一种储能技术发展与储能标准耦合度计算方法

张 涛，顾 洁，张 宇，方陈



一种储能技术发展与储能标准耦合度计算方法

张 涛1,2，顾 洁1,2，张 宇3，方陈3

（1上海交通大学电气工程系，上海 200240；2大数据工程技术研究中心，上海 200240；3国网上海市电力公司电力科学研究院，上海 200437）

随着储能技术的进步及应用场景的拓展，国内外对于储能领域的重视程度与日俱增。鉴于目前国内无论是储能技术还是储能标准都处于初期发展阶段，对于储能技术发展与储能标准之间的耦合度进行量化分析，有利于梳理储能技术与标准发展的障碍，促进我国储能产业健康稳步的发展。本文提出了储能技术和储能标准评价指标体系，进一步建立储能技术与标准的耦合模型，形成了一种储能技术与标准的耦合分析方法。利用该方法对我国目前典型储能技术与储能标准耦合情况进行实例分析，结果表明，目前二者整体耦合性中等，而我国整个储能产业依旧处于较低的发展水平。

储能技术；储能标准；评价指标体系；耦合模型；耦合度；耦合协调度

我国对于储能技术与应用的研究相对于欧美国家和日本起步较晚，储能技术及储能标准落后是制约我国储能领域发展的两大因素。储能技术在原理上成果丰硕，但是缺乏实践，需要在应用中进行验证；储能标准的落后则导致储能技术的应用缺乏先进的指导和方向，影响储能技术的推广。欧美国家对于储能技术研究起步早，对于物理储能、化学储能及其它储能方式的理论研究成熟，实践经验丰富，技术处于领先地位；日本化学储能方式尤其是锂离子电池技术较为领先[1]。欧美国家在制定储能标准方面尤为领先，最具话语权。美国电气与电子工程师协会（IEEE）P2030系列[2]、IEEE 1547[3]系列均代表储能领域最先进的标准，国内标准大部分在参照该系列标准情况下制定。鉴于国内无论是储能技术本身，还是储能标准的制定都不够成熟，有较大的发展空间，为了提高储能标准制定的针对性，夯实储能标准的技术先进性，需要对二者的耦合关系进行分析。随着储能研究与应用的推进，储能的新技术、新应用场景将会不断涌现，储能技术的发展与标准的耦合关系也将呈现动态变化，因此有必要建立一种对储能技术与储能标准耦合度进行量化分析的方法。目前国内外尚未针对二者耦合关系开展相关研究，鲜见相关论文报道。

本文将通过对储能技术和储能标准的分析，从技术性、经济性、对环境的影响三方面提出储能技术评价指标体系；从技术水平、协调配套性、结构和内容、应用程度四方面提出储能标准评价指标体系，依据实际应用中的重要性及调研意见设置各指标权重，参照物理学中耦合概念建立相应的耦合函数，在此基础上构建耦合模型，对储能技术与储能标准的耦合度进行量化，形成二者耦合分析方法。最后，对我国目前储能技术、储能标准进行实例计算，对所提出的模型进行验证分析。

1 储能技术与储能标准耦合的含义

耦合作为物理学概念，指两个或两个以上系统通过各种相互作用而彼此影响的现象。耦合的基本前提是耦合各方必须存在某种关系；耦合的结果是耦合各方的属性会发生变化。如果耦合各方之间协调发展、相互促进，则为良性耦合；若耦合各方之间相互排斥、抑制发展，则为恶性耦合[4]。

储能技术和储能标准之间显然是存在关联的，可以将储能技术和储能标准视为储能产业中两个相互独立而又彼此影响的系统。储能技术成熟是制定储能标准的条件之一，因此，储能技术的发展能够加速储能标准的制定工作，可以视为储能技术这个系统的发展对于储能标准这个系统具有正面的促进作用；已经制定的储能标准能够对整个储能产业产生规范、指导的作用，带动整个储能产业的进步，因而可以进一步促进储能技术的发展，这可以视为是储能标准系统对储能技术系统的正面促进作用。储能技术与储能标准耦合是指二者通过相互作用协调发展，产生共同促进的作用，这是一种良性的协同耦合关系。

2 储能技术和储能标准评价指标体系

评价指标体系是指由一系列反映被评价对象目标的、互相联系的指标构成的有机整体。它反映了被评价对象在实现目标的过程中各个方面的相互依存关系，是开展评价工作的出发点和依据。

为了使评价指标体系科学化、规范化，在构建指标体系时，必须遵循系统性原则、典型性原则、简明科学性原则和可比、可操作、可量化原则[5]。

2.1 储能技术评价指标体系

根据以上原则，结合储能技术发展现状并参考相关文献[6]，将储能技术的评价指标体系分为技术性A、经济性B和对环境的影响C三大类，其中技术指标下又包含容量A1、密度A2、寿命A3、效率A4四个子指标，对储能技术的一些基本技术特征进行评价；经济性指标包含初始投资B1、固定运维成本B2和可变运维成本B3三个子指标，对储能技术进行经济性评估；对环境的影响包含安全性C1、环保性C2两个子指标，安全性主要是评估储能技术运行的安全稳定性，环保性主要评价一项储能技术是否绿色环保，是否对环境产生污染或者对生态环境造成影响，安全性和环保性两个指标度量采取五分制，以专家打分[7]（范围0～5）作为数据来源。储能技术评价体系如图1所示。

各指标权重的设置参考文献[8]中对于储能技术评价体系指标的权重设置，条件允许可通过召开专家研讨会、厂商问卷调查、用户意见反馈等渠道，综合研究确定各影响因素的相对重要性后得出，鉴于目前我国储能领域上述调研及专家研讨等工作开展成果积累较为有限，本文暂参考相关文献将各指标权重设置如表1所示，今后随着相关工作推进与经验积累可结合熵权法、标准离差、包络线分析等客观赋权法对储能技术与标准进行评价，以增强评价结果的说服力[5]。

表1 储能技术评价体系指标权重

2.2 储能标准评价指标体系

参考文献[5]结合层次分析法和专家咨询法拟定储能标准的评价体系，该评价体系分为技术水平A、协调配套性B、结构和内容C、应用程度D四个子系统。其中技术水平类包含与我国生产水平相比的适应性A1，考察标准所规定的技术水平与当前我国在储能领域的主流研究水平、设计水平、工艺水平、生产水平等相比是否适应；与国际标准水平相比的先进性A2，考察我国储能标准的整体技术水平与国际标准水平相比是否先进。结构和内容包含结构合理性C1，该指标仅从是否需要整合的角度考察标准的结构合理性；内容合理性C2重点考察储能标准的技术内容上存在的问题。应用程度D指标主要考察标准当前被多大比率的用户所使用。储能标准评价体系的所有指标均采取五分制来度量，以专家打分（范围0～5）作为数据来源。储能标准评价体系如图2，各指标的权重设置依然采取专家咨询法进行确定，各指标权重设置见表2。

图2 储能标准评价体系

Fig.2 Energy storage standard evaluation system

表2 储能标准评价体系指标权重

3 储能技术与储能标准的耦合模型

为了对储能技术与储能标准耦合度进行量化分析，本文建立了储能技术与储能标准的耦合模型。为了消除指标体系中量纲问题，首先要对各项数据进行标准化处理。

根据评价指标体系分别评估储能技术、储能标准的发展水平，然后代入储能技术与储能标准的耦合模型计算二者之间的耦合度、耦合协调度，以及储能产业的整体发展水平。但是在代入耦合模型计算之前，首先需要对各项数据进行标准化处理。

3.1 数据标准化处理

由于储能技术和储能标准评价指标体系均由若干指标组成，各评价指标的性质不同，具有不同的量纲和数量级，无法直接进行比较。而且当各指标间的水平相差很大时，若直接用原始指标值进行分析，就会突出数值较高的指标在综合分析中的作用，相对削弱数值水平较低指标的作用。因此，为了保证结果的可靠性，在将数据带入耦合模型计算之前，首先要对数据进行标准化处理。

数据标准化处理，就是将数据按一定比例缩放，使之落入到一个小的特定区间。这里采用将数据落到0～1区间的方法，也叫做数据的归一化处理[9]。如式(1)、式(2)所示

正向指标标准化：（1）

负向指标标准化：（2）

3.2 构建耦合模型

（1）用线性加权法对储能技术、储能标准水平进行评估，计算见式(3)

令u1、u2表示储能技术、储能标准的综合发展水平，令u1j、u2j表示储能技术评价体系、储能标准评价体系的第个指标的数值，由原始数据根据指标标准化公式计算得出；令w1j、w2j表示储能技 术评价体系、储能标准评价体系中第个指标的权重，可以得到储能技术和储能标准的综合发展水平u1、u2。

（2）定义耦合度函数。借鉴物理学中的耦合 度函数，定义储能技术与储能标准之间耦合度公 式为[10]

（4）

（6）

根据构建的耦合模型，将相关数据标准化处理后代入计算，即可对储能技术与储能标准的耦合度进行量化分析。

4 实例计算与分析

通过对《储能科学与技术》等杂志、中国储能网及国内外部分储能数据库资源进行大量调研，获得了储能技术的相关数据，选取其中数据相对完整的储能技术为代表。根据建立的储能技术评价体系、储能标准评价体系和耦合模型，利用收集到的相 关数据对我国储能技术与储能标准间耦合度进行 测算。

（1）首先，对储能技术进行评价。本文以抽水储能、蓄电池储能、飞轮储能、超导磁储能、超级电容器储能、压缩空气储能等六种目前应用较为广泛的储能技术为例，应用所提出的耦合度模型进行计算评价，由于本例考察的是我国储能技术整体与储能标准的耦合程度，为不失一般性，本文暂取六种技术评价结果的平均值作为储能技术系统的评价结果，后续可结合实际应用行业的关注点，针对具体储能技术，进一步开展评价计算与分析。根据对于行业的调研及参考相关论文[12-14]，收集到的典型储能技术的原始数据如表3所示。

对原始数据进行标准化处理，并根据各个指标的权重对处理后的数据进行处理后，结果如表4所示。

表3 储能技术原始数据

表4 标准化处理后储能技术评价指标

对六种储能技术的评价结果取平均值，得到储能技术的综合评价结果为u1= 0.4481。根据储能技术评价体系的权重，储能技术在容量、能量密度、寿命、投资成本方面的技术提高，能够大幅度提高评价结果。

（2）对储能标准进行评价。本文选择目前我国已经制定的在储能领域比较具有代表性的《储能系统接入配电网技术规定》[15]（简称“技术规定”）、《储能系统接入配电网测试规范》（简称“测试规范”）、《储能系统接入配电网运行控制规范》[16]（简称“控制规范”）3个标准为对象进行评价，然后取评价结果的平均值作为储能标准系统的综合评价结果。采用专家打分法，参考相关技术标准体系评价要求，确定储能标准各个指标的评价值，对数据进行标准化处理后得到结果如表5所示。

表5 储能标准评价指标

对上述3个标准的评价结果取平均值，得到储能标准的综合评价结果u2=0.715。

（3）代入耦合函数进行计算分析。计算储能技术系统和储能标准系统的评价值后，代入耦合函数，根据式(4)～(6)得到二者耦合度=0.9733，综合评价指数=0.5549，耦合协调度=0.7349。

储能技术系统的评价指数u1=0.4481比较直观的反映了目前我国储能技术尚且不够成熟的现状，另外表4中计算结果也符合目前只有抽水储能这一技术相对成熟的实际情况。储能标准系统评价指数u2=0.715并不能表明我国目前在储能标准领域已经十分领先了，从各指标具体数值分析，储能标准在应用程度、协调配套性、结构合理性方面评价较高，但是内容合理性、与国际标准相比较的先进性有待提高。

耦合度=0.9733显示储能技术系统与储能标准系统二者之间耦合处于较高水平，但是从综合评价指数=0.5549可以看出，我国储能产业还处于比较低的发展水平，因此需要通过二者耦合协调度进行进一步分析。储能技术系统与储能标准系统耦合协调度的绝对等级评价标准如表6所示[17]。

对照计算得到的储能技术与储能标准的耦合协调度=0.7349，可知二者目前处于一个中级协调的水平。相比较耦合度而言，耦合协调度能够反映储能技术与储能标准交互耦合的整体协调发展水平，因此能够更加真实的反映储能技术与储能标准的耦合程度。

表6 耦合协调度绝对等级评价表

从整个储能技术与储能标准耦合度分析结果来看，目前我国储能技术与储能标准耦合较好，但是仍有上升空间，协同耦合关系可以进一步加强。储能技术、储能标准依据评价指标体系评估结果都比较低，储能技术系统评价结果低的主要原因是，相比较于美国、日本等在储能领域处于领先地位的国家，国内对于新兴的储能技术研究起步晚且力度不够，应该予以重视，防止日后被其它国家在这个领域形成技术壁垒。储能标准系统评价结果低，原因在于标准先进性指标评价十分低，实际情况是我国目前制定储能标准往往都需要参照国外早已制定的标准，这样不仅会导致我国制定的标准难以跟储能技术的发展同步，内容上不能做到与时俱进，也使得我国难以在储能领域掌握话语权，很可能丢失未来的广阔市场，因此务必加强我国制定储能标准的积极性和主动性。

5 结 论

在储能的价值愈发重要而国内储能技术与储能标准耦合研究处于空白的背景下，本文对储能技术与储能标准耦合度量化方法进行研究，提出了储能技术、储能标准指标评价体系，构建了储能技术与储能标准的耦合分析模型。应用本文提出的指标评价体系对我国储能技术与储能标准进行综合发展水平评估，并代入耦合模型进行耦合度量化分析。

针对六种典型储能技术及三种储能现行标准的耦合关系分析结果表明：

（1）储能技术与储能系统可以形成良性的协同耦合关系；

（2）目前我国储能技术与储能标准处于中等偏上的耦合关系；

（3）我国储能技术、储能标准发展水平都比较低，不仅要加强相关储能技术的研究工作，还应该提高制定储能标准的主动性，争取在储能领域掌握更多话语权，未来才能够在储能产业占据更多的市场。

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A method of quantifying coupling degree of energy storage technology and standard

ZHANG Tao1,2, GU Jie1,2, ZHANG Yu3, FANG Chen3

(1Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2Research Center for Big Data Engineering and Technologies, Shanghai 200240, China;3State Grid Corporation of China, Shanghai Electric Power Research Institute, Shanghai 200437, China)

With the progress of energy storage technologies and the expansion of energy storage application scenarios, the degree of attention for energy storage is increasing. In view of both the domestic energy storage technology and standards at an early stage of development, quantifying coupling degree of energy storage technology and standard can effectively help sort out obstacles to promote healthy and steady development of China's energy storage industry. This paper put forward an energy storage technology and standard evaluation system, develop a coupling model, and finally form a coupling analysis method of energy storage technologies and standards. Using this method, this paper analyze domestic typical energy storage technology and storage standards, results show that coupling degree is at a medium level but entire energy storage industry is still at a low level.

energy storage technology; energy storage standards; evaluation system; coupling model; coupling degree; coupling coordination degree

10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0063

TM 91

A

2095-4239（2017）02-280-07

2016-08-24；修改稿日期：2016-09-18。

国家重点研发计划（2016YFBD900101），国家电网公司科技项目（520940150DF）。

张涛（1992—），男，硕士研究生，研究方向为储能技术，E-mail：314933960@qq.com；

顾洁，副教授，研究方向为电力系统优代运行和规划、电力市场、智能电网、高温超导技术在电力系统中的应用，E-mail：gujie@sjtu.edu.cn。