《Energy Strategy Reviews》：Economic-financial and technical challenges in the operation of power systems with the integration of variable renewable energy: A systematic literature review
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本研究开展了一项系统性文献综述，旨在识别并归类高比例可变可再生能源（variable renewable energy, VRE）并网背景下电力系统运行所面临的经济-金融、技术及运行层面的主要挑战。研究发现，太阳能光伏（photovoltaic, PV）与风能
本研究开展了一项系统性文献综述，旨在识别并归类高比例可变可再生能源（variable renewable energy, VRE）并网背景下电力系统运行所面临的经济-金融、技术及运行层面的主要挑战。研究发现，太阳能光伏（photovoltaic, PV）与风能资源的间歇性和随机性特征使得电力供需的实时平衡变得困难。从技术运行角度看，以逆变器为基础资源（inverter-based resources, IBR）对同步发电机的逐步替代降低了系统固有惯量，加剧了系统对频率扰动的敏感性，并可能通过电压波动与谐波畸变影响电能质量。从经济-金融角度看，高额初始资本支出（capital expenditure, CAPEX）以及缺乏低利率信贷渠道构成项目融资的主要障碍。此外，电力市场还面临设计稳定政策框架以应对监管不确定性的挑战。研究人员进一步揭示了经济-金融约束与技术解决方案之间存在顺序性依赖关系，即财务限制会直接制约技术手段的实施，而技术不足又会反过来推高系统成本与融资风险。基于对2016至2027年间91篇文献的混合方法分析，研究提出了包含两类增强回路与一类平衡回路的循环框架，用以说明经济-金融锁定效应、技术成本升级效应以及市场和监管校正机制之间的相互作用。研究表明，通过引入稀缺定价、容量补偿机制（capacity remuneration mechanism, CRM）、快速频率响应市场和本地灵活性平台等市场机制，可以有效地为系统灵活性和可靠性提供明确的价格信号，从而改善项目可融资性并支撑能源转型的长期可持续性。
**研究背景、问题与研究意义**
全球能源转型被广泛视为减缓温室气体排放、特别是二氧化碳（CO?）排放的核心战略，其目标是将全球升温控制在《巴黎协定》及第28届联合国气候变化大会（COP28）重申的1.5°C阈值以内。国际可再生能源机构（IRENA）和国际能源署（IEA）的预测显示，2025至2030年间全球可再生能源装机将新增近4600吉瓦（GW），其中太阳能光伏和风电占据主导地位。然而，大规模并网这些可变可再生能源（VRE）给现有电力系统带来了相互耦合且彼此强化的工程、经济和制度挑战。从工程角度看，太阳能和风能的间歇性与随机性使实时供需平衡复杂化，导致电能质量下降、电压波动和谐波畸变，并对电网部件造成过载及机械、热应力。从经济角度看，VRE项目需要巨额初始资本支出（CAPEX）和额外的电网基础设施投资，而其近零边际成本又扰乱了传统批发市场的价格形成机制，使系统惯量、灵活性和可靠性等属性的价值难以获得合理补偿。现有文献多沿学科界限割裂讨论这些挑战，缺乏一个同时分类、量化并关联经济-金融、技术和运行挑战的系统性综述，也未能明确分析监管在电力市场运行中塑造和调节这些挑战的作用。为此，本研究旨在通过系统性文献综述填补这一空白，提出技术、财务和监管维度相互依存的整合分析框架，并为能源政策制定提供建议。论文发表于《Energy Strategy Reviews》。
**主要研究方法**
研究遵循Snyder提出的系统性文献综述方法。首先明确研究问题，即“将VRE纳入电力系统运行面临的主要经济-金融和技术-运行挑战是什么”。随后，在Scopus、ScienceDirect和IEEE Xplore三个文献数据库以及IRENA、IEA等行业特定数据库中执行三组结构化检索式，时间范围覆盖2016至2027年。初检获得1185条记录，去重后剩余992篇，经过标题/摘要初筛、全文复筛和质量标准评估，最终纳入91篇文章，其中经济-金融类30篇、技术类28篇、系统运行类33篇。研究方法采用混合方法，将挑战的定性分类与关键词共现的定量分析相结合，并构建了关键词共现网络以揭示文献的主题结构。此外，研究者基于编码结果归纳了经济-金融约束与技术方案之间的顺序依赖流动框架，并识别出政策、监管和制度协调作为跨领域使能因素。
**研究结果**
**3.1 间歇性与调度挑战**
研究发现，VRE的随机性改变了传统电网潮流模式，引起电压变化和波动，对常规电厂造成压力并降低系统可靠性。由于发电出力受天气驱动，实时平衡供需变得困难，尤其在需求激增或发电快速波动时，系统需要额外的灵活调节能力。
**3.2 电网稳定性与电能质量**
电网稳定性是最关键的技术运行挑战之一。大规模VRE部署使电网从以同步发电机为主转向以逆变器为基础资源（IBR）为主的非同步电网，导致系统惯量降低，频率变化率（ROCOF）增大，易发生频率偏移甚至频率崩溃。IBR不具备天然转动惯量和足够故障电流，但通过适当设计的风、光及储能电站可提供有功/频率响应、无功/电压调节、动态电压支撑和故障穿越能力。然而，这些能力的实现依赖变流器电流限值、有功功率裕度、荷电状态等条件，且可能引发二次频率跌落现象。研究发现，当VRE供应约30%峰值负荷时，稳定性问题明显加剧。土耳其电网证据显示，风光装机接近装机容量33%时，瞬时VRE渗透率在某些时段超过55%，晚间峰值期间净负荷爬坡达8–10 GW/3–4小时。
**3.3 电网基础设施约束**
许多电网部件属于传统遗留系统，对VRE并网存在限制。传统保护方案可能无法以足够速度和选择性响应VRE电厂故障，变电站和输电线路传输容量有限。传统控制、自动化和监控系统的时间分辨率不足，难以检测和管理高VRE环境下的紧急情况。典型的电网跟随型（GFL）控制策略依赖高系统惯量和稳定电压参考，在高VRE渗透网络中易失稳，且与电网形成型（GFM）技术共存时可能产生不利动态交互。基础设施瓶颈与财务、监管因素紧密相关，180名公用事业专业人员的评估显示，基础设施约束和运行挑战是最严重的并网障碍，电池储能、预测和分布式能源可见性方面的能力差距最大。
**3.4 控制与运行复杂性**
高VRE渗透要求更快的控制和先进监测以区分正常电网波动与实际故障。传统距离继电器的跳闸区依赖阻抗阈值，而VRE逆变器阻抗高、故障电流贡献小，导致保护继电器无法动作，使VRE电厂“不可见”，并延迟自动重合闸过程。故障穿越能力不足可能导致设备过早磨损或级联脱网。VRE机组需要连接在高惯量区域或配置储能、虚拟惯量系统，并合理规划功率潮流以避免拥堵和 unintentional islanding。
**3.5 监管与标准化缺失**
国际间并网规范差异阻碍了设备在低电压穿越（LVRT）、故障方案和保护协议方面的标准化。配电网中的小规模VRE通常对系统运行商“不可见”，增加了电网规划和运行复杂度。
**3.6 经济-金融挑战分类**
在21篇文章中，CAPEX包括土地成本及融资约束被列为最高频的经济-金融障碍。具体包括高昂的初始资本成本、缺乏融资机制和税收激励、项目盈利性严重依赖较低的加权平均资本成本（WACC），以及土地获取成本。另有8篇文章关注政治、监管和制度使能因素，包括监管不确定性、政策变动、严格贸易政策及关税负担。10篇文章涉及市场、基础设施和系统集成成本，包括储能及电网管理成本、间歇性造成的额外成本、输配电费结构、市场缺陷以及低边际成本对传统市场模式的冲击。3篇文章提及运维成本（OPEX），4篇文章强调官僚程序和管理风险。
**3.7 市场机制设计**
针对近零边际成本造成的市场清算扭曲，研究提出能源政策必须从纯能量型市场设计转向基于属性的报酬框架。稀缺定价和容量补偿机制（CRM）可补偿资源充裕性，解决“missing money”问题；快速频率响应（FFR）市场可奖励电网形成型资源的响应速度和质量；本地灵活性市场（LFM）平台使配电网运营商（DSO）能够通过针对性经济激励管理拥堵，避免昂贵的传统电网加固。这些机制将可靠性和灵活性转化为明确的价格信号，支持系统安全运行和私人投资吸引力。
**3.8 序贯依赖循环框架**
研究归纳出两个增强回路（R1和R2）与一个平衡回路（B1）。回路R1（经济-金融锁定）显示高CAPEX和高WACC削弱项目可融资性，延迟投资决策，进而限制储能、GFM技术、先进控制系统和电网加固的部署，加剧弃电、可靠性风险和收入不确定性，最终推高风险溢价和融资成本。回路R2（技术成本升级）中，间歇性、电网稳定性问题、基础设施瓶颈和控制复杂性增加了对运行备用、储能和辅助服务的要求，推高CAPEX和OPEX，降低项目盈利性，抑制必要的技术投资。回路B1（市场和监管校正）通过稳定监管框架和市场重设计（稀缺定价、CRM、FFR市场、LFM）充分补偿可靠性和灵活性属性，改善项目可融资性，促进储能、GFM资源和电网升级投资，从而缓解运行和融资风险。
**讨论与结论**
研究结论强调，VRE的间歇性和随机性阻碍电力供需的实时平衡，对系统稳定性和可靠性构成直接风险。技术运行方面，IBR对同步发电机的替代降低了系统惯量，增大频率扰动敏感性，并引起电压波动和谐波畸变。经济金融方面，高额CAPEX、有限融资渠道和持续监管不确定性是确保VRE项目投资回报和整体可行性的最关键障碍。因此，政策制定者的核心任务在于降低监管不确定性，重新设计现有市场或创建新市场机制，使其成为打破壁垒自我强化循环的跨领域使能因素。具体而言，需要转向稀缺定价、快速频率响应市场和本地灵活性平台等机制，为频率调节、电压控制和拥堵管理等灵活性和可靠性属性提供有效报酬。通过稳定透明的收入框架，可激励储能系统（ESS）、电网形成型（GFM）技术和电网基础设施升级的部署，从而降低运行和融资风险，增强电力供应的安全性和可靠性。未来研究应运用鲁棒优化技术处理VRE不确定性，通过计量经济学和随机分析实证检验反馈效应的强度和方向，比较不同监管工具的相对绩效，探索电网规范的国际协调，研究量子计算和神经拟态架构等新兴技术，并整合极端情景分析等风险评价方法。
