基于组合权重方法的微型抽水蓄能电站的模糊综合评价

《Journal of Energy Storage》：Fuzzy comprehensive evaluation of mini pumped hydro storage based on combined weighting method

微型泵水蓄能系统（Mini-PHS）在分布式可再生能源储能中的应用潜力及评估方法研究。基于生命周期评估（LCA）构建三阶段（前期、建设、运营）层次指标体系，结合AHP主观权重与熵权法客观权重，引入博弈论优化指标权重分配，建立模糊综合评价模型。以河南信阳长洲河水库改造项目为例，评估其技术经济可行性，年收益约429万元，减排CO?当量3.78万吨，验证了Mini-PHS在缓解电网压力、实现能源自循环及碳中和目标中的环境经济双重效益。

　　

高家军|林涛|何向丽|白静璨|袁林娟

中国农业大学水资源与土木工程学院，北京，100083，中国

摘要

目前，为风能、太阳能和水能等分布式可再生能源储存能量是一个主要挑战。开发适应当地条件的微型抽水蓄能（Mini-PHS）被认为是有前景的解决方案。本研究建立了一个基于生命周期评估（LCA）的分层指标体系，涵盖三个阶段：前期准备、建设和运营后期。指标的主观权重通过层次分析法（AHP）确定，而客观权重则通过熵权重法（EWM）计算。通过结合博弈论的概念，提出了一种综合加权方法来优化指标权重。随后构建了一个模糊综合评估模型，并将其应用于中国河南省新乡市的常州市水库重建项目。评估结果表明，该项目的可行性非常好。具体而言，装机容量为500千瓦的常州市Mini-PHS系统每年可通过峰谷电价差产生约42.9万元人民币的收入，并在其运营寿命内减少37,822吨的温室气体排放。除了减轻当地电网的压力和产生经济效益外，Mini-PHS系统还显著减少了温室气体排放，显示出明显的环境优势。这些发现突显了Mini-PHS在促进可持续能源发展方面的巨大市场潜力。

引言

过去几十年，能源消耗显著增加[1]。由于化石燃料的枯竭和环境恶化的加剧，发展可再生能源（RES）已成为全球各国实现碳中和和可持续能源系统的关键策略[2]。目前，全球电力行业正在逐步向以可再生能源为主的供电系统转型，尽管这一过程伴随着许多挑战[3]。

尽管可再生能源具有巨大潜力，但由于风能和太阳能的间歇性，其广泛采用仍面临重大挑战。为了确保电力供需的稳定平衡并在不可预测的条件下保持系统可靠性，通过整合先进的储能技术来提高电力系统的灵活性至关重要[4]。由于抽水蓄能（PHS）具有极高的可靠性、低运营成本和最小的环境影响[5]、[6]、[7]，它占据了全球储能容量的90%，使其成为最成熟且最具成本效益的储能解决方案[8]。当前的研究重点在于优化抽水蓄能与可再生能源的整合。然而，由于特殊的地形、地质和水文条件，某些地区无法建设传统的大规模抽水蓄能设施[9]。国际上，装机容量小于50兆瓦的PHS通常被归类为小型设施。基于Shabani等人的进一步划分，装机容量在0-0.1兆瓦之间的系统被归类为微型PHS[10]。本文将容量分类细分为以下几类：小型PHS（1-50兆瓦）、微型PHS（0.1-1兆瓦）和超微型PHS（0-0.1兆瓦）。

现有文献包括Blakers等人对小型PHS的系统分析，涵盖了技术、成本、效益、环境影响和应用前景[11]、[12]。此外，相关研究还关注了偏远社区中的设施，为小型PHS的发展奠定了理论和实践基础[13]。目前，小型PHS已应用于偏远岛屿、住宅建筑和农业地区，如表1所示。

然而，关于微型PHS的研究仍存在空白。该系统在选址要求、灵活性和建设难度方面具有明显优势。因此，通过利用现有的水资源和丰富的当地可再生能源资源，特别是分布式风能和光伏（PV）能源，微型PHS可以促进本地能源消费并提供可靠的电力供应。在缺乏电网覆盖的地区，该系统可以实现自给自足的电力供应；而在接入电网的地区，产生的电力可以输入电网以产生收入。尽管这些应用优势显著，但针对微型PHS的研究仍不充分，也缺乏系统的评估框架。因此，进行可行性研究对于微型PHS至关重要。

为了建立一个稳健的决策框架，对微型PHS的可行性进行了全面评估，涵盖了技术和经济维度。多标准决策方法（MCDM）是运筹学的一个重要分支，广泛用于复杂环境中的决策优化，能够整合多个指标、相互冲突的目标和标准[20]。MCDM已广泛应用于多个领域[21]、[22]、[23]、[24]，例如海上风电场和热电厂的选址[23]、[25]、无人挖掘机的性能评估[26]、城市综合利用的评估[27]，以及电动和混合动力车辆的动力系统架构比较[28]。

MCDM大致可以分为主观方法和客观方法。在主观方法中，如层次分析法（AHP）[29]、模糊层次分析法（F-AHP）[30]、德尔菲法[31]、[32]、环比率评分法[33]和顺序关系法[34]，指标的权重是基于人类判断确定的。相关领域的专家评估指标的相关性，以建立知识驱动的指标体系。由于其易于使用、计算复杂度低和清晰的分层结构，AHP被广泛用于确定评估因素的权重[35]、[36]、[37]，这些权重随后被应用于后续评估中。然而，由于专家判断的模糊性，主观方法可能导致评估结果不准确[39]。在处理复杂的指标系统时，有效的优先级排序颇具挑战性[40]。因此，客观方法作为权重分配的替代方案应运而生。

客观权重是通过量化每个评估指标的内在信息来确定的。与主观方法相比，客观方法（如EWM、CRITIC和TOPSIS[41]）通常能够克服主观权重的偏见并提高结果的准确性。然而，仅依赖主观或客观权重方法可能导致权重分配不合理。因此，结合这两种方法进行综合加权可以更全面地考虑主观和客观因素，从而充分利用数据并提高权重的合理性。

当前的研究探索了各种混合方法，包括AHP-EWM[42]、[43]、AHP-TOPSIS[44]、环比率评分法-EWM-EWM[45]、EWM-TOPSIS[46]、[47]。将博弈论纳入权重分配中可以实现主观和客观权重的平衡整合，从而减少单一方法权重分配中的偏见[48]。博弈论旨在预测结果，并为多方冲突情景提供决策机制。这种方法已成功应用于政治科学冲突分析[49]、经济策略优化[50]、电网稳定性提升[51]、AI算法设计[52]、地下采矿稳定性评估[53]和水质评估系统[54]、[55]。然而，博弈论在微型PHS中的应用尚未得到探索。

本研究采用了一个结合综合权重和博弈论的框架来评估微型PHS的技术和经济可行性。开发了一个新的模型来评估微型PHS的选址可行性。基于生命周期评估（LCA）构建了一个分层指标体系。通过MCDM结合AHP和EWM确定了各个指标的权重。为了优化权重分配的合理性，实施了一种基于博弈论的综合加权方法。使用模糊综合评估（FCE）全面评估了选址的可行性，得出了明确的项目可行性分类。该模型应用于常州市微型PHS重建项目的案例研究，并讨论了基于LCA的环境效益。

本文的结构如下：第2节详细描述了研究方法。第3节进行了微型PHS的可行性分析和敏感性分析。第4节讨论了环境效益。第5节总结了研究结果。最后，在结论部分总结了研究方法和主要发现。

章节片段

指标体系的建立

可行性研究通过全面的技术经济评估支持项目决策。微型PHS的开发涉及资源、环境和社会经济领域的相互关联因素，这些因素具有协同效应和权衡。

示例的背景信息

选择中国河南省新乡市的常州市水库作为研究案例。该水库的正常水位为156.5米，有效蓄水量为1.352×10^7立方米。这个梯级水电开发项目包括第一阶段和第二阶段电站。值得注意的是，第一阶段电站的水头仅为10米，从技术上不适合改造为微型PHS。相比之下，第二阶段电站的水头为36米，

微型PHS的碳排放

根据运行计划（表6、表7），该设施的平均日发电量为2200千瓦时，年发电量为803,000千瓦时。如果完全替代燃煤发电，每年可减少803,000千瓦时的热电需求。根据《中国能源转型白皮书》[64]中的煤炭强度基准（303克/千瓦时），这相当于每年节省243.31吨标准煤。使用中国2023年的电网排放因子（0.9440 kgCO2/kWh），

结论

本研究构建了风能-光伏微型PHS的评估指标体系。此外，使用AHP-EWM模糊综合评估模型对该系统的可行性进行了评估，并结合了博弈论。该模型应用于一个案例研究，并讨论了环境效益。本研究的主要结论如下：

• (1)
  本研究整合了LCA，开发了一个分层指标体系，并全面考察了包括前期准备在内的各个方面

CRediT作者贡献声明

高家军：撰写——原始草案、方法论、调查、形式分析。林涛：验证、调查、数据管理。何向丽：方法论、形式分析。白静璨：资源管理、数据管理。袁林娟：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。

利益冲突声明

所有作者声明没有利益冲突。

致谢

作者感谢国家电网有限公司总部管理技术项目（编号：5400-202324196A-1-1-ZN）的财政支持。