评价指标的基础上，根据各储能技术的统计数据，建立储能技术评价信息系统；然后利用粗糙集对评价指标进行属性约简，以减少属性间相关性的影响，并根据不同属性的重要度来确定不同属性的权重；最后得到储能技术评价的结果。该方法一方面减少了评价指标的相关性对评价结果的影响；另一方面评价结果来源于各储能技术的客观数据，提高了评价的准确性和合理性。但在具体的应用领域中利用该评价方法时，应当与专家的知识经验相结合，将这种由数据驱动的客观评价方法，辅之以评价者的定性分析，能得到更科学的结论。

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