高渗透率可再生能源电网稳定性增强!

【研究背景】

可再生能源系统（RESs）因其在清洁能源生产中的重要作用而受到广泛关注，特别是在风能和太阳能等天气依赖型可再生能源（WD-RESs）的高渗透率日益增加的背景下。这些能源能够有效减少碳排放，并在应对气候变化方面提供了重要解决方案。然而，与传统的调度型能源资源（如天然气和煤炭发电）相比，风能和太阳能由于其受天气条件的影响较大，常被视为电力系统稳定性的一大挑战。风能和太阳能发电具有不确定性和不可调度性，这使得在极端天气条件下，电网面临更大的安全隐患，尤其是由于天气变化引发的停电事件成为了人们关注的焦点。

尽管可再生能源在减少碳排放和应对气候变化中具有不可替代的作用，但在风能和太阳能发电的高渗透率背景下，电网的可靠性问题仍然引发了广泛的讨论。风能和太阳能对电网的影响，特别是在极端天气条件下，是否会加剧电力系统的故障和停电，仍然存在争议。虽然有研究表明天气依赖型可再生能源可能在极端气候条件下导致电网不稳定，但也有研究认为，随着可再生能源渗透率的提高，电网的韧性得到了增强，黑启动能力和极端天气下的系统恢复能力可能得到改善。因此，理解可再生能源在极端天气情况下的角色，对未来电力系统的规划和设计至关重要。

近日，来自美国田纳西大学诺克斯维尔分校Jin Zhao, Fangxing Li & Qiwei Zhang三个人在高渗透率天气依赖型可再生能源电网的停电事件研究中取得了新进展。该团队通过对2001年到2020年间美国48个州378个城市的2156个电力系统停电事件及其相关天气数据的综合分析，揭示了高渗透率风能和太阳能对电网停电风险的影响。研究表明，尽管风能和太阳能的非调度性和天气依赖性在传统电网中引发了人们对电力系统稳定性的担忧，但在高渗透率的可再生能源电网中，停电事件的强度和极端天气对电网的脆弱性影响较小。

该研究利用深度学习和因果推断的方法，系统地分析了风能和太阳能渗透率与停电事件之间的关系。研究结果表明，高渗透率的风能和太阳能电网在极端天气条件下，并未表现出更大的停电脆弱性，相反，这些电网的停电事件强度有所减轻。该研究还指出，极端天气条件（如干旱天气和春秋季的风暴）对停电事件的严重性影响较大，而天气依赖型可再生能源在此类极端天气事件中的作用是有限的。

【表征解读】

本文通过因果推断与深度学习相结合的方法，深入探讨了风能-光伏可再生能源（WD-RES）渗透率与停电事件之间的关系，从而揭示了WD-RES在电网停电风险中的作用。首先，本文通过因果效应分析（do-operator）排除了天气与时间的干扰，精确测定了WD-RES渗透率对停电事件的直接因果影响。通过将天气条件和电网建设时间作为混杂变量，避免了这两个因素对停电事件的影响，得出了WD-RES渗透率变化与停电发生概率之间的清晰关系。这一结果不仅揭示了WD-RES渗透率对电网安全性的潜在影响，还为电网的稳定性评估提供了新的定量化工具。

本文还通过因果中介分析，进一步剖析了天气条件与WD-RES渗透率对停电的间接影响。通过分析WD-RES渗透率在中介变量中的作用，探讨了天气变化对停电的直接影响与WD-RES渗透率的间接影响。尤其是，本文采用了自然直接效应（NDE）和自然间接效应（NIE）的计算方法，分别衡量了天气条件变化与WD-RES渗透率变化对停电事件的贡献。这种深入的微观机理表征使我们能够更好地理解WD-RES渗透率在复杂气候变化环境中的调节作用，进而为电网优化提供了理论支持。

除了传统的统计和因果推断方法，本文还采用了深度学习中的深度卷积嵌入聚类方法，通过对天气条件数据进行无监督学习，自动识别了不同的气候状态和停电事件的关联性。通过聚类分析，本文发现了停电事件发生的气候模式，从而进一步揭示了WD-RES渗透率与特定气候条件下的停电风险之间的关系。这一表征方法不仅为天气-RES-停电关系的量化提供了新的思路，也为未来在智能电网领域的气候风险评估奠定了基础。

依赖天气的可再生能源WD-REs不同渗透率水平时，不同停电强度的概率和回归函数

原文详情：Zhao, J., Li, F. & Zhang, Q. Impacts of renewable energy resources on the weather vulnerability of power systems. Nat Energy (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-024-01652-1https://www.nature.com/articles/s41560-024-01652-1