基于模糊环境下面向能源互联网多种储能项目建设决策研究

乌云娜，张 婷，伊力奇，武程浩

（华北电力大学经济与管理学院，北京 102206）

1 研究背景

能源互联网综合运用先进的电力电子技术，信息技术和智能管理技术将大量的分布式能量采集装置、分布式能量储存装置与各类负载构成的新型电力网络、石油网络、天然气网络等能源节点互联从而实现能量双向流动的与共享交换的共享网络。随着能源系统的绿色、低碳、可持续发展，可再生能源在中国的应用领域不断扩大，装机容量不断增加［1］。然而，由于风力变化和昼夜交替，主要新能源风力发电与太阳能发电呈现出显著的随机性、间歇性与波动性的特点，致使其与固定用电需求的用户难以按照传统方式匹配［2］。为此，大型且高效的储能系统成为能源转变的关键支撑点，且在多能互补中具有重要的地位。储能是智能电网、可再生能源接入、分布式发电以及电动汽车发展中不可或缺的支撑环节。然而，成本高是影响储能大规模发展的一个主要因素，其关键材料、制造工艺与能量转换效率等因素也是各种技术面临的共同挑战与瓶颈。截至2018年年底，中国储能项目使用情况如图1所示，中国目前储能现状仍以抽水蓄能为主。然而，在面向互联网能源体系中，高效的匹配于选择合理的储能项目可以加快能源互联网的发展，同时保证能源互联网更加安全可靠的运行［3］。因此，本文综合分析每种储能的主要特征，选择最优的面向能源互联网的储能项目投资决策是对能源系统的可持续发展关键决策之一。到目前为止，相比于美国与日本，中国尚未形成储能运用标准体系。

图1 2018年底储能项目使用情况

现有储能技术主要包括机械储能，如抽水蓄能，压缩空气储能与飞轮储能等；电化学储能，如锂电池，钠硫电池，钒液流电池等；以及电磁感应储能，如超级电容器储能与超导储能等。在机械储能中，抽水蓄能是目前最为成熟的储能技术。且装机容量最大，技术最为成熟，适合大规模储能接入是抽水蓄能最大特点。然而由于抽水蓄能对地理条件的要求较高，因此适合建立此种储能设备的厂址有限，且施工建设难度较大［4］。而传统压缩空气储能虽容量大，工作时间长，充放电循环次数多且寿命长，但其低效率以及苛刻的建设条件使得其推广应用受到了限制。为了解决传统压缩空气储能的种种问题，先进的绝热压缩空气储能技术、液化空气储能技术以及超临界压缩空气储能技术与可再生能源的耦合已成为国内外研究的重点方向［5］。除此之外，飞轮储能有着效率高且寿命长等优点，但其严重的自放电现象以及较高的建设成本在一定程度上限制了其发展。

相比较而言，蓄电池作为一种电化学储能设备具有较为成熟的技术，能量转换效率较高且环境适应能力强［6］。然而，由于较高的建设与运作成本，电磁感应储能的装机容量也较为有限。超级电容器是20世纪60年代率先出现在美国，由于适用特殊材料作为电极与电解质，这种电容器的存储容量是普通储能设备的20～1 000倍。其与传统蓄电池相比具有能量密度高且使用寿命长的特点。与飞轮储能和超导储能相比它的使用可靠性较高［7］。相比较而言，超导储能具有效率高、响应速度快且无噪音污染等优点，但其相对较高的成本与维修使得其在运用过程中受到了一定的限制［8］。由于不同储能设备性能差异较大，且储能在能源互联网中扮演着重要的角色，因此选择最佳的储能项目对能源互联网的可靠高效运行有着至关重要的作用。

能源互联网强调了未来能源消费要充分考虑电、热、气多种能源形式的耦合。在能源的生产、流通以及消费中建立一个监视的信息通信系统，使得能源系统更加现代化、方便且可靠。与传统能源系统相比，能源互联网有3个突出的优势［9］：

（1）通过与分布式储能系统的耦合和信息系统的继承，解决可再生能源输出与用户侧负荷需求的强随机性；

（2）利用天然气管网、冷暖系统、电力系统等能源之间的耦合关系，将其作为一个综合的能源供应系统；

（3）能源互联网存在双向交互作用，有利于能源信息的有效沟通与能源系统的充分协作；

作为能源互联网的重要部分，储能设备在其中发挥着至关重要的作用。为探究在能源互联网中储能项目投资决策的优先适用性，本文总结了影响储能设备运行的关键指标并构成综合指标体系，并对三类九种储能设备进行综合效果评价，同时根据评价结果对能源互联网中储能设备的运用提出有针对性的意见和建议。

2 指标体系与评价模型的建立

2.1 储能项目评价指标的建立

科学合理的指标评价体系是取得客观且有效的评价结果的重要依据。在参考文献［10-12］与相关储能研究报告等资料的基础上，考虑到储能项目的主要性能指标，建立了储能项目的运行效果的综合评价指标体系如表1。

表1 储能关键指标体系

能量转换效率（C11）是储能元件储存起来的电量与输入能量的比值。转换效率指标用于反映能源互联网中储能设备运用的效率，能效系数是衡量能源互联网系统储能设备运用的重要指标之一。

储能使用寿命（C12）。储能设备的寿命与工作方式密切相关。不同的储能设备寿命是不同的，使用寿命长的储能设备对能源互联网的稳定可持续发展具有推动作用。

储能响应速率（C13）与能源密度（C14）均是衡量储能能力的重要指标，但每种储能设备的相应速率与能源密度都不尽相同，因此通过综合分析两种储能项目的这两项指标可以区别不同储能的优劣。

能源成本（C21）与储能电站建设成本（C22）以及运行维护费用（C23）是衡量储能电站的重要的经济指标，通过评价储能电站的经济情况，选择经济较为合理且可持续发展的储能项目。

噪音污染（C31）与环境保护成本（C32）为两项重要的环境指标，噪音较高的储能的项目会影响附近居民的正常生活且对其工作人员也具有较大的影响。作为帮助可持续绿色电力的能源发展，储能项目的建设要本着绿色发展的原则进行环境保护，这类产出即为环境保护成本。

就业机会（C41）与土地需求（C42）是社会评价指标，是储能电站投资的外部指标，也是衡量储能电站与能源互联环境之间的相互影响。

2.2 模糊综合评价模型

2.2.1 评价指标值表示方法

图2 IT2TRFN模糊数

由于决策环境的模糊性以及决策者自身对评价对象的犹豫性，传统的确定数集对于定量指标的指标值获取会有较大的偏差，因此本文将结合决策者最习惯用的语言集对定性指标进行评价，并最终将其全部转换为IT2TrFNs［14］（见表2）。

表2 语言集与IT2TrFNs转换关系

表2（续）

2.2.2 PROMETHEE评价方法

PROMETHEE-II已经得到了深入的研究和广泛的应用，是基于流量来判断各方案优先程度的MCDM方法。它可以通过选择优先函数的类型和设置相应的函数参数来更好的反应决策者的主观意愿，而无需对原始数据进行处理，避免由于原始数据处理方法不同而造成结果差异［15］。PROMETHEE-II具体评价方法步骤如下［16］：

步骤1：计算指标间距离。基于评价对象的指标值，运用公式（1）计算得出两两指标间的距离。

步骤2：构造优先函数。通过考虑不同指标的特点，Brans等［17］提出了6种优先函数，每种指标选择合适的优先函数从而确保评价结果的有效性。

Form 1：常用标准

Form 2：U-shape标准

Form 3：等级标准

Form 5：V-shape无差别标准

Form 6：高斯标准

步骤3：优先系数计算

步骤4：计算正流量

步骤5：计算负流量

步骤6：计算净流量

步骤7：排序。根据每个方案的净流量值，可以确定水平高于关系见图3。

图3 级别关系图

3 多种储能项目运行效果评价案例分析

本文选择九种具有代表性的储能项目对其面向能源互联网的运行效果进行综合分析，从而选择更加适合能源互联网建设的储能项目，为能源互联网的可持续发展献计献策。

首先采用文献阅读方法搜集各种储能项目指标值，建立原始评价信息矩阵如表3所示。考虑到指标值的模糊性与指标环境的不确定性，本文采用专家评价法与IT2TrFN转换方式来描述评价对象的指标信息。

为充分表示指标值与指标体系中每个储能指标相对于能源互联网应用的相对重要性，本文采用专家决策法确定定性指标值以及每种储能指标对能源互联网的重要度。选取3位专家进行理性评价，专家选择条件为：（1）对能源互联网有深入研究；（2）对每种储能的特征有较为全面的了解；（3）具有两项以上能源类研究成果；三位专家打分前详细了解各种储能项目的相关运用背景，性能，并进行多项储能电站实地考察研究，以保证充分并深入了解储能项目状况。运用OWA算子将上述专家的指标重要度进行集结，得到最终权重结果见图4。

表3 储能项目运行效果评价指标体系指标值

图4 权重结果图

运用PROMETHREE-II对9种具有代表性的储能项目进行综合排序。三位专家针对指标特征选择三类优先函数。由于储能技术特征通常用等级来评价，因此选择等级标准来确定一级指标C1下的个指标优先系数。由于经济标准通常设置在一定范围之内，因此C2适合采用U-shape标准。但对于环境与社会标准，专家们认为指标值的变化无较为明显的关系，因此本文选择常用标准来确定C3与C4下指标的偏好系数。具体偏好函数的选择与变量的设置如表3所示。随后计算出每种储能项目的优先系数，正流出量与负流入量，最后根据公式（17）确定每个项目的净流量如表4所示。

基于模糊环境下IT2TrFN-PROMETHREE-II模型，综合考虑各种储能项目的指标表现情况后结果显示，机械储能中的抽水蓄能与飞轮机储能、电化学储能中的铅酸电池以及电磁感应储能中的超导储能更加适于参与能源互联网建设规划中。综合考虑各种指标后，储能项目的效果评价排序结果为飞轮储能优于铅酸电池优于抽水蓄能优于超导储能。具体评价结果如表5所示。

表4 偏好函数与变量的设置

表4（续）

表5 储能项目正流出、负流入与净流量

4 面向能源互联网的储能项目决策分析

由于90年代后，飞轮储能技术在材料、摩擦损耗、电力转换技术方面取得了突飞猛进的发展，给飞轮储能技术在电力调峰与提供电源转换的不间断电源方面上带来了更大的发展空间。铅酸电池在能源互联网运作中具有重大的作用，其具有通用，成本低，高低温性能较好且效率较高等优点，但其含有铅等有毒物质对环境具有一定的污染性，因此在运用过程中需要对其生产以及使用后处理进行严格把控，防止其对环境造成危害。抽水蓄能作为一种技术成熟、适合大规模建设且成本较低的储能装置，在电力系统中调峰与平滑新能源的波动性具有较为广泛的应用。但抽水蓄能对地形的要求较高，建设维护工作较为复杂，应用的领域受到了一定的限制。最后超导储能相比于其他储能最大的优点就是响应速度快，这使得其在降低本身高成本的基础上拥有着广泛的应用前景。其他储能技术在关键性质上往往表现出不同程度的优劣性，因此减少各种储能的劣势发挥其优势是能源互联网应用的关键。

5 结论

为研究面向能源互联网的储能项目投资选择问题，本文运用专家决策法与文献阅读方法建立评价指标体系，并采用模糊综合评价拓展方法IT2TrFNPROMETHREE-II对九种具有代表性的储能项目进行综合分析，考虑了评价环境的模糊性与指标值的不确定性。评价结果表示飞轮储能，铅酸电池储能，抽水蓄能以及超导储能更加适合帮助能源互联网的建设。通过对评价结果的分析，给出面向能源互联网的建设决策建议，为我国能源互联网的储能建设提供理论基础。