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摘要
【意義】在“雙碳”目標(biāo)引領(lǐng)下，電化學(xué)儲(chǔ)能憑借其高效靈活的特性，成為新型電力系統(tǒng)中不可或缺的調(diào)節(jié)資源。當(dāng)前亟需一種方法，能夠全面量化儲(chǔ)能在多元耦合輔助服務(wù)中的系統(tǒng)價(jià)值，并識(shí)別其價(jià)值形成的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，以支撐科學(xué)配置與政策制定?！痉椒ā刻岢隽艘环N面向多元耦合服務(wù)場(chǎng)景的電化學(xué)儲(chǔ)能多維價(jià)值評(píng)估與歸因分析框架。該方法構(gòu)建了涵蓋經(jīng)濟(jì)、技術(shù)與環(huán)境多維度的價(jià)值指標(biāo)體系，系統(tǒng)反映儲(chǔ)能在調(diào)峰、調(diào)頻等多服務(wù)中的綜合貢獻(xiàn)。進(jìn)一步地，基于隨機(jī)森林模型識(shí)別系統(tǒng)運(yùn)行特征對(duì)儲(chǔ)能價(jià)值的非線性驅(qū)動(dòng)關(guān)系，揭示復(fù)雜運(yùn)行條件下的價(jià)值形成機(jī)制?！窘Y(jié)果】算例結(jié)果顯示，儲(chǔ)能提供多元耦合服務(wù)可使系統(tǒng)慣量提升46.09%、最低頻率改善0.21 Hz、碳排放強(qiáng)度降低18.9%，并在多維價(jià)值間呈現(xiàn)顯著協(xié)同效應(yīng)。所提方法可為儲(chǔ)能的價(jià)值挖掘、功能定位與配置優(yōu)化提供機(jī)制性、可解釋的量化依據(jù)，服務(wù)于新型電力系統(tǒng)靈活性提升與低碳轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略。
研究背景
為適應(yīng)全社會(huì)低碳轉(zhuǎn)型與能源電力清潔化需要，中國(guó)提出了建設(shè)“清潔低碳、安全充裕、經(jīng)濟(jì)高效、供需協(xié)同、靈活智能的新型電力系統(tǒng)”目標(biāo)。構(gòu)建適應(yīng)新能源高占比的新型電力系統(tǒng)成為當(dāng)前能源轉(zhuǎn)型的重要方向，但也帶來(lái)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性與靈活性的新挑戰(zhàn)。而配置以電化學(xué)儲(chǔ)能為代表的新型儲(chǔ)能資源被認(rèn)為是應(yīng)對(duì)上述問(wèn)題的有效手段之一。準(zhǔn)確量化電化學(xué)儲(chǔ)能的價(jià)值及其影響因素，是指導(dǎo)合理投資、推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心問(wèn)題?，F(xiàn)有研究多基于優(yōu)化模型或綜合指標(biāo)評(píng)估儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性與系統(tǒng)效益。然而，這些研究多集中于單因素或單場(chǎng)景分析，難以揭示電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型背景下多因素共同作用時(shí)儲(chǔ)能價(jià)值的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律。此外，也有研究從碳約束與市場(chǎng)機(jī)制視角出發(fā)，構(gòu)建儲(chǔ)能優(yōu)化模型以評(píng)估收益變化，但未能識(shí)別影響儲(chǔ)能價(jià)值形成的關(guān)鍵系統(tǒng)需求及其關(guān)聯(lián)關(guān)系，限制了規(guī)劃與配置的針對(duì)性。因此，亟須建立能夠解析系統(tǒng)多維需求與儲(chǔ)能價(jià)值間關(guān)聯(lián)關(guān)系的分析方法。
當(dāng)前在電力系統(tǒng)領(lǐng)域已有一些歸因分析的研究，常見(jiàn)的歸因分析方法包括Granger關(guān)聯(lián)方法、基于信息熵的歸因分析方法、收斂交叉映射算法（convergent cross mapping，CCM） 等。這些方法通常要求輸入輸出變量間具備較強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性，難以解析多變量協(xié)同作用結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，結(jié)構(gòu)因果模型（structural causal model，SCM）作為一種基于因果圖結(jié)構(gòu)推理的推斷方法，借助因果圖與干預(yù)演算規(guī)則，可在結(jié)構(gòu)已知的前提下推導(dǎo)出變量間的因果路徑與干預(yù)效應(yīng)。但上述方法大多僅能篩選出具有顯著因果關(guān)系的輸入輸出變量，難以得到不同輸入變量間的影響力大小排序。且隨著電力系統(tǒng)復(fù)雜程度的進(jìn)一步提升，上述方法還面臨原理復(fù)雜、計(jì)算困難等缺點(diǎn)，難以大范圍應(yīng)用。
整體來(lái)看，目前關(guān)于電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)價(jià)值評(píng)估的研究，多集中于經(jīng)濟(jì)收益、容量利用率等單一維度指標(biāo)，難以全面刻畫儲(chǔ)能在多元系統(tǒng)服務(wù)（如調(diào)峰與調(diào)頻）中的綜合價(jià)值貢獻(xiàn)。在方法層面，已有研究普遍依賴相關(guān)性分析、靈敏度分析或主觀加權(quán)模型來(lái)識(shí)別系統(tǒng)特征對(duì)儲(chǔ)能價(jià)值的影響機(jī)制，缺乏在高維輸入特征、多目標(biāo)價(jià)值輸出情境下的歸因分析方法。此外，現(xiàn)有算例分析大多停留在指標(biāo)定量層面，尚缺乏對(duì)系統(tǒng)特征與儲(chǔ)能價(jià)值形成路徑間的系統(tǒng)性量化剖析，難以為后續(xù)優(yōu)化建模與決策支持提供機(jī)制性支撐。
計(jì)及多元耦合服務(wù)的儲(chǔ)能系統(tǒng)價(jià)值評(píng)估與關(guān)聯(lián)性分析框架
在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，維持系統(tǒng)電力電量平衡是系統(tǒng)的核心任務(wù)，也是電化學(xué)儲(chǔ)能配置的主要驅(qū)動(dòng)力。在新型電力系統(tǒng)中，電化學(xué)儲(chǔ)能資源的核心競(jìng)爭(zhēng)力是其能夠?qū)崿F(xiàn)電能量跨時(shí)段轉(zhuǎn)移，為大規(guī)?？稍偕茉从行Ю锰峁┝丝赡?。同時(shí)，電化學(xué)儲(chǔ)能可以發(fā)揮自身調(diào)節(jié)速率優(yōu)勢(shì)，通過(guò)提供削峰填谷、快速調(diào)頻、虛擬慣量支撐等多元服務(wù)擴(kuò)大其系統(tǒng)價(jià)值。不同應(yīng)用場(chǎng)景下的需求將使得電化學(xué)儲(chǔ)能具有差異化的運(yùn)行策略與綜合成本，進(jìn)而影響其系統(tǒng)價(jià)值水平。因此，有必要梳理電化學(xué)儲(chǔ)能多元耦合服務(wù)機(jī)理，在價(jià)值評(píng)估與歸因分析中合理考慮電化學(xué)儲(chǔ)能提供的多元耦合服務(wù)影響，以適應(yīng)未來(lái)電化學(xué)儲(chǔ)能廣泛應(yīng)用的需要。本文提出了計(jì)及多元耦合服務(wù)的儲(chǔ)能系統(tǒng)價(jià)值評(píng)估與關(guān)聯(lián)性分析框架，如圖1所示。
圖1 儲(chǔ)能系統(tǒng)價(jià)值評(píng)估與關(guān)聯(lián)性分析框架
Fig.1 The framework for energy storage system value evaluation and correlation analysis
圖1中，電化學(xué)儲(chǔ)能能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供調(diào)峰、調(diào)頻多元耦合輔助服務(wù)，備用、電壓支撐等輔助服務(wù)因其控制邏輯與物理機(jī)制差異較大，不作為本研究的價(jià)值評(píng)估對(duì)象。本文重點(diǎn)關(guān)注儲(chǔ)能在負(fù)荷調(diào)節(jié)與頻率支撐中的典型作用機(jī)制，從而呈現(xiàn)出差異性的運(yùn)行模式以分析電化學(xué)儲(chǔ)能不同服務(wù)間的耦合關(guān)系，本文以削峰填谷與調(diào)頻為例，探究其對(duì)運(yùn)行策略、動(dòng)態(tài)成本與系統(tǒng)價(jià)值的影響。作為電化學(xué)儲(chǔ)能的核心功能，削峰填谷作用主要表現(xiàn)為在出力高峰時(shí)刻吸收富余的電源出力，并在出力低谷時(shí)刻釋放儲(chǔ)存的電量以保證系統(tǒng)電力平衡，其主要需求來(lái)自系統(tǒng)的電力電量偏差。
結(jié)論
隨著電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型進(jìn)程的逐步推進(jìn)，電化學(xué)儲(chǔ)能將在電力系統(tǒng)的更多方面發(fā)揮積極的作用。本文首先提出了融合多元耦合服務(wù)的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)價(jià)值評(píng)估方法與給歸因分析框架，之后構(gòu)建了涵蓋經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性與環(huán)境性的多維系統(tǒng)價(jià)值指標(biāo)體系，結(jié)果顯示，電化學(xué)儲(chǔ)能在滿足系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)節(jié)與頻率支撐等多元服務(wù)需求的同時(shí)，能夠協(xié)同提升系統(tǒng)運(yùn)行效率、清潔程度與安全水平，展現(xiàn)出顯著的多維協(xié)同價(jià)值釋放能力。
為分析電化學(xué)儲(chǔ)能多維度價(jià)值與系統(tǒng)多維度需求的關(guān)聯(lián)關(guān)系，本文借助隨機(jī)森林算法構(gòu)建了歸因分析模型，并基于IEEE-24節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)測(cè)算了影響系統(tǒng)多維度價(jià)值的關(guān)鍵因素。所提出的歸因分析模型不僅能夠篩選與系統(tǒng)價(jià)值相關(guān)的系統(tǒng)多維度需求，還能夠量化不同因素的影響程度與作用類型，有助于分析電化學(xué)儲(chǔ)能不同維度價(jià)值的內(nèi)部變化機(jī)理，為儲(chǔ)能功能定位、低碳轉(zhuǎn)型路徑構(gòu)建、系統(tǒng)柔性資源規(guī)劃及投資引導(dǎo)提供量化支持，具有良好的政策參考意義與工程實(shí)踐價(jià)值。結(jié)果顯示，頻率支撐需求對(duì)頻率安全指標(biāo)的重要性得分為0.52，電源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型在系統(tǒng)充裕性維度中的影響權(quán)重達(dá)36%，電能量需求在經(jīng)濟(jì)價(jià)值與新能源消納指標(biāo)中貢獻(xiàn)度超30%，表明電源轉(zhuǎn)型需求、電能量需求、頻率支撐需求是影響電化學(xué)儲(chǔ)能價(jià)值的最主要因素，碳減排需求、靈活爬坡需求、新能源配比需求、新能源消納需求與儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)需求在某些領(lǐng)域有一定的影響力，但不同價(jià)值維度下上述需求的重要性排序與作用方向存在差異，還需要結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與發(fā)展路徑開展更為細(xì)致的影響因素探究。
