基于改进三角模糊VIKOR法的用户储能系统配置方案综合评估

马昭，赵会茹，霍慧娟，陆昊

(1. 华北电力大学 经济与管理学院，北京 102206；2. 国网经济技术研究院有限公司，北京 102209；3. 华北电力大学（保定） 经济管理系，河北省 保定 071003)

0 引言

高比例可再生能源与波动性电力负荷给电力系统稳定运行带来严峻挑战。利用储能系统的能量时空平移特性，可提高含高比例可再生能源电力系统的安全运行水平[1]。随着储能技术的发展与峰谷套利机制的成熟，用户储能系统的规模化建设得到广泛关注[2]。用户配置储能系统后给系统运行带来积极作用，也会付出一定成本。如何全面评估储能系统配置的积极作用与消极影响，帮助决策者进行方案比选，对于其推广应用具有重要意义。

为推动用户储能系统的发展，国内外学者已取得了大量研究成果。文献[3]设计了分布式储能系统消纳新能源的商业模式。文献[4-6]提出了储能技术经济综合指标。文献[7-9]建立了不同情景下储能系统应用价值评估模型。上述研究所涉及的储能系统评估模型多应用于特定场景下，且评估维度相对单一。在评估方法选择上，现有成果多以全寿命周期成本最小或系统收益最大为目标建立优化模型，通过求解最佳配置方案实现对储能系统的综合评估[10-12]。文献[13-16]在构建评估模型时考虑了决策环境的模糊性，但最佳配置方案的模型推导往往局限在特定环境，求解过程复杂，且参数设定对评估结果影响较大。

用户侧储能系统综合评估工作涉及经济、技术、安全等多个方面。为处理不同指标间评价标准的冲突性，综合考虑配置储能的积极作用与消极影响，提出一种基于改进三角模糊多准则妥协解排序(VIKOR)法的用户储能系统配置方案评估模型，实现了用户储能系统的综合评估与比选。

1 用户储能系统配置方案评估指标

1.1 基于扎根理论的评估指标集构建

扎根理论是一种科学有效的定性研究方法，其通过对访谈、文献整理等收集、归纳资料，提炼概念，形成新的理论观点[17]。本文运用扎根理论构建评估指标集，以确保指标集更全面、系统，具体流程如图1所示。

图1 用户储能系统配置方案评估指标集构建流程Fig. 1 Construction process of configuration evaluation index set of user energy storage system

按照文献分析法与专家访谈法搜集用户储能配置方案的原始数据资料。通过搜索中国知网、Web of Science等数据库资料，提取原始文献数据。通过一对一访谈和调查问卷，获取访谈数据。将文献数据与访谈数据进行编码、概念化与范畴化处理。其余访谈数据用于指标集饱和度检验。在开放式编码阶段，对原始数据进行编码、概念整合、范畴化处理后得到23个副范畴，构成评估指标层。

在主轴编码阶段，对副范畴进行概念深度提炼，形成4个主范畴，包括成本与收益、技术水平、环境影响、系统运行价值。在选择性编码阶段归纳核心范畴。为确保指标完备性，对剩余访谈数据再次进行编码、概念挖掘、范畴化处理，通过理论饱和度检验没有发现新的范畴关系，表明构建的评估指标集通过了检验，如表1所示。

表1 用户储能系统配置方案评估指标集Table 1 Evaluation index set for configuration scheme of user energy storage system

1.2 基于灰色关联-粗糙集的关键指标筛选

基于灰色关联-粗糙集理论[18]筛选关键指标，为避免方案数据差异性对评价结果的影响。本文邀请多位领域专家，从科学性、简明性、适用性、可测度性、可持续发展5个方面进行指标测度，获取样本数据。

首先，基于灰色关联分析理论进行聚类分析，得到样本数据的灰色关联矩阵A，并采用最大系数法生成指标聚类谱系图。然后，采用F统计量来确定最佳阈值及分类方案[19]。F值越大，样本差异越显著，分类结果越好，由此确定最佳聚类数及最佳分类方案。最后，按照上述过程依次计算剔除指标后剩余样本的最佳阈值及分类方案，并将其与方案进行比较。若剔除某个指标后的最佳分类方案与此方案相同，则剔除该指标不会影响样本分类，属于不重要指标；反之，为重要指标。其他维度指标也可按照上述过程进行筛选，构成用户储能系统配置方案评估指标体系，如图2所示。

图2 储能系统配置方案综合评估指标体系Fig. 2 Comprehensive evaluation index system of energy storage configuration scheme

2 用户储能系统配置方案评估指标的组合权重

（1）基于模糊层次分析(FAHP)法的主观赋权法。假设评价对象包含n个指标，决策者进行语言等级评价，再转化为对应的三角模糊数，如表2所示。

表2 指标重要程度及其三角模糊数Table 2 Index importance and the triangular fuzzy numbers

（2）基于改进标准间重要性相关性(CRITIC)法的客观赋权法。CRITIC法是基于指标之间的对比度和冲突性来确定权重[22]。为有效反映指标信息的变异性，本文采用变异系数来代替标准差，对传统CRITIC法进行改进。首先按照梯级平均综合法进行标准化处理，建立标准化矩阵D，再进行模糊化处理， 整合得到去模糊化后的标准化矩阵E， 采用变异系数法计算对比强度， 采用皮尔逊相关系数量化指标 i 与间的冲突性[23]。最后计算综合信息量，确定客观权重为

式中：n为指数总数。

（3）指标的组合权重计算。采用乘法合成归一法将主观权重值和客观权重进行组合，即

式中：wi为指标i的组合权重。

3 基于改进三角模糊VIKOR法的用户侧储能系统综合评估模型

3.1 改进的三角模糊VIKOR法

VIKOR法通过平衡个体遗憾值和群体效益值，得到决策者可妥协的最佳折中方案[24]。传统VIKOR法是通过Lp-metric聚合函数来确定评价方案与理想方案间的距离，即

式中：Lp-metric为各待评价方案到理想方案的标准化距离，该值越小方案越优；为经标准化后的指标值；、分别为正、负理想解；p为聚合函数计算系数。

Lp-metric聚合函数得到的标准化距离是采用线性加权方式获得的，但其个体遗憾值和群体效益值将与实际情况存在较大偏差[25]。因此，本文采用欧式距离来替代Lp-metric聚合函数，对传统VIKOR法进行改进。针对评估决策过程的模糊性，引入三角模糊数理论，构建基于改进三角模糊VIKOR的用户储能配置方案综合评估模型。具体操作步骤如下。

3.2 基于改进三角模糊VIKOR法的综合评估流程

用户储能系统配置方案综合评估流程如图4所示。在阶段1，根据扎根理论及灰色关联-粗糙集方法，组建储能系统配置方案综合评估指标体系。在阶段2，确定待评价对象及指标数据。对于定性指标，由决策组专家进行语言评价，确定三角模糊数；对于定量指标，根据不同储能配置方案的性能状况，确定指标的三角模糊数值，初始决策矩阵C及标准化矩阵。在阶段3，基于FAHP法确定主观权重值，基于改进CRITIC法确定客观权重值，计算组合权重值。在阶段4，基于改进三角模糊VIKOR法对用户储能配置方案进行评估，计算待评价方案的群体利益值、个别遗憾值及折中值，确定最优方案。

图4 用户储能系统配置方案综合评估的流程Fig. 4 Flow chart of comprehensive evaluation for configuration scheme of user energy storage system

4 仿真分析

本文选取北方某综合商业楼宇区，进行仿真分析。该楼宇区，年均用电量约为226万kW·h。典型日负荷高峰集中在10:00—13:00和17:00—20:00时段。该楼宇区储能系统功率是1 MW，最多放电4 h。每日充放电各一次，每次运行4h。本文选取铅炭电池、铅酸电池、磷酸铁锂电池、全钒液流电池4种常见储能配置方案作为待评价方案进行分析比选。

（1）待评价方案及指标预处理。基于文献资料与数据，搜集指标数据集，计算最小值、均值和最大值，得到模糊数值，整合形成初始决策矩阵C，再进行标准化处理，结果如表3所示。

表3 评估指标的标准化处理结果Table 3 Standardized values of evaluation indicators

（2）指标的组合权重值确定。根据FAHP法确定主观权重，根据改进CRITIC法及标准化矩阵确定客观权重，再求得组合权重值，结果如图5所示。其中指标C11、C24权重值最大，其次为指标 C23、C13。

图5 用户储能配置方案综合评估指标权重值Fig. 5 Comprehensive evaluation index weight value of user energy storage configuration scheme

（3）储能配置方案评价与优选。根据改进模糊三角VIKOR法，计算S、R、Q值，并由小到大排序如表4所示。按照判定准则，铅炭电池为最优方案，其次为磷酸铁锂电池、铅酸电池和全钒液流电池。

表4 S、R、Q值及排序结果Table 4 S、R、Q values and sorting results

图6 不同决策系数下Q值变化情况Fig. 6 The change of Q value under different coefficients

采用单因素轮换OAT法对指标权重进行敏感性分析，如图7所示。Q值绝对平均变化率远低于权重变化率，表明评价结果具有稳定性。

图7 指标权重的敏感性分析结果Fig. 7 Result of sensitivity analysis of index weights

5 结论

综合考虑经济、技术、环境等，本文构建了基于改进VIKOR法的用户储能系统配置方案综合评估模型。运用扎根理论与灰色关联-粗糙集法，从成本与收益、技术水平、环境影响和系统运行价值4个方面建立了评估指标体系。再基于主客观赋权法计算组合权重值，针对指标间评价标准的冲突性与评估过程的模糊性，建立了改进三角模糊VIKOR模型对储能配置方案进行评估。