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基于层次分析法的储能综合评估及类型选择

基于层次分析法的储能综合评估及类型选择

汪湘晋1黄滢2蒋金琦2林达1谢培坤2李振坤2

(1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院,杭州310014; 2.上海电力大学电气工程学院,上海200090 )

DOI:10.19585/j.zjdl.202211001

摘要储能技术因其良好的可控性和能量的时间转移特性,在新型电力系统中具有重要应用价值。合理评判各场景下储能的价值并针对性选型具有重要现实意义。首先,针对电力系统的各类需求场景,提出了储能的10类技术经济性指标,构建了储能的综合评估指标体系。然后,利用层次分析法对上述指标进行了综合评估计算,计算过程中通过专家调查法对判断矩阵进行了相对重要性赋值,并进行一致性检验和修正,求出方案层相对于目标层的组合权重。接着,对多种类型储能进行综合评估计算,找到最优储能选型方案。最后,以某区域电网为对象进行仿真,得出了多种场景下各类储能的排序结果,验证了所提方法的有效性。

关键词新型电力系统;储能;层次分析法;价值评估;判断矩阵

0引言

在能源革命的驱动下,对新能源开发利用的力度持续加大,新能源接入电网的比例不断提高,在此过程中其不利影响也逐渐凸显。新能源出力具有波动性、间歇性的特点,调节控制困难。给新能源消纳、电网调压、调频调峰带来挑战,电网运行愈加复杂,不利于电网的稳定运行[1]。储能技术可快速、灵活调节系统功率,将储能应用到新型电力系统中,是解决上述问题的有效途径之一[2]。储能在新型电力系统中具有重大价值,而储能类型众多,不同的储能具有不同的技术经济特性,因此结合实际场景需求,选择合适的储能类型具有重要的现实意义。

近几年来,储能的研究和发展受到广泛关注。文献[3]归纳了常见储能技术的关键特征及储能在新型电力系统中的应用潜力,梳理了储能应用功能的研究现状及未来趋势。文献[4]对储能进行分类并对其在智能电网中的作用进行了分析,然后对储能的应用现状进行了总结,从市场规模、应用分布、技术分布和地域分布4个方面进行了详细介绍。随着储能技术的不断发展,其在新型电力系统中的应用研究也受到了广泛关注。文献[5]总结了超导储能系统在可再生能源领域的研究现状。文献[6]从新型电力系统的特征出发,归纳分析储能在其中的重要作用及开展创新方向的探索。文献[7]分析了储能技术在电力系统发展中的地位和作用,以及不同储能技术的发展和应用前景。

目前针对储能容量配置和控制策略的研究已有较多成果[8-15],而对储能选型的研究相对偏少。文献[16]对比和分析了各种电池类型的优缺点,从技术、经济、安全和环境等角度对比分析,选择出不同场景的最佳储能类型。文献[17]提出了基于区间层次分析法的储能选型方法,根据专家经验确定一层决策指标权重,利用熵值法确定二层决策指标权重,确保最终选型方案具备较好的工程适用性。文献[18]提出基于模糊逻辑的储能选型方法,通过建立多个决策准则得出各储能排序,确定最终选型方案。文献[19]利用模糊逻辑从技术成熟度、成本和生命周期等角度确定最佳的储能类型。

综上所述,在储能的经济性评估及类型选择方面已有了一定的研究成果,但针对新型电力系统中的诸多应用场景,各类储能的技术与经济适用性如何评估计算,目前尚没有形成系统性的方法。本文首先提出储能的10类技术经济性指标,构建适用于新型电力系统中各运行场景的综合评估指标体系;然后,利用层次分析法,对上述指标进行了综合评估计算,求出方案层相对于目标层的组合权重;接着,对多种类型储能进行了综合评估计算,找到最优储能选型方案;最后,以某区域电网为对象进行仿真,得出了多种场景下各类储能的排序结果,验证了所提方法的有效性。

1储能类型及技术特性分析

1.1各类型储能的技术特征

根据不同的储能技术载体,储能可大致分为以下3类:机械类、电气类及电化学类。其中机械类储能主要包含抽水蓄能、压缩空气及飞轮;电气类储能主要有超级电容器和超导磁储能;电化学类储能主要有液流电池、铅酸电池及锂离子电池。各种储能的技术发展水平各有不同,在典型功率等级、持续放电时间、响应时间、功率密度、能量密度、循环寿命、能量转换效率及成本等方面均有差异,且各类储能适用的场合不一,如抽水蓄能、压缩空气储能适用于较大规模的新能源消纳场合,电化学类储能适用于微电网场合。本文对目前主要储能技术进行了总结[20-22],各类储能的优缺点及适用场合如表1和表2所示。

1.2不同场景对储能的需求

不同场景对储能的需求具有差异性,本文考虑促进新能源消纳、配电网馈线调压服务、调频服务、电网保供电、电网调峰及延缓电网升级改造6种场景下对典型功率等级、充/放电速率、响应时间、功率密度、能量密度、循环寿命、能量转换效率、单位功率成本、单位容量成本、运维成本这10个指标的需求程度。

本文采用九级标度法表示上述10个指标在6种应用场景中的重要程度,如表3所示。其中,标度数据越大表示其重要性越高,如调频场景3对充/放电速率(指标2)、响应时间(指标3)要求较高,而对功率密度(指标4)、能量密度(指标5)和能量转换效率(指标7)则相对要求较低。

2基于层次分析法的储能价值评估

如上文所述,储能可在新型电力系统的诸多应用场景中发挥重要作用,但在不同场景中,对储能特性的侧重点也不同,需要通过对储能各特性指标及其重要性的综合评价,针对性地选择最适合的储能类型。本文采用层次分析法对多种储能类型进行评估,对比分析储能的性能指标,得出最佳的储能配置建议。

2.1层次分析法

层次分析法采用经验判断对各项标准的重要程度进行量化,得出各决策方案不同标准的权数,利用权数计算各方案的优劣次序,采用该方法可用于解决储能配置问题。储能选型的层次结构包括目标层、标准层、决策方案层3个层次。基于层次分析法确定各方案的优劣次序的步骤如下。

步骤1:对标准层中的不同指标进行两两比较,得出相对重要性的标度,构造判断矩阵,即:

(1)

2.2运行场景建模分析

为使所构建的评估指标体系更具全面性,构建如图2的储能选型综合评估指标体系,其中目标层为储能工况适应性;标准层以典型功率等级、充/放电速率、响应时间、功率密度、能量密度、循环寿命、能量转换效率、单位功率成本、单位容量成本以及运维成本这10个指标进行综合衡量,其中经济性指标考虑单位功率成本、单位容量成本以及运维成本;决策方案层选取抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、超级电容、超导磁储能、液流电池、铅酸电池以及锂离子电池这8种储能类型。

3案例与仿真

3.1案例介绍

以图4所示区域电网为算例进行验证,该系统最大负荷为410 MW,通过节点1和8与外部大电网相连,风电机组接入节点6、节点12、节点18,假设系统风机发电渗透率为50%,风机容量共205 MW。风电等间歇性的可再生能源发电接入电网易发生潮流双向流动的现象,给新能源消纳带来挑战,并影响电网调压,造成电网运行指标的下降。

储能系统凭借其可充可放的运行特性,可以平滑可再生能源输出功率波动,配合可再生能源接入电网,保证电网的稳定运行。因此在风机接入节点装设储能,利用储能系统平抑风电机组出力的不确定性和随机性,保证电网的稳定运行。采用层次分析法对多种类型储能进行综合评估计算,得出各类储能的排序结果,找到最佳的储能类型。

3.2仿真结果分析

在仿真分析中,首先,对标准层中的不同指标进行两两比较,构造公式(1)中判断矩阵图片。判断矩阵中元素的值根据表3中10个指标的重要程度和九级标度法进行确定;其次,基于公式(2)计算标准两两对比矩阵图片,基于公式(3)计算标准层间特征向量图片;最后,对判断矩阵进行一致性检验,基于公式(6)计算图片,基于公式(5)计算一致性指标图片,由表5可知图片时图片,基于公式(4)计算随机一致性指标图片,则判断矩阵满足一致性。故准则层(各指标)对目标层(储能运行场景适应性)的指标权重计算结果如表6所示。

同样,对标准层中每个标准下各方案进行两两比较,计算标准层全部指标的特征向量,并进行一致性校验,得出各判断矩阵均满足一致性即图片。最后,基于公式(7)计算各决策方案的综合评估指标,得到促进新能源消纳场景的储能选型层次总排序如表7所示。

从表6可知,在10个指标中典型功率等级权重占比最高,为0.197 7,其次充/放电速率、响应时间及能量转换效率的权重占比分别为0.185 6、0.148 0及0.122 3,单位功率成本、单位功率成本、循环寿命及运维成本分别为0.110 3、0.082 9、0.063 2及0.045 6,功率密度、能量密度权重占比较低,分别为0.023 0和0.021 4。各指标权重占比如图5所示,典型功率等级的权重与系统规模相关,而充/放电速率和响应时间指标则和新能源渗透率相关。

促进新能源消纳场景下各类储能排序结果见表7。由表7可知抽水蓄能评估值最高,为0.168 5,其次液流电池、锂离子电池、压缩空气储能和铅酸电池评估值分别为0.130 6、0.125 3、0.124 0和0.122 7,权重占比较低的方案为超级电容器和飞轮储能评估值分别为0.119 5和0.105 2,超导磁储能评估值最低,为0.104 4。各类储能评估值如图7所示。

如图7可知,在促进新能源消纳场景各类储能的排序结果为:抽水蓄能、液流电池、锂离子电池、压缩空气、铅酸电池、超级电容器、飞轮储能和超导磁储能。由于抽水蓄能具有大功率、大容量、寿命长、单位容量成本低的优点,因此在该仿真场景下,抽水蓄能具有最佳的工况适应性。

3.3系统调频及配电网馈线调压场景仿真结果

系统调频场景下各类储能评估值如图8所示。由图8可知抽水蓄能评估值最高,为0.147 8,其次压缩空气储能、飞轮储能、锂离子电池和超导磁储能的评估值分别为0.137 1、0.129 2、0.120 1和0.119 3,权重占比较低的方案为液流电池和超级电容器,评估值分别为0.117 1和0.116 1,铅酸电池评估值最低,为0.113 3。

由图8可知,在系统调频场景下各储能类型的排序结果为:抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、锂离子电池、超导磁、液流电池、超级电容器、铅酸电池。由于抽水蓄能具有大功率、大容量、寿命长、单位容量成本低的优点,因此在该仿真场景下,抽水蓄能具有最佳的适应性。

配电网馈线调压场景下各类储能评估值如图9所示。由图9可知锂离子电池评估值最高,为0.139 9,其次铅酸电池、液流电池、压缩空气储能和飞轮储能评估值分别为0.139 6、0.137 1、0.127 2和0.117 0,权重占比较低的方案为超级电容器和超导磁储能,评估值分别为0.116 4和0.112 9,抽水蓄能评估值最低,为0.109 8。

由图9可知,在配电网馈线调压场景下各储能类型的排序结果为:锂离子电池、铅酸电池、液流电池、压缩空气储能、飞轮储能、超级电容器、超导磁、抽水蓄能。由于锂离子电池具有容量大、能量密度高、能量转换效率高等优点,因此在该仿真场景下,锂离子电池具有最佳的适应性。

4结论

本文针对储能系统面向新型电力系统应用场景下工况适应性进行研究,提出了基于层次分析法的储能选型方法。根据储能工况特性建立相应指标体系,利用层次分析法对多种类型储能进行综合评估计算,找到适用于应用场景的储能类型。综合评估指标的构建对各指标的差异性考虑得更加全面,能够避免单一指标评估带来的局限性。本文的研究过程是基于场景需求差异性开展的储能选型方法,对促进新能源消纳、系统调频、配电网馈线调压3个场景下的储能类型选择分别进行了评估,给出了最适合的储能类型,验证了方法的实用性。

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