双碳背景下综合能源电力系统弹性分析与提升研究综述.pdf
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1、 第 18 卷第 2 期 2023 年 6 月 电 气 工 程 学 报 JOURNAL OF ELECTRICAL ENGINEERING Vol.18 No.2 Jun.2023 DOI:10.11985/2023.02.011 双碳背景下综合能源电力系统弹性分析与提升 研究综述*刘瀚琛 王 冲 鞠 平(河海大学能源与电气学院 南京 211100)摘要:为实现“双碳”战略目标,新能源、天然气等清洁低排放的发电方式备受关注并得到了大力发展,清洁高效的综合能源电力系统正蓬勃兴起。与此同时,新能源出力的随机性和多能源系统组成的复杂性日益突出,也加大了综合能源电力系统安全稳定运行的难度,尤其是给系统
2、针对极端事件的弹性分析与提升带来了新的挑战。为此,围绕综合能源电力系统弹性分析与提升,本文从模型构建、分析评估和提升方式的角度开展了相关介绍与梳理。首先简述了综合能源电力系统的组成结构和建模构建方法;其次阐述了综合能源电力系统弹性的相关概念以及分析方法,其中包含了极端事件造成的风险传播过程分析和弹性评估体系架构等;然后按照极端事件的发展阶段梳理总结了综合能源电力系统弹性的提升方法,包括预防性策略、响应性策略和恢复性策略;最后,结合文献调研结果,对“双碳”背景下综合能源电力系统弹性相关问题进行展望。关键词:综合能源电力系统;弹性;“双碳”目标;极端事件 中图分类号:TM561 Review on
3、 Resilience Analysis and Enhancement of Integrated Energy Power Systems Considering Dual Carbon Goal LIU Hanchen WANG Chong JU Ping(College of Energy and Electrical Engineering,Hohai University,Nanjing 211100)Abstract:To achieve carbon peaking and carbon neutrality goals,clean and low-emission gener
4、ation techniques,such as renewable energy and natural gas,have acquired considerable attention and have been widely developed.Clean and efficient integrated energy power systems are flourishing.At the same time,the randomness of renewable energy and the complexity of multi-energy composition is beco
5、ming increasingly prominent,which makes safe and stable system operation more difficult and especially imposes new challenges into the resilience analysis and enhancement of the system during extreme events.The resilience analysis and enhancement of integrated energy power systems from the perspecti
6、ves of model construction,analysis and evaluation,and enhancement methods are introduced.Firstly,the composition structure of integrated energy power systems and corresponding modeling methods are presented.In addition,the resilience concept of integrated energy power systems is introduced,including
7、 the extreme-event-triggered cascading risks and resilience evaluation methods.Furthermore,according to the development stages of extreme events,the resilience enhancement of integrated energy power systems is summarized,including the preventive,the adaptive,and the recovery.Finally,according to the
8、 literature research,prospects of integrated energy power systems resilience under dual carbon goals are made to outline future research.Key words:Integrated energy power systems;resilience;dual carbon goal;extreme events *国家自然科学基金(51837004,U2066601,51907050)和 111 引智计划(B14022)资助项目。20220526 收到初稿,2022
9、0628 收到修改稿 月 2023 年 6 月 刘瀚琛等:双碳背景下综合能源电力系统弹性分析与提升研究综述 109 1 引言 目前,全球气候问题越发严重,气候治理已成为世界各国重大且紧迫的任务和挑战。建立清洁高效的能源体系是缓解气候恶化问题的有效途径。世界各国如法国、德国、澳大利亚等以及多个地区都在积极研究含高比例可再生新能源的能源网络建设的发展前景1-4。2020 年 9 月,在第七十五届联合国大会上,中国提出“中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值,努力争取 2060 年前实现碳中和”5。这不但展现了中国在全球气候治理进程中负责任的大
10、国形象,而且也将构建清洁高效的能源系统上升到全新高度。为响应“碳达峰,碳中和”的战略目标,要求电力系统持续推动能源低碳转型,逐步控制缩减化石能源的消耗量,增加清洁低碳的新能源的发电比例,提升各行各业的整体能效水 平6-7。在此背景下,综合能源电力系统的规模日益壮大。在积极落实“双碳”目标的过程中,低碳化成为了推动能源体系变革的核心要求,综合能源电力系统逐步演化出了新特征,也给系统协调调度运行提出了新要求。在能源供应侧,伴随着多能流耦合程度的加深,能源结构向多样化、高效化和清洁化的方向发展,化石燃料的比例在缩减,环保可再生新能源比例在持续上升,甚至会占据发电来源的主体,加剧调节能力受限、电网平衡
11、能力不足等问题。在能量传输侧,能量传输载体也呈现差异化,并随着不同能源形式系统耦合程度加深,能量载体间的差异如多时间尺度等特征越发突出,给系统的协调稳定运行提出了更高的要求。在能源负荷侧,各类负荷的智能化与信息化也是构建低碳高效能源体系的重要部分,负荷参与调度的水平在不断提升,调度方式也呈多样化发展。在实现“双碳”目标的过程中,综合能源电力系统多能流耦合等特性使得系统安全稳定备受关注,尤其是极端事件下的系统弹性问题。近年来,自然灾害、人为失误以及恶意攻击等极端事件的相关报告日益增长8-10,这些极端事件极易造成严重的大规模事故,给社会带来巨大损失。例如,2020年 8 月,罕见的热浪风暴袭击了
12、美国加州,持续高温引发了山火,其产生的大量烟雾严重减少了光伏发电有效接收面积,光伏出力大幅下降,另一方面,高温导致温控负荷需求激增,严重的供需矛盾迫使系统执行轮流停电,造成约 492 000 的用户停电9;2021 年2月,美国得克萨斯州遭遇了一场冬季风暴,低温导致天然气管道冻结,燃气轮机“断气”,风电、光伏也因冰冻和暴雪等缘故发生故障,外加用户因供暖需求负荷激增,系统供电备用严重不足,最终发生大规模停电,损失负荷曾一度达到约 52 277 MW(约占总功率的 48.6%)10。上述报告反映了极端事件的影响会通过不同子系统间能量交互传播到其余子系统,最终造成整个总系统范围内的连锁故障。此外,发
13、生在信息层的极端事件会因物理信息耦合特性干扰到能量层,引发能量断供事故。此外,考虑到“双碳”目标的要求,未来综合能源电力系统的多能流耦合、信息化的特性会越发突出与加强,弹性问题也会越发突出。因此,如何有效提升综合能源电力系统弹性是推进“双碳”目标进程中不可忽视的关键问题之一。因此,本文结合“双碳”目标与综合能源电力系统弹性研究,首先介绍了综合能源电力系统弹性相关定义、组成结构和建模分析方法;其次,阐述了综合能源电力系统弹性运行状态和弹性评价指标;然后按照极端事件的发展阶段梳理总结了综合能源电力系统弹性的提升方法;最后,结合文献调研的结果,对“双碳”背景下的综合能源电力系统弹性相关研究问题进行展
14、望。2 综合能源电力系统弹性概念 2.1 综合能源电力系统的组成 在“双碳”背景下,综合能源电力系统的关键特征在于其包含电力、天然气、热力、风能、太阳能等异质能流的转换耦合及相互作用11-12。图 1 给出了“双碳”背景下的典型综合能源电力系统在能量交互层面和信息交流层面的组成结构。在综合能源电力系统的能量交互层中,不同能量形式子系统(电网、气网、热力网)通过热电联供机组、电转气(Power-to-gas,P2G)设备、电锅炉等边界耦合元件连接。正因为这样的系统组成结构和能量交互方式,不同子系统之间会发生双向甚至多向的能量流动。此外,在信息交流层上,在综合能源电力系统中,信息交流层主要可以分为
15、感知、通信、计算、控制等环节13-14。与这些环节对应,存在相应具体的通信设备,如传感器、路由器、交换机、控制器等用于执行。同时,由于不同能源形式的子系统所属运营商或部门不同,需要通过协调各个子系统,综合 电 气 工 程 学 报 第 18 卷第 2 期期 110 能源电力系统才能达到最佳的运行状态15-16。并且随着“双碳”目标的推进,综合能源电力系统的信息化和智能化会逐步提升,信息流和能量流的交互也会越发深入。图 1 典型综合能源电力系统的结构组成示意图 2.2 综合能源电力系统弹性内涵 弹性(Resilience)最初常用于形容系统在受到扰动后恢复正常状态的能力,常用于生态学、材料科学、经
16、济学和工程学等众多领域17-22。虽然目前综合能源电力系统的弹性定义众说纷纭,尚未统 一23-25,但是以上弹性的定义之间存在共性,普遍认为弹性核心是系统承受极端事件时具有维持自身正常运行状态的能力。这种能力主要包含三个方面,即预防性能力、实时调度能力以及恢复性能力26-29。基于弹性定义的共性,综合能源电力系统弹性可以理解为在面对各类极端事件时,综合能源电力系统通过预防、适应和恢复等方式维持系统(涵盖各个不同能源形式子系统)正常运行状态的能力。相较于电力系统弹性,综合能源电力系统弹性涉及的能源形式种类更多,需要兼顾各个不同能源形式网络的运行模式和利益诉求,以维持系统整体弹性。图 2 展示了一
17、种典型的综合能源电力系统弹性曲线示意图。其中,F0和 Fmin分别表示系统性能初始值和最低值。阴影部分面积表示系统在该极端事件过程中的性能损失量,可用于衡量系统弹性强弱。当采用针对性的弹性措施时,系统性能的衰减速度、性能低谷和恢复速度会相应提升,促使性能损失量减少,弹性水平提升。图 2 极端事件下系统弹性曲线示意图 虽然弹性、鲁棒性和可靠性都可以用于形容系统应对干扰故障的能力,但是弹性又与其余两者的概念有所区别。其中,鲁棒性是一种相对保守被动的系统安全概念,所涉及的方法以系统的规划设计为主,强调系统自身固有的抵抗干扰能力,而弹性不仅涉及系统固有的预防能力,还包含实时调度和事后恢复的主动应对事故
18、能力30-31。另外,虽然可靠性和弹性具有部分相似之处,但是可靠性的侧重点在于应对大概率-低影响事件32,弹性则针对小概率-高影响的极端事件33-34。月 2023 年 6 月 刘瀚琛等:双碳背景下综合能源电力系统弹性分析与提升研究综述 111 2.3 综合能源电力系统弹性与常规电力系统弹性对比 随着“双碳”目标的贯彻推进,综合能源电力系统在能量交互层和信息交流层上呈现出区别于常规电力系统的新特征,这些新特征对综合能源电力系统弹性赋予了新内涵。在能量交互层面,相比于常规电力系统,综合能源电力系统在能量供应侧、能量传输侧和能量负荷侧均出现了较大差别。能量供应侧上,为满足低碳化转型的要求,风电、光
19、伏等新能源不仅呈现出高比例发展趋势,甚至将占据主体地位,这会导致能量供应更易受到天气等外界环境影响,系统随机性加剧、惯性下降,严重威胁综合能源电力系统弹性。与此同时,电力系统、天然气系统和热力系统等异质能源系统间的深入合作进一步加强了多能流耦合特征,一方面,多能流耦合特性增加了极端事件下异质能量系统之间连锁故障的风险23;另一方面,异质能量系统间也可以通过能量耦合实现相互支援,共同提升弹性。能量传输侧上,相比于常规电力系统的单一能量载体,综合能源电力系统内各异质能量传输载体间物理特性存在较大差异,导致多时间尺度等特征突出,系统能量流分析和弹性协同调度难度也随之上升。能量负荷侧上,电化学储能、储
20、气站和广义温控负荷等需求响应资源越发丰富,提供了更多类别的弹性调度资源手段,“源荷互动”特点更为突出。在信息交流层面上,多能流耦合、多利益主体等特征对感知、通信和控制等环节的快速性和准确性提出了更高要求35-37。因此,综合能源电力系统内通信信息设备得到了更为广泛的应用,信息网络与能量网络的交互更为密切,系统智能化和信息化水平大幅提升。与此同时,信息交流层与能量交互层之间形成了强耦合关系,这种强耦合关系使得极端事件引发的风险传播过程更为复杂,对综合能源电力系统弹性分析提出了更高要求。由于这些新变化,相比于常规电力系统的弹性研究,综合能源电力系统弹性研究不仅面临新问题,也诞生了新的解决思路。3
21、综合能源电力系统弹性分析 全面的综合能源电力系统弹性分析是实现系统弹性有效提升的基础。本节将从综合能源电力系统建模与仿真、极端事件造成的风险传播和弹性评价指标三个角度分析系统弹性。其中,综合能源电力系统的建模与仿真是明确风险传播过程和确定弹性评价指标的基础。考虑到综合能源电力系统组成结构,极端事件引发的风险传播不仅发生在能量交互层中的各子系统之间,而且也会发生在能量交互层和信息交流层之间。明确风险传播过程可以对事件中系统各部分确定有效且有针对性的弹性指标,为建立完善的弹性评估体系提供前提条件。3.1 综合能源电力系统的建模与仿真 鉴于综合能源电力系统的复杂能量流动与信息交流特征,合理且准确的综
22、合能源电力系统建模与仿真是后续弹性分析与提升的基础。结合综合能源电力系统的组成结构,其建模方法主要涵盖能量交互和信息交流两个层面。目前,关于能量交互层面上的建模,根据不同子系统中能量载体的物理特征,主要有管道稳态模型38-41、动态管存模型42-44、离散差分模型45-48和统一能路模型49-53等。管道稳态模型主要是基于Weymouth 方程的稳态气流模型,建立节点气压和支路流量关系40;动态管存模型考虑到天然气、热力等系统具有传输慢、惯性大等动态特性,其延时效应可等效为系统的储能以表征动态特性42;离散差分模型则是根据气体动力学推导气流的动态潮流模型,然后通过 Euler、Wendroff
23、 等差分方法对时间和空间进行差分求解47,54;统一能路模型则借鉴电网从“场”到“路”的推演方法论,对其他能源网络进行分析,从而推导出由若干包含阻、容、感等能路元件按拓扑关系所组成的不同能源系统52。在信息交流层面上,综合能源电力系统中信息网与能量网的关联融合程度逐渐加深,信息网络的运行特征也给综合能源电力系统运行分析带来了不可忽视的新问题。因此,国内外的研究人员对综合能源电力系统的中信息网络建模技术进行了多角度的深入研究。当前信息网的建模方法主要有复杂网络理论35,55-57、基于潮流模型的建模方法37,58-59和基于系统状态方程的建模方法60-62等。其中,复杂网络理论的出发点是借鉴图论
24、的思想将信息网视为由点和边所构成的集合,主要用于研究拓扑结构和系统运行之间的联系57,63;受到潮流计算的启发,基于潮流模型的建模方法相关研究取得了不少进展,该方法主要依据电力系统潮流方法,提出节点信息流平衡方程、节点最大信息流量约束和通信信道的最大信息流量约束条件以描述信息网运行模 式59;近年来,许多研究从系统功能模块的角度分析信息物理系统框架结构,信息网功能大多被定义为对电力网的监测和控制功能,对信息物理系统建模的研究转变为对耦合部分的微分状态方程构建控制器,以满足稳定控制和经济运行要求62。以上建 电 气 工 程 学 报 第 18 卷第 2 期期 112 模方法特点如表 1 所示。表
25、1 常见的综合能源电力系统建模方法 层面 建模分析方法 方法特点 能量交互层 管道稳态模型38-41 仅包含节点气压和支路流量的代数关系,仅适用于稳态分析 动态管存模型42-44 考虑气网等系统的管存效应,可反映一定程度的动态特性 离散差分模型45-48 可考虑不同能源系统的动态特性,计算量大;可用于动态分析统一能路模型49-53 由“场”到“路”,推导出不同能源系统的阻、容、感等元件模型 信息交流层 复杂网络 理论35,55-57 借鉴图论思想,主要考虑通信网络的拓扑结构和物理系统的关联 基于潮流 模型37,58-59 同时考虑了信息网络拓扑结构和信息流动量对能量层面的影响基于系统状态 方程
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