2024年10月21日，国际著名学术期刊《自然·能源》（Nature Energy）在线发表了美国田纳西大学和爱尔兰圣三一大学的最新研究成果“Impacts of renewable energy resources on weather vulnerability of power systems”。文章探讨了可再生能源渗透，天气条件和电力系统大停电的关系。
爱尔兰圣三一大学电子与电气工程系赵瑾教授为论文的第一作者，美国田纳西大学CURENT研究中心李方兴教授为论文的通讯作者，美国可再生能源国家实验室张迄维博士为论文的合作者。
背景
风能和太阳能等天气敏感的可再生能源 (WD-RES) 的高渗透率引发了人们对恶劣天气条件下电力系统安全性的担忧。尽管可再生能源的波动性在全球能源转型过程中被广泛讨论，其在大停电事件中的作用仍然存在争议。一些研究称不稳定的 RES 是极端气候条件下电网不可靠性增加的原因，而另一些研究则认为，即使在极端天气下，可再生能源发电也往往可用 。
由于缺乏 WD-RES 对电力系统停电影响的了解，人们对 WD-RES 的使用产生了怀疑，并在某些地区对风能和太阳能接入电网产生了强烈反对。考虑到未来电力系统的高 WD-RES 渗透率和零碳排放目标，迫切需要全面了解 WD-RES 在大停电事故中扮演的角色。
研究工作
为了解 WD-RES 对停电的影响，该研究分析了 2001 年 1 月至 2020 年 12 月美国 48 个州的停电事件。结合州级的区域天气状况、WD-RES（风能和太阳能）渗透水平和停电事件数据，该研究进行了一系列统计分析，以比较不同 WD-RES 渗透水平下的停电强度（受影响的客户数量、需求损失和持续时间）。另外，该研究应用因果推理来发现天气， WD-RES 渗透和大停电的因果关系，并使用深度学习聚类天气信息，总结了发生严重停电的典型天气条件。
发现
研究分析表明，在 2001 年 1 月至 2020 年 12 月期间，具有较高 WD-RES 渗透率的电力系统并没有表现出更高的停电脆弱性；相反，更高 WD-RES 渗透的电网更易有较低的停电强度。
随着 WD-RES 渗透率的提高，WD-RES 渗透率对停电事件的因果影响通常会减弱，并且当停电事件更严重时，这种减弱会更加明显。
虽然极端天气会增加电力系统对停电的脆弱性，但更高的 WD-RES 渗透率不会加剧电力系统的天气脆弱性。此结论在仅由天气条件引起的停电事件中仍然成立。
在极端天气条件下，WD-RES 不是停电的主要原因；虽然天气条件对停电发生的直接影响很大，但通过 WD-RES 的影响非常有限。
结语
在大电网层面，WD-RES 可能并不像人们通常认为的那样脆弱。从长期统计角度来看，并没有明显证据证明WD-RES 的“不可靠性”。事实上，高RES的渗透倾向于出现在具有先进化规划和运营或更稳定的电力系统中，这有助于建立 WD-RES、低停电影响和低天气脆弱性之间的联系。尽管如此，电力系统容易确实受到极端天气的影响，极端天气脆弱性在非天气引起的停电事故中仍然存在。为了减少未来高 RES 渗透电力系统中的停电事件，密切的天气追踪和电网弹性防御仍是重要课题。
虽然我们发现可再生能源渗透不会导致更严重的停电事件，但造成这种影响的原因还有待进一步研究。此外，研究局限于美国州级电力系统，这些系统大多在较大的系统中互联（例如东部西部互联电网）。具有不同系统结构的其他区域或国家级电力系统可能会显示不同的结果。最后，该研究基于二十年的历史经验数据，未来极高可再生能源的渗透亦可能会带来不同的结果。
作者介绍
赵瑾是圣三一大学电子电气工程系助理教授，博士生导师，洪堡学者。她于2020 年获得山东大学电气工程专业的博士学位，她曾是田纳西大学的研究员(Research Scientist)和多特蒙德工业大学客座研究员。她是IET GT&D期刊领衔编辑(Subject Editor)，IEEE trans和自然通讯等Nature系列的常驻审稿人，IEEE 数据端口(IEEE DataPort)指导委员(Steering Committee)及PES代表，以及IEEE PES工作小组AISR主席。她的研究兴趣包括弹性电网、极端气候与能源综合分析、微电网和机器学习，研究项目包括爱尔兰自然科学基金SFI-CONNECT 联合项目、爱尔兰环保局EPA气候变化项目、欧盟EU horizon 项目等。
李方兴是田纳西大学John W. Fisher讲席教授，CURENT研究中心主任。他于1994和1997年分别获东南大学电力系统及其自动化专业的本科和硕士学位，2001年获美国弗吉尼亚理工大学博士学位。2001-2005年曾任ABB公司高级工程师、首席工程师，2005年开始担任美国田纳西大学EECS系助理教授，2011年任终身教职副教授，2016年任教授。李教授于2016年当选IEEE Fellow，曾任北美华人电力工程师协会(NACPPA)主席，IEEE PSPI和PSOPE技术委员会的秘书、副主任、主任，以及IEEE OAJPE期刊主编。近年来荣获的奖励包括 R&D 100 Award, IEEE PES Technical Committee Prize Paper，多个国际期刊最佳论文奖6次，国际会议最佳论文7次。研究方向包括电网弹性、电力市场和优化、人工智能在电网的应用。
张迄维是美国国家可再生能源实验室 (NREL) 的研究员-模型工程师。他分别于2018年和2022年在美国田纳西大学诺克斯维尔获得了电气工程硕士和博士学位。在加入NREL之前，他曾在美国约翰霍普金斯大学担任博士后研究员。他的研究兴趣包括电力市场、电力系统网络安全以及电网规划。
论文引用
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
https://www.nature.com/articles/s41560-024-01652-1
