面向电网调峰调频的储能电站综合性能评价

陶以彬，薛金花，王德顺，齐金山，姚良忠

(1.中国电力科学研究院有限公司，江苏南京 210003；2.武汉大学电气与自动化学院，湖北武汉 430072)

近年来，以风电、光伏为代表的可再生能源快速发展，有效缓解了世界能源短缺和环境污染问题，为能源结构的转型带来了契机，但另一方面，可再生能源的大规模并网给电网的调峰调频形势带来了严峻的挑战，威胁电网的安全稳定运行[1]。大规模电池储能技术具备良好的静态特性，可以通过低储高发削弱峰谷差，有效缓解电网的调峰压力。同时，储能系统具有极快的响应速度，能够对电网频率的变化迅速做出反应，调节效果更加精确和高效[2]。电池储能电站良好的有功调节能力可以全面提高大型新能源富集地区电网的调峰、调频能力，从而提高可再生能源消纳水平，并且带来良好的经济收益[3]。

在储能电站参与电网调峰调频方面，目前尚未形成相应的评价机制来对储能的调峰调频性能进行评价，不利于在实际运行中对其实施优化调度。在储能参与电网调峰调频的评价体系方面：文献[4]根据美国主要电力市场的调频考核方法，介绍了相关性能指标及其计算方法；文献[5]考虑技术、经济、环境三个方面的影响因素，采用AHP 建立了储能电站多层次性能指标综合评价体系；文献[6]基于储能电站调频性能的高效性，选取负荷跟踪率、贡献电量和调频综合偏差进行高效性对比分析。在相关综合评价方法方面，现有的研究已经取得了较多成果：文献[7-9]采用层次分析法、数据包络法、物元可拓法等对不同问题开展综合评价，在实际应用中应根据问题特点进行选择，针对指标权重问题，这些文献采用了德尔菲法、层次分析法等主观赋权法和变异系数法、熵权法等客观赋权法；文献[10]采用基于主客观加权的组合赋权法对指标权重进行优化，充分考虑各项指标的主观和客观性，使得权重更加合理。

现有评价体系多集中于储能电站的内部参数或整体性能，关于其在电网具体应用场景中的评价体系尚处空白。为此，本文基于储能电站特性优势，分别从调控性、能效水平、可靠性、环保性方面建立了一套评价指标体系，全面准确反映储能电站调峰调频性能。在此基础上，建立了一种基于主客观组合赋权法的综合评价模型对储能电站调峰调频性能进行合理评价。与现有研究相比，本文所建立模型一方面兼顾了专家的经验判断，保证了指标权重具有良好的工程适用性，另一方面，模型所采用的反熵权法充分利用了指标数据，基于指标数据所含信息量进行赋权，同时，反熵权法克服了传统熵权法在指标差异较小时权重失衡的问题。最后，采用主客观加权属性一致的方法求解最优权重。

1 面向电网调峰调频服务的储能电站评价指标体系

全面准确的评价指标体系对于评价结果是否准确具有重要影响，为了合理根据储能电站综合评价的侧重点选取合适的评价指标体系，指标选取应当遵循全面性、科学性、目的性及可操作性的基本原则。除了以上基本原则外，储能电站作为电网的一部分有其特殊性，因此还应遵循以相关国家、行业标准为依据，国家行业标准中有明确规定的，应选用标准中的有关指标。因此，本文基于GB/T 36549-2018 和两个细则，确定调控性、能效水平、可靠性能方面各指标。此外，储能电站作为促进可再生能源消纳、延缓电网设备升级改造的重要解决方案，具有较大的环保意义。因此，本文根据储能电站对可再生能源的消纳贡献、延缓电网升级改造而减少用地面积等方面评估储能电站的环保性。具体指标体系如图1所示。

图1 储能电站调峰调频评价指标体系

1.1 调控性指标

(1)调节速度

调节速度指储能电站响应调频指令的快慢程度。一般而言，调节速度越快，达到规定调节功率所需的时间越少，则系统频率回归速度越快，代表储能电站的调节性能越好，调节速度性能指标计算公式如式(1)：

(2)调节精度

调节精度指储能电站最终实际出力与调节指令值之间的差异程度，差异越小，性能越好，计算如式(2)所示：

(3)响应时间

响应时间是指储能电站从收到调节指令到出力开始调节所需的时间，响应时间越小，响应性能越好，目前多数辅助服务市场通常设定一个标准调节时间，通过实际调节时间与标准调节时间的比值并逆向化处理反映储能电站响应时间性能指标，其计算公式见式(3)：

式中：ti为响应时间；tN为两个细则中规定的标准响应时间。

(4)调频里程

调频里程是影响储能电站调频性能和补偿收益的重要指标，它是储能电站的实际调节量，反映了储能电站在调度周期内对频率调节的实际贡献，储能电站在一个评价周期内调频里程计算如式(4)：

式中：Rt为调度指令t下的实际出力；n为评价周期内调度指令的总数量。

(5)调峰幅度

调峰幅度是反映储能电站调峰能力的重要指标，它反映了储能电站功率的实际可调节范围，可以依据储能电站的最大、最小技术出力来定义：

式中：Pg,max、Pg,min分别为储能电站的最大技术出力和最小技术出力。

(6)电站实际可充放电功率

储能电站实际可充放电功率为储能电站实际可连续运行15 min 以上的最大功率值。

(7)实际可放电量

实际可放电量指储能电站评价周期内的实际可放电量与储能电站额定能量的比值。

1.2 环保指标

(1)可再生能源消纳贡献度

可再生能源消纳贡献度指由于储能电站参与调峰调频而增加的可再生能源消纳规模。调峰场景下，储能电站通过削峰填谷方式提升系统低谷时的可再生能源消纳能力，增加可再生能源的消纳量；调频场景下，储能电站通过替代可再生能源参与系统调频，从而提升可再生能源的消纳水平。为了更合理地反映该指标，对其进行标准化处理，如式(6)所示：

式中：erenew为可再生能源消纳贡献度；Erenew为由于储能电站参与调峰调频增发的可再生能源电量；E为储能电站额定能量。

(2)污染物减排效益

储能电站促进风光等可再生能源发电，可以替代火电机组发电，减少污染物排放，可再生能源场站在释放与火电机组同等电能的情况下，其污染物减排效益计算公式如式(7)：

式中：R为储能电站的减排污染物效益；Vi为第i种污染物单位质量减排价值；Qih为火电机组第i种污染物的排放量，kg/MWh；Qirenew为可再生能源场站第i种污染物的排放量，kg/MWh；Erenew为可再生能源增发电量。

(3)单位占地面积

由于环保压力的增大，电网建设用地征地愈加困难，现有变电站场地紧张，因此减少储能电站的用地面积变得愈发重要。储能电站单位占地面积为储能电站占地面积与额定能量之比，计算如式(8)所示：

式中：S为储能电站占地面积；E为储能电站额定能量。

(4)储能介质污染性

储能介质污染性指储能电站在运行时或者寿命终止时本身介质对环境的危害污染程度。各种电池储能根据运行过程是否产生污染物及寿命终止时废弃物的污染程度可以分为低、较低、中、较高、高。

2 储能电站调峰调频性能综合评价模型

2.1 基于主客观属性值一致化的组合权重

在储能电站运行性能评价问题中，各储能电站的排序主要由各指标加权属性值决定。为了在评价中既反映评价的主观性，又体现决策的客观性，本文采用层次分析法确定指标的主管权重采用反熵权法确定指标客观权重然后建立了基于主客观加权属性值一致化的优化模型，该优化模型采用数学规划的方式进行求解，较好地保持了两种属性值的一致性，避免了一种权重占比过大的问题。假设上文所得主观权重与客观权重分配系数分别为a、b，则组合权重为：

式中：ab≥0，a+b=1。

则储能电站j的主客观加权属性值的偏离程度为：

对于每一个储能电站，均存在以上偏离程度表达式，为了使其主客观权重一致化，可建立如下模型：

各储能电站之间为平等关系，因此该模型为对每一储能电站主客观属性值偏离程度的加和：

通过求解该模型，即可得到基于主客观加权属性值一致的权重分配系数a、b。

2.2 基于组合权重的储能电站综合评价模型

基于以上权重设置方法，建立面向电网调峰调频的储能电站综合评价模型，其主要步骤如图2。

图2 储能电站综合评价流程图

3 算例分析

青海是我国重要的清洁能源基地，蕴藏着丰富的清洁能源，具有非常大的开发潜力。但随着风电、光伏装机规模的不断增加，系统的调峰调频容量愈加不足，导致弃风弃光问题严峻。为此，青海省今年不断加快电化学储能电站的规划与建设，以期通过储能改善系统的调节能力，促进大规模可再生能源并网。将本文所构建的综合评价指标体系和模型应用于该地区的三个储能电站A、B、C，对其调峰调频性能进行评价排序。各储能电站数据如表1。

表1 三个储能电站指标数据

基于指标原始数据，对指标进行归一化处理，得到标准化评价指标矩阵Y=[Y1,Y2,Y3,Y4]T，其中，Yi(i=1,2,3,4)为第i个准则层下的标准化矩阵。

采用组合赋权法确定各指标的权重，根据主客观权重计算及指标量化结果，求解式(12)所建模型，可得a=0.468 3、b=0.531 7，进而可得基于主客观加权属性值一致化的指标组合权重。准则层和指标层权重计算结果如表2、表3 所示。

表2 准则层权重计算结果

表3 指标层权重计算结果

根据表3 计算结果可知，在储能电站各个性能指标中，可再生能源贡献度指标权重为0.083 3，所占比重最大，其次比重较大的指标有响应时间、调峰幅度、污染物效益，三者指标权重均超过了0.06。从全部指标结果来看，共有9 项指标权重大于0.05，此类指标对储能电站的整体运行性能起关键影响作用。根据权重计算结果可知，与常规单一赋权法相比，组合赋权法对较大权重进行了弱化，对较小权重进行了强化，避免产生因各个指标权重差异过大而造成部分指标失效的问题。

最后，根据所求得的组合权重值及标准化矩阵，计算储能电站A、B、C 的调控性、能效水平、可靠性、环保性得分及调峰调频性能综合得分，计算结果如表4 所示。

表4 储能电站综合性能评价结果

根据储能电站评价结果可知，储能电站B 得分最高，其调峰调频性能最好，其次是储能电站A，而储能电站C 性能最差。对于储能电站A 而言，相比于B、C，该电站的调控性和环保性表现较差，能效水平良好，可靠性指标方面，与B、C 相差较小。同理，对于储能电站B，该电站的调控性能远高于A、C，因而该电站在调峰调频方面具备了很大优势，在能效水平和环保性方面，该电站也保持了领先的性能，但该电站在可靠性能方面还需要进一步提高，以补齐短板。对于储能电站C，该电站的可靠性要高于A、B，但由于该电站电池类型为铅酸电池，其能效性较差，整体来看，该电站各方面性能表现较为均衡。

4 结束语

本文建立了一套考虑储能电站调控性、能效水平、可靠性和环保性的评价指标体系，全面考虑了储能电站调峰调频的各方面性能，实现了特定场景下储能电站调节性能的综合评价。建立了基于主客观加权优化的综合评价模型，平衡了主客观属性值之间的差异，兼顾了评价结果的工程适用性和客观性。最后，将所建评价指标体系和综合评价模型应用于三个储能电站，所得评价结果与实际运行情况一致，实现了储能电站的客观合理评价，对电网的优化调度运行具有重要的参考意义。