多维度气候基准重塑了极端气候条件下基于抽水蓄能的混合能源系统的韧性评估方法

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Multidimensional climate benchmarks reshape resilience assessment for pumped hydro storage-supported hybrid energy systems under climate extremes

　　摘要：随着风能和光伏发电在电网中的占比不断上升，以抽水蓄能为核心的混合能源系统逐渐成为应对极端气候事件的一种可行方案。然而，单一或复合型的多维度极端气候事件可能同时影响风能、光伏发电资源以及电力负荷需求。若对正常气候的界定不当，还会进一步扭曲系统的韧性评估结果。本研究基于40年的历史气象数据构建了多维度气候场景，包括3种正常气候场景以及8种单一或复合型极端气候场景。研究结果表明，正常气候基准与抽水蓄能的储能时长共同决定了混合能源系统在极端气候条件下的韧性边界。与能够保持完整时间结构的“中位数年份”场景相比，8年均值场景和聚类场景由于时间平滑效应和时间不连续性，提升了供电保障能力及对可再生能源的接纳能力。这两种简化后的基准模型分别低估了约70%的运营成本，同时高估了较长储能时长所带来的减碳效益，增幅分别高达16.32%和22.39%。延长抽水蓄能的储能时长可将“中位数年份”场景下的供电保障率从74.06%提升至87.49%，但仍无法彻底消除由极端气候带来的运营风险。在弱风相关场景和太阳能过剩场景下，系统会面临严重的供应短缺问题，冬季持续缺电，最大供电保障率仅为90.26%，最低的负荷损失比例达50.45%。而在强风相关场景和太阳能干旱场景下，系统则需通过限电和煤炭发电来弥补短缺，至少5.46%的短缺成本由限电和煤炭相关成本承担，从而将系统供电可靠性提升8.50%。最后，多维度气候条件下的减碳效果具有很强的场景依赖性，韧性提升并不总与减碳成效同步。本研究强调了多维度气候基准在评估以抽水蓄能为核心的混合能源系统极端气候韧性方面的关键作用，为低碳电力系统的规划与韧性评估提供了技术支持。

引言：全球低碳转型正在推动风能和光伏发电的大规模发展，使得以风能和光伏为主的电力系统成为深度脱碳的重要途径[1][2]。与此同时，高比例的风光发电也使得电力系统更容易受到气候变异的影响[3][4]。尤其是在不同类型的极端气候事件作用下，风能、光伏发电输出与电力负荷需求可能会同时受到影响，进而加剧资源供应与电力需求之间的时间错配问题[5]。这类风险已在实际的电力系统故障中显现出来。例如，2021年德克萨斯州遭遇“乌里”冬季风暴期间，2月14日至20日期间约有69%的居民面临停电，这凸显了高比例可再生能源系统在极端寒冷天气下的脆弱性[6][7]。此外，在2022年中国四川发生的热浪与干旱灾害中，降水量比历史平均值低51%，主要河流流量下降20%~50%，8月的用电高峰负荷增加了25%以上，近7吉瓦的工业负荷被迫临时削减[8]。这些案例进一步表明，极端气候可以通过资源质量下降和负荷增加两种途径对电力系统运行造成压力。关于抽水蓄能相关混合系统的研究涵盖了大型光伏/风电-抽水蓄能系统设计、水力-风能-光伏一体化、水力作为抽水蓄能的协同运行以及级联水库式抽水蓄能系统建设等方面[9][10][11][12][13]。这些研究表明，抽水蓄能能够在高比例可再生能源系统中实现能量时间的调节以及可再生能源的整合。与其他新兴储能技术相比，抽水蓄能具有更长的调节时长、更大的容量、更快的响应速度以及更为成熟的工程应用经验，因此更适用于从小时级到季节级的系统平衡工作[14][15][16][17]。然而，在准确评估混合能源系统抵御极端气候的能力时，如何选择和量化单一及复合型的多维度极端气候事件，仍是决定韧性评估是否可靠的关键因素[18][19][20]。更重要的是，极端气候韧性评估不仅取决于极端气候事件本身，还取决于用于比较的正常气候基准的设定方式。气候风险通过风能、光伏发电资源与电力负荷需求的共同作用影响可再生能源系统，进而关联到资源充足性、供需平衡以及韧性评估等多个方面[3][5]。例如，据预测，到本世纪末，非南极地区多达32%的区域的风电系统以及44%的光伏系统将面临严重的供需失衡问题，而气候平均状态的变化与极端气候事件的影响对此状况的加剧起着大致相同的作用[21]。全球范围内关于风能和太阳能短缺的研究已经量化了气候变化如何加剧极端电力短缺事件，而针对中国的气候变化与可再生能源充足性研究则探讨了在各种极端天气条件下的可再生能源供应情况[4][5]。在这些变化中，2001年至2022年间，全球风能和光伏系统出现极端低可靠性事件的持续时间较1980年至2000年增长了4.1小时。此外，当同时出现低风速和低辐射条件时，即便这种复合型事件的强度仅增加12.5%，也足以导致极端短缺事件的变异程度增加30%以上[4]。这说明，复合型风能和太阳能干旱对系统安全性的负面影响远远大于单纯的气候变化。另有研究聚焦于资源充足性以及电力系统规划，探讨了在气象条件多变的情况下如何实现可靠的容量扩张以及设计出稳定的风能和光伏系统[22][23][24][25][26]。关于不同天气年份的选择以及代表性天气场景的研究表明，历史天气数据的处理方式可能会影响能源系统建模或规划的结果[27][28]。然而，用于比较的正常气候基准却很少被当作极端气候韧性评估中可能存在偏差的根源加以审视。如果这一问题得不到解决，后续关于系统供应风险、储能的调控价值以及在极端气候场景下的经济与减碳效果的判断，很可能从比较的初始阶段就存在系统性偏差。因此，当前需要解决的难题不仅是如何识别单一或复合型的极端气候扰动，还包括如何在保持风能、光伏发电与电力负荷之间真实耦合关系的同时，在一个统一的时间框架内界定正常气候、单一极端气候以及复合极端气候条件。基于储能的研究探讨了如何通过灵活的容量配置、储能分配以及调度策略，提升在极端天气条件下的光伏和风能发电的调度能力、可再生能源剩余电量的利用效率以及系统的整体韧性[26][29][30]。储能时长、不同能源领域的耦合关系以及系统的灵活运行方式，都会影响储能技术在太阳能和风能主导的电力系统中的可靠性、调度能力以及经济性能[31][32]。基于长期气象数据和负荷数据的技术经济规划研究表明，储能系统的部署会随气象条件的变化而发生显著调整，其应用可以将可再生能源的限电比例降低34%，负荷损失比例降低21%[33]。季节性抽水蓄能研究指出，抽水蓄能技术能够在日尺度、周尺度乃至季节尺度上实现大规模的能量转移[34][35][36]，因此非常适合在以可再生能源为主导的系统中实现长时间段的能量调节。此外，在风能-光伏-抽水蓄能混合系统中，若将水力系统的特性与系统可靠性纳入协同的双层调度体系中，抽水蓄能装置的运行可靠性可提升9.91%，运行效率可保持在90%以上，而对可再生能源的接纳能力可达到95.47%[37]。关于风能-光伏-储能系统的研究还探讨了水力-风能-太阳能-储能系统的稳健规划方法、在低风速伴随高温条件下的运行策略，以及在高风能发电系统中极端天气条件下的储能配置方案[38][39][40]。不过，现有的相关研究大多仍侧重于单一或复合型气候扰动以及单一层面的韧性分析，很少比较在不同抽水蓄能时长下，混合能源系统在正常气候、单一极端气候以及复合极端气候条件下的运行表现、经济效应以及减碳效果。这限制了在极端气候条件下的系统规划以及不同气候场景下抽水蓄能系统的配置决策。即便气候场景的设定是一致的，不同的抽水蓄能时长仍可能改变气候扰动对系统运行、经济表现以及碳排放水平的影响方式。因此，有必要将多维度气候基准与不同的抽水蓄能时长相结合，从而明确混合能源系统在极端气候条件下的多维度韧性边界。通过结合多维度气候基准与抽水蓄能调控机制来评估混合能源系统的韧性，为确定极端气候条件下的韧性边界提供了有效途径。不可否认，高比例风能和光伏发电的电力系统也可以依靠煤炭发电的支持、传统水力发电的灵活调度、锂离子电池、压缩空气储能以及氢储能等技术来应对气候风险[32][41]。然而，继续使用煤炭发电难以与深度脱碳的目标相契合，传统水力发电则受到流域资源限制和生态保护要求的约束，而许多新兴储能技术目前仍存在长时间段调节能力不足或大规模应用经验不足的问题[31][42]。相比之下，抽水蓄能依然是最为成熟的电网级长时储能技术，其全球装机容量已接近200吉瓦，占全球长时储能总容量的90%以上[43]。它还能够实现从日尺度、周尺度甚至季节尺度上的能量转移与系统平衡调节。根据“21世纪可再生能源政策网络”的数据，2022年中国太阳能、风能和水电的装机容量均超过了400吉瓦。同年，中国抽水蓄能电站的装机容量约为40吉瓦，占中国整体能源储存容量的85%以上[27]。因此，将多维度气候基准与抽水蓄能调控机制相结合，能够更真实地反映混合能源系统在极端气候条件下的韧性水平。总体而言，尽管以往的研究已经探讨了单一及复合型气候扰动对风能、光伏发电与电力负荷平衡的影响，以及储能灵活性在可再生能源系统中的作用[3]，但仍有两个方面的不足。首先，正常气候基准往往被视为一种默认的比较背景，而非能在极端气候条件下影响韧性评估结果的因素。其次，正常气候条件、单一及复合型极端气候扰动以及不同的抽水蓄能时长，很少被整合到一个统一的框架中进行分析，以便确定系统在运行、经济以及减碳方面的边界。因此，本研究将韧性定义为在多维度气候基准下的运行韧性，而非一个简单的综合韧性指标。与那些通过性能指标和汇总数据来量化系统行为的研究类似，本研究也采用基于运行的替代指标，来评估以抽水蓄能为核心的混合能源系统是否能够维持供需平衡，以及在不同气候扰动作用下系统的运行压力是如何累积的[44]。这些指标包括供电保障率、供电稳定性、负荷损失、需切除的负荷量、限电程度、负荷损失的时序分布与累计值、最长的连续负荷损失持续时间、运营成本构成以及碳排放反应等。为弥补上述不足，本研究基于1984年至2023年的ERA5气象数据，构建了一个包含3种正常气候场景以及8种单一或复合型极端气候扰动的多维度气候基准框架。该框架进一步分析了在4小时、8小时和12小时不同抽水蓄能配置下，系统在运行、经济以及碳排放方面的响应差异。本研究的主要贡献有三点。首先，本研究将正常气候基准视为韧性评估中的一个重要研究对象，系统分析了不同正常气候基准如何对极端气候条件下的韧性评估结果产生先验影响，为重新思考极端气候韧性评估的比较前提提供了新的分析视角。其次，本研究构建了一个多维度气候基准框架，将该框架与正常气候条件、单一及复合型极端气候扰动相连接，同时还结合了不同的抽水蓄能时长，从而能够在统一的时间框架内明确气候扰动是如何影响系统运行、经济表现以及减碳目标的。最后，本研究不仅关注供需平衡问题，还明确了系统在运行、经济以及减碳三个维度上的边界关系与权衡机制。通过这些分析，本研究揭示了多维度气候条件与抽水蓄能调控机制如何共同影响混合能源系统的韧性评估结果，同时也为在极端气候条件下规划以抽水蓄能为核心的混合能源系统及其韧性评估提供了方法论支持。为解答上述问题，本研究首先明确了研究区域及抽水蓄能时长方案（第2.1节），随后构建了多维度气候基准，并将气象数据转换为风能、光伏发电的出力值以及受气候影响的负荷数据（第2.2节）。最后，通过一个混合能源系统优化框架，分析了在各种不同场景下的系统响应特征（第2.3节）。后续的研究内容将探讨气候定义如何影响风能、光伏发电与电力负荷之间的不平衡状况（第3.1节），抽水蓄能时长如何缓解供需失衡问题（第3.2节），以及剩余的压力是如何体现在系统的运营成本和碳排放方面的（第3.3节为极端气候条件下混合系统的经济性分析，第3.4节则为碳排放反应与韧性-减碳之间的权衡关系分析）。

方法部分：本节介绍了在多维度气候基准下评估以抽水蓄能为核心的混合能源系统极端气候韧性的方法论框架（见图1）。首先明确了研究区域和情景矩阵，包括PHS持续时间配置（第2.1节）。接着通过将ERA5气象数据转换为每小时风能CF、光伏CF以及气候敏感负荷序列，构建了正常气候、单一极端气候和复合极端气候的基准条件（第2.2节）。

结果与讨论
本部分将气候基准设计与系统级韧性评估相联系。首先分析了不同正常气候定义和极端气候扰动如何改变风电、光伏发电与电力需求之间的季节性失衡状况。随后评估了在正常气候、单一极端气候和复合极端气候情景下，更长的PHS持续时间是否能够缓解这些失衡问题，进而探讨了剩余的运行压力如何转化为成本。

结论
本研究构建了一个多维度的气候基准框架，用于评估由PHS支持的混合能源系统在极端气候条件下的韧性。该框架通过结合正常气候定义、单一及复合极端气候扰动以及不同的PHS持续时间，阐明了气候基准如何影响系统的运行、经济及脱碳目标。主要结论如下：
(1)不同的正常气候定义会改变韧性的基准水平。

CRediT作者贡献说明
高远强：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，软件，资源，方法论，研究实施，概念构思。徐浩哲：写作——审阅与编辑，资源。刘永杰：写作——审阅与编辑，资源。张金辉：写作——审阅与编辑，资源。娄家成：写作——审阅与编辑，资源。刘冉：写作——审阅与编辑，资源。赵子文：写作——审阅与编辑，资源。陈迪一：写作——审阅与编辑，资源。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了西北农林科技大学基础研究基金（编号/Z1090220172）、陕西省自然科学基金科研基础项目（2019JLP-24）、陕西省科技创新团队以及陕西省水利科技计划（2018slkj-9）的支持。

高远强|徐浩哲|刘永杰|张金辉|娄家成|刘冉|赵子文|陈迪一
中国陕西省杨凌市712100，西北农林科技大学，教育部干旱半干旱地区农业水土工程重点实验室