电化学储能电站并网指标体系研究

国家电力投资集团安徽分公司 方顺顺

1 引言

由“十四五”规划提出，预计2025年新型储能从初期商业化向规模化发展，拥有大规模商业条件，进一步提高电化学储能技术，降低系统成本超过30%。国家能源局表示，电力系统对能力调节需求不断提升，开发消纳新能源规模增大，推进规模化储能技术势在必行，要求新型储能和常规电源、新能源协同优化，挖掘电源储能潜力，增强系统容量支撑及调节能力。

2 电化学储能概述

储能是转化电能为其他能量形式存储起来，需要时即可释放，实现电力在输送端、供应端、用户端稳定运行。电化学储能作为二次电池储能，以化学元素为储能介质，整体充放电过程，储能介质也随之产生化学变化或反应[1]。在能源并网下，电化学储能能够平衡系统能量流，作为中转站，能够对多种能源系统耦合，协同运行不同能源，支持可再生能源的大规模消纳，降低弃光、弃风率，即便系统产生故障或波动，也能保证能源供应、生产连续性，稳定能源运行，促进能源消费市场化[2]。电化学储能作为重要技术，具有不受位置限制、灵活成组的优势，对建设成本、运行安全具有较高要求。以储能技术装机容量、经济性、安全性及工程适用性而言，全钒液流、碳铅、锂离子电池最具竞争力。而锂电技术拥有较多线路，相比动力锂电池，对能量密度要求宽松，循环寿命、成本要求却较高。以此来看，现阶段磷酸铁锂电池作为适用于储能的技术，多投产建设电站项目也多使用该电池。

3 电化学储能电站运行评价

3.1 运行核心指标

一是放电深度，是电池循环中，容量放出与电池额定容量比值，电化学储能电子的放电深度，对储能循环寿命具有直接影响，放电深度越小，衰减电池速度越慢，进而延长电池使用寿命[3]。

二是存储容量，即存储最大能量值，以瓦时作为计量单位。

三是循环寿命，储能系统的放电过程、一次充电即为1次循环，寿命为储能系统充放电最大次数。

四是剩余电池容量，剩余电量占额定容量比例，按照IEEE 标准，使用电池一段时间，充电容量小于80%额定容量，需更换电池。

五是能量转换效率，储能系统进行充放电中，会出现能量损失，进而降低能量转化效率。

3.2 特征量权重

电化学储能电站用于削峰填谷，根据计划质量在固定时间充放电进行运行，与电网调度信息交互包括电站电量、电池荷电状态、电站温度等[4]。通过基本参数，能够体现电站信息，确保电站稳定运行。但是，电网工况较为频繁，调压、调频等短期尺度变化，上述参数难以将电站调度能力展现出来，需面向多场景工况，确定电站感知特征权重。

3.2.1 多场景故障

电化学储能电站发电侧多以平抑新能源功率输出波动及火储联合调频，根据电站历史数据，结合电站多次充放电，接收不断变化的功率指令，容易产生PCS 通信故障及电池一致性故障[5]。而电网侧，电站用于紧急支撑、系统备用、满足尖峰负荷等，如果电池模块经常进行紧急支撑、浮冲时，增加了PCS 功率输出负担，可能出现PCS 保护故障、寿命异常、缺电欠压情况。用户侧电站用于需求响应、削峰填谷，电池经过深度充放电，容量迅速衰减，可能产生电池容量异常。3.2.2 感知特征权重

电化学储能电站面对多种工况场景，需根据不同工况选择相应感知特征量，从非计划、计划类、执行调度、主动支撑等角度分析，结合核心指标与故障类型，确定响应指标。此过程中，采取5/5-9/1方法，对传统层次分析法进行改进。例如，调频工况下，设置判断矩阵，计算后确定各参数权重系数，响应时间是0.3633，电池SOC 是0.2648、电站内阻是0.1751，PCS 充放电是0.1967。评价指标公式为：

式中，Tr是响应时间；Bsoc是电池SOC；Rb是电站内阻；Tpcs是PCS 充放电转换时间；Lfm是感知特征评价指标。通过对调压、调频、调峰及平移输出功率、响应需求工况，赋值判断矩阵，确定电站远程感知特征及权重系数。

4 电化学储能电站并网指标

4.1 基于专家偏好系数的主客观组合赋权

4.1.1 参数主观权重

主管权重以专家打分方式进行计算，假设z 专家对核心指标打分，分数是fjk（j=1，2…n；k=1，2…n），将分数按照排跌后确定秩次是cjk，每个指标秩和是cj，同等打分计成结，结数量计入结长，该评分秩次可由平均秩确定。确定主管权重前，利用协同系数检验评分一致性，统计量如果x2=W(n-1)z ＞x20.05，明确打分有效，通过检验。协同系数计算式为：

4.1.2 客观指标权重

信息论下，熵表示系统内部混乱度，评价指标熵越小，代表混乱度越低，进而熵权更大，即不同对象下指标信息量差异度较大。第j 指标熵权与熵值定义为：

式中，0≤Hj≤1，结果为0；0≤Wj≤1，结果为1。

4.1.3 综合指标权重

指标评价中，使用线性加权组合法计算综合权重，能够将主观权重明了地展现出来。其表达式为：

式中，μ是专家偏好系数确定主客观权重。客观和主管权重受到评估对象、专家数量影响，数量越多，权重信服度也随之增高，为平衡数据客观性与专家主观性，专注专家偏好，忽视客观数据，或是专注客观数据，忽视专家偏好，缩小取值范围为0.2～0.8。

4.2 改进模糊综合评价法

在模糊综合评价中，使用模糊数学论，对核心评价指标开展单因素分析，考虑权重计算结果，由于传统评价具有缺陷，提出综合模糊评价改进。

一是因素集。建立U=（U1，U2…Um），U1再次划分成U1=（ui1，ui2…uin），建立评估指标体系。

二是评价集。建立V=（V1，V2…VS），Vi是各种可能评价总结果，建立相应评价等级，划分为“很弱”“较弱”“一般”“较强”“很强”，则V=（V1，V2…V5），从很弱到很强。

三是评价矩阵。设评价体系有评价指标n 个，待评价对象m 个，评估模型矩阵为：

四是权重向量。确定权重向量为：

五是综合评价。综合适应性评价，以向量地表储能技术等级不同评价隶属度，获得权重向量及评价矩阵影响。

式中，°是模糊合成算子；Bi是1行5列向量，代表5个评价等级隶属度，向量内数值最高元素，与评价等级逐一对应，为综合适用评价结果。

六是改进综合评价。Z（m）模糊综合评价，改进隶属度向量。

式中，α 是不同评价等级相应分值，规定“很弱”“较弱”“一般”“较强”“很强”分值分别是20、40、60、80、100，以综合模糊评价方式，对同一级别结果加以排序，保证结果真实客观。

4.3 系统定容模型

电化学储能电站并网配置为实现最大化效益，计算E 年净效益公式为：

式中，C1是土建成本；C2是购置电池成本；C3是购置相应设备成本；C4是并网选配成本。确定储能配置时，考虑充放电功率、符合峰谷值、充放电时间等，要求满足约束条件，能够为用户侧提供恰当功率及电容。

整体技术适用性评估中，指标选择技术基础参数，通过储能系统定容，采取专家打分权重计算与综合模糊评价方式，进而确定整体并网指标适用性及电站并网技术效能。以锂离子电池并网为例，综合基础参数，以权重分布与评价矩阵可知，大部分核心技术指标隶属于“很强”区间，发电侧成本无较大提升，最终技术使用性强，能够满足电站并网指标评价要求。

4.4 电站整改

在电化学储能电站各项能力测试后，针对现场检查、核查的问题及时整改，形成整改报告，包括整改问题的佐证材料、工程整改情况等，再次进行质量检查，直至符合能力指标要求。

4.5 算例分析

4.5.1 限值计算

选用IEEE-RTS79测试系统，系统有节点24个，元件71个，发电机32台，线路33条，年峰值符合是2850MW，发电机容量12～400MW，装机总容量是3405MW。电化学储能电站并网可靠性评估中，构建系统后，确定核心指标，计算原电力系统可靠性，并网后系统接入方案，添加本文中指标体系模型，即可得出电站并网可靠性结果。

系统接入电化学储能电站前，由于电站出力存在强随机性，准确评估建安，确定某并网方案后，影响因素在于电站设备停运故障及天气因素，计算步骤为：一是建立电化学电站模型，提取不同故障类型的出力曲线；二是综合考虑极限情况，以电站充放电、电网侧、用户侧典型故障出力数据，代替电站全年出力；三是典型电站故障出力状态，接入测试系统，利用系统计算可靠性；四是计算最小故障出力情况下，系统可靠性指影响计入上限数值，数值即为电化学储能站并网方案下影像系统程度区间。4.5.2 指标影响

电化学储能站是利用电池化学反应原理进行发电，出现故障后发电出力差异显著，特别是并网后，处理水平对整体系统可靠性将造成影响。在已有电力系统上并网，选择RTS24中18、15、13三个节点，每点并入电力200MW，共600MW，利用上述计算方法，确定可靠性指标，上限数值是22.84%，下限数值是8.53%，即提升系统可靠性程度区间限值是8.53%～23.84%。

5 结语

电化学储能电站作为新型电力系统构建的关键环节，也是实现“双碳”目标的支撑，对改善能源业态具有积极意义。而电化学储能电站并网为实现稳定运行，需加强建设并网指标体系，根据电化学储能电站并网核心运行指标，采取基于专家偏好系数的主客观组合赋权、改进模糊综合评价法、系统定容模型的方式，确定指标要求及其适用性，衔接现有电力系统标准，发挥规范引领作用，从而推进电化学储能电站高质量发展。