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摘要

【意义】在“双碳”目标引领下，电化学储能凭借其高效灵活的特性，成为新型电力系统中不可或缺的调节资源。当前亟需一种方法，能够全面量化储能在多元耦合辅助服务中的系统价值，并识别其价值形成的关键驱动因素，以支撑科学配置与政策制定。【方法】提出了一种面向多元耦合服务场景的电化学储能多维价值评估与归因分析框架。该方法构建了涵盖经济、技术与环境多维度的价值指标体系，系统反映储能在调峰、调频等多服务中的综合贡献。进一步地，基于随机森林模型识别系统运行特征对储能价值的非线性驱动关系，揭示复杂运行条件下的价值形成机制。【结果】算例结果显示，储能提供多元耦合服务可使系统惯量提升46.09%、最低频率改善0.21 Hz、碳排放强度降低18.9%，并在多维价值间呈现显著协同效应。所提方法可为储能的价值挖掘、功能定位与配置优化提供机制性、可解释的量化依据，服务于新型电力系统灵活性提升与低碳转型战略。

研究背景

为适应全社会低碳转型与能源电力清洁化需要，中国提出了建设“清洁低碳、安全充裕、经济高效、供需协同、灵活智能的新型电力系统”目标。构建适应新能源高占比的新型电力系统成为当前能源转型的重要方向，但也带来系统运行稳定性与灵活性的新挑战。而配置以电化学储能为代表的新型储能资源被认为是应对上述问题的有效手段之一。准确量化电化学储能的价值及其影响因素，是指导合理投资、推动产业发展的核心问题。现有研究多基于优化模型或综合指标评估储能的经济性与系统效益。然而，这些研究多集中于单因素或单场景分析，难以揭示电力系统低碳转型背景下多因素共同作用时储能价值的动态演化规律。此外，也有研究从碳约束与市场机制视角出发，构建储能优化模型以评估收益变化，但未能识别影响储能价值形成的关键系统需求及其关联关系，限制了规划与配置的针对性。因此，亟须建立能够解析系统多维需求与储能价值间关联关系的分析方法。

当前在电力系统领域已有一些归因分析的研究，常见的归因分析方法包括Granger关联方法、基于信息熵的归因分析方法、收敛交叉映射算法（convergent cross mapping，CCM） 等。这些方法通常要求输入输出变量间具备较强的统计相关性，难以解析多变量协同作用结构。近年来，结构因果模型（structural causal model，SCM）作为一种基于因果图结构推理的推断方法，借助因果图与干预演算规则，可在结构已知的前提下推导出变量间的因果路径与干预效应。但上述方法大多仅能筛选出具有显著因果关系的输入输出变量，难以得到不同输入变量间的影响力大小排序。且随着电力系统复杂程度的进一步提升，上述方法还面临原理复杂、计算困难等缺点，难以大范围应用。
整体来看，目前关于电化学储能系统价值评估的研究，多集中于经济收益、容量利用率等单一维度指标，难以全面刻画储能在多元系统服务（如调峰与调频）中的综合价值贡献。在方法层面，已有研究普遍依赖相关性分析、灵敏度分析或主观加权模型来识别系统特征对储能价值的影响机制，缺乏在高维输入特征、多目标价值输出情境下的归因分析方法。此外，现有算例分析大多停留在指标定量层面，尚缺乏对系统特征与储能价值形成路径间的系统性量化剖析，难以为后续优化建模与决策支持提供机制性支撑。

计及多元耦合服务的储能系统价值评估与关联性分析框架

在传统电力系统中，维持系统电力电量平衡是系统的核心任务，也是电化学储能配置的主要驱动力。在新型电力系统中，电化学储能资源的核心竞争力是其能够实现电能量跨时段转移，为大规模可再生能源有效利用提供了可能。同时，电化学储能可以发挥自身调节速率优势，通过提供削峰填谷、快速调频、虚拟惯量支撑等多元服务扩大其系统价值。不同应用场景下的需求将使得电化学储能具有差异化的运行策略与综合成本，进而影响其系统价值水平。因此，有必要梳理电化学储能多元耦合服务机理，在价值评估与归因分析中合理考虑电化学储能提供的多元耦合服务影响，以适应未来电化学储能广泛应用的需要。本文提出了计及多元耦合服务的储能系统价值评估与关联性分析框架，如图1所示。

图1  储能系统价值评估与关联性分析框架

Fig.1  The framework for energy storage system value evaluation and correlation analysis

图1中，电化学储能能够为系统提供调峰、调频多元耦合辅助服务，备用、电压支撑等辅助服务因其控制逻辑与物理机制差异较大，不作为本研究的价值评估对象。本文重点关注储能在负荷调节与频率支撑中的典型作用机制，从而呈现出差异性的运行模式以分析电化学储能不同服务间的耦合关系，本文以削峰填谷与调频为例，探究其对运行策略、动态成本与系统价值的影响。作为电化学储能的核心功能，削峰填谷作用主要表现为在出力高峰时刻吸收富余的电源出力，并在出力低谷时刻释放储存的电量以保证系统电力平衡，其主要需求来自系统的电力电量偏差。

结论

随着电力系统低碳转型进程的逐步推进，电化学储能将在电力系统的更多方面发挥积极的作用。本文首先提出了融合多元耦合服务的电化学储能系统价值评估方法与给归因分析框架，之后构建了涵盖经济性、技术性与环境性的多维系统价值指标体系，结果显示，电化学储能在满足系统负荷调节与频率支撑等多元服务需求的同时，能够协同提升系统运行效率、清洁程度与安全水平，展现出显著的多维协同价值释放能力。

为分析电化学储能多维度价值与系统多维度需求的关联关系，本文借助随机森林算法构建了归因分析模型，并基于IEEE-24节点系统测算了影响系统多维度价值的关键因素。所提出的归因分析模型不仅能够筛选与系统价值相关的系统多维度需求，还能够量化不同因素的影响程度与作用类型，有助于分析电化学储能不同维度价值的内部变化机理，为储能功能定位、低碳转型路径构建、系统柔性资源规划及投资引导提供量化支持，具有良好的政策参考意义与工程实践价值。结果显示，频率支撑需求对频率安全指标的重要性得分为0.52，电源结构转型在系统充裕性维度中的影响权重达36%，电能量需求在经济价值与新能源消纳指标中贡献度超30%，表明电源转型需求、电能量需求、频率支撑需求是影响电化学储能价值的最主要因素，碳减排需求、灵活爬坡需求、新能源配比需求、新能源消纳需求与储能时长需求在某些领域有一定的影响力，但不同价值维度下上述需求的重要性排序与作用方向存在差异，还需要结合实际系统结构与发展路径开展更为细致的影响因素探究。