在过去的几十年里，可再生能源 （RES） 在电力系统中的渗透率大幅提高。RES 已成为减少碳排放和缓解气候变化的有效解决方案。然而，与天然气和煤炭发电等可调度能源相比，风力发电和太阳能光伏发电受天气影响（WD），因此被称为天气依赖性可再生能源（WD-RES）。该研究主要探讨了天气依赖性可再生能源（WD-RESs），特别是风能和太阳能，在电力系统中的高渗透率对电网安全性的影响。随着全球范围内可再生能源的广泛应用，尤其是在美国和欧洲，风能和太阳能的占比逐渐上升，但这也引发了关于这些能源对电力系统稳定性的影响的争议。由于风能和太阳能是天气依赖性能源，其电力输出受到天气变化的影响，因此在极端气候条件下，它们是否加剧了电网故障或停电事件成为一个重要问题。
研究结果显示在高渗透率的WD-RES电网中，停电事件的强度通常较低。具体而言，与低渗透率电网相比，高渗透率电网的停电事件中，受影响的客户数、需求损失和停运时长明显减少。这一趋势在较为严重的停电事件中尤为明显。此外，高渗透率WD-RES电网发生大规模停电的概率较低。研究结果表明尽管风能和太阳能是天气依赖性且无法调度的能源，但该研究并未发现高渗透率WD-RES电网会增加大规模停电事件的发生率或使其更加严重。相反，停电频率和极端天气的敏感度随着WD-RES渗透率的提高而降低，停电强度也有所减缓。
图2：具有更高渗透率的电网降低了强度的可能性。概率P(X1≥X2,Y1≤Y2)，其中X和Y分别表示WD-RES级别和停电强度。
研究发现，极端天气对停电的影响远大于WD-RES渗透率的影响。特别是极端气候条件下，停电的发生频率和强度大幅上升，但这种增加大部分是由于极端天气本身的直接作用，而非WD-RES的渗透率所引发的。研究还发现非天气引发的停电事件同样容易受到极端天气条件的影响。与天气引发的停电事件相比，非天气引发的事件在天气条件的变化下表现出更强的敏感性，这表明即使天气并非直接导致停电，极端天气仍会增加电网的脆弱性。
图 3：天气诱发和非天气诱发事件的稀有概率。天气罕见度指数由0至5，其中0为最极端。最小稀有度指数是GHI、风速、相对湿度和温度稀有度指数（min (RG， RW， RH， RT)）中的最小值。灰色虚线表示没有任何特定天气脆弱性的罕见概率。
图 4：不同WD-RES渗透率水平下天气诱发事件的罕见概率。绿色、粉色、蓝色和红点分别代表在 RES1、RES2、RES3 和 RES4 网格类别的相应天气条件下发生的事件的累积概率。RES1、RES2、RES3 和 RES4 分别代表 WD-RES 渗透水平 （0-10%）、（10-20%）、（20%、30%） 和 （30%、40%）。
在天气稀有度具有明显统计差异的类别中（p < 0.05），渗透率较高的 WD-RES 网格具有更高的平均稀有度指数。这意味着渗透率较高的 WD-RES 电网不太容易受到极端天气条件的影响。WD-RESs对停电事件的因果影响随着渗透率的增加而减小，尤其是在极端天气条件下。高渗透率WD-RES电网的停电事件与天气无关的停电事件之间的因果关系较弱，表明WD-RES本身并不是导致极端天气下停电的主要因素。高渗透率WD-RES电网具有更强的抗干扰能力，这可能是由于系统规划者在设计时避免将RES设备部署在易受极端天气影响的地区，且高渗透率的区域电网往往与其他区域电网互联，能够有效分担天气带来的负荷压力。
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参考文献
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/s41560-024-01652-1
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