低碳城市电网韧性提升挑战与展望

低碳城市电网韧性提升挑战与展望

刘恒

贵州电网有限责任公司电网规划研究中心 贵州省贵阳市 550000

摘    要：随着全球经济的高速发展，伴随而来的气候环境问题也愈发严重。而碳排放作为加剧全球变暖的重要因素之一，其对环境的影响十分显著。为了构建全球命运共同体，体现大国担当，2020年，国家主席习近平提出“30·60目标”，即“中国将力争2030年前达到二氧化碳排放峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”

关键词：低碳城市；电网韧性；提升挑战

随着低碳经济的发展，城市电网也在向着低碳电网进行转型。在这一过程中，低碳电网呈现了电力部门脱碳化、终端用能部门电气化以及低碳燃料使用扩大化等特点，在实现碳减排的同时，增加了城市电网安全稳定运行的难度。而随着城市电网面临着日益严峻的外部安全威胁与气象环境变化，低碳技术的发展也对城市电网韧性的提升提出了新的要求。

1 低碳电网的形态结构演变与发展趋势

1.1 电力部门逐渐脱碳化

随着电网的低碳转型，常规燃煤发电将被逐渐淘汰。过去十年，全球光伏以及风电的平准化发电成本快速下降，具有很强的竞争力。而随着低碳经济的发展，风光等可再生能源将逐渐替代传统能源发电。

可再生能源的大范围接入使得电力部门逐渐脱碳化，而光伏与风电具有很高的波动性且受限于天气状况，其在低碳城市电网中的比例不断提高，对风光发电功率的精准预测提出了非常高的要求。风电与光伏由于不提供转动惯量，其广泛使用将降低电力系统的惯性与安全运行裕度。此外，高比例可再生能源接入导致系统中电力电子设备比例增加，增加了系统的控制难度。

1.2 终端用能部门电气化

为了提升城市能源系统的低碳水平，越来越多的用能终端将实现电气化。对于某些高耗能的工业部门，可以以热产电来减少碳排放[22]；对于居民部门，可以借助多种电气化手段实现供暖；而对于城市交通领域，电气化交通技术的蓬勃发展，使得电动汽车迅速普及，极大减少了化石燃料的消耗。

具有不同用能特性的城市终端接入城市电网，使得城市电网的控制策略变得更为复杂，引入了一些安全问题。此外，用能终端的广泛电气化，使得终端设备能够参与城市电网运行。需求响应等新技术的发展，通过对用电侧进行有序管理，在实现减碳的同时提升系统安全保障与效率提升。更进一步，交通电气化的发展使得车辆能够携带能量在空间中进行转移。借助V2G等技术的发展，电动汽车实现了能量跨空间的灵活调度。

1.3 低碳燃料使用扩大化

生物质、制氢以及能源综合利用等新型技术的发展，使得一些非电的低碳燃料参与到低碳城市电网的运行过程中。生物质能以及氢能均为零碳燃料，这些燃料在能源系统中具有非常丰富的应用场景。在严格限制化石能源使用的情况下，这些低碳乃至零碳燃料可缓解可再生能源波动性带来的影响。

低碳燃料的使用增加了城市能源系统的多样性，不同形态的能量可以相互转换。然而，多种能量形式借由电网相互耦合，形成了复杂的耦合相依网络，极大地增加了系统的控制难度。

2 高韧性低碳城市电网的新特征

2.1 可负担性——事前预防

可负担性代表了系统在不同低碳化与韧性水平下对可能面临的经济损失以及风险的可承担能力。低碳电网提升了系统的综合效益，但其也应该能够负担系统韧性水平变化带来的各类影响。

在挑战方面，大规模高波动性、高随机性的可再生能源被接入城市电网。高比例可再生能源的使用极大的推进了低碳化的进程。然而，当小概率、高影响的极端事件发生时，可再生能源可能会由于外部环境变化而无法正常工作，从而造成大量的功率缺额，引发停电事故以及经济损失。此外，多种能源系统、电气化交通网络和城市电网之间实现了深度耦合，单个系统的故障可能会传导到其他系统，引发连锁故障。城市电网低碳化过程中因极端事件造成的巨大经济损失必须纳入低碳电网规划的考虑中去。

2.2 可及性——事后恢复

高韧性低碳电网的可及性反映了该电网获取韧性提升资源的能力。如何能够及时有效地获取韧性提升资源，对于提升低碳电网韧性至关重要。低碳燃料的使用、可再生能源的接入以及终端用能形态的改变，增加了城市电网控制系统运行的手段，丰富了电网的运行形态。电、气、热等多种能量的综合利用，使得能量互补成为可能；V2G、需求响应等技术的发展，使得电网的控制更为灵活。

在挑战方面，多能互补、V2G以及需求响应等技术仍面临一定的难题亟待攻克[30]；从经济性角度来看，这些技术的应用成本依然较高，而各个能源部门之间也存在着行业壁垒与利益分配问题，限制了其在低碳城市电网中的推广[31]。无论是从技术发展还是从应用规模来看，当前将先进低碳技术用于城市电网韧性提升过程，仍然具有较大的难度，且可及性较低，限制了低碳城市电网向高韧性形态的转变。

2.3 可持续性——长期规划

高可持续性是高韧性低碳城市电网的又一关键特征。复杂的低碳电网形态将为系统运行带来越来越多的稳定性问题，一些突发故障甚至可能会发展成为引发大规模停电事故的黑天鹅事件。为此，低碳城市电网的高韧性，应能够随着系统形态变化具有高可持续性的特征。城市电网的高韧性，不能仅仅局限于城市能源系统的短期发展。此外，城市能源形态的转变将促进碳交易市场的完善[33]，也将进一步推进辅助服务市场的发展，提升其可持续性。

3 工程博弈论视角下高韧性低碳城市电网关键研究方向

3.1 低碳电网韧性辅助服务交易

新形态的低碳城市电网引入了具有不同特性的社会资源。这些资源具有公共池塘资源的特性，可以参与低碳城市电网的运行与韧性提升过程。然而，这些资源归属于不同的利益主体，电网需要通过签订不同的合约来购买社会资源所提供的辅助服务。辅助服务的定价策略将直接影响到社会资源参与系统韧性提升的程度。为此，有必要考虑建立用于应对小概率、高影响事件的韧性提升辅助服务交易市场。

考虑到在不同运行条件下(极端事件/正常工况)，社会资源承担售电方或者购电方的角色也会随之改变。在韧性提升过程中，这些社会资源不仅仅需要向电网提供电能，还提供了无功支撑、频率控制等紧急辅助服务。有鉴于此，可以建立考虑提供韧性提升服务的动态合作博弈，以确定多种社会资源提供韧性服务的合理定价策略。

3.2 极端情况下可再生能源调度

风光等分布式可再生能源发电具有很强的不确定性，在小概率、高影响的极端事件发生时，其可能产生剧烈的波动，直接影响低碳电网的安全稳定运行。传统的确定性规划以及控制方法难以处理这类极端事件所对应的不确定性。

3.3 电气化交通参与城市韧性提升

由于低碳电网的发展，包括城市交通在内的用能终端被广泛电气化。电气化交通的发展在提升城市电网韧性方面具有很大的潜力。电动汽车可以携带大量的能源在城市交通网中移动，脱离了电网设备的物理限制，极大地提升了能源调度的灵活性。当极端事件发生时，可通过电动汽车向电网中馈入电能以实现紧急供电。

对于遭受极端事件威胁的低碳城市电网，可通过设计具有吸引力的政策来干预大规模电动汽车的充放电行为，如通过电价引导迁移电动汽车充电需求至极端事件发生前、设计补偿和激励机制鼓励电动汽车参与应急供电等，来满足低碳系统韧性提升的需求。

考虑到电网定价与电动汽车参与恢复的顺序，可以建立主从博弈模型来确定电网最优定价与电动汽车的充放电管理策略。在这一博弈过程中，电网公司应对极端事件带来的损失与吸引电动汽车提供韧性服务所付出的成本进行衡量；而电动汽车用户则需要考虑自身利益的最大化。

4 结论

当前，为早日实现十四五规划建议中的“30·60目标”，亟需推动城市电网向低碳电网转型。随着大量先进的低碳能源、技术与设备被引入电网，城市电网形态与运行方式愈发复杂，系统面临极端事件时的运行风险不断增加。为此，有必要建设具有高韧性的低碳城市电网。

参考文献

[1]胡鞍钢.中国实现2030年前碳达峰目标及主要途径[J].北京工业大学学报（社会科学版）.2021,(3).1~15.

[2]张儒峰,李雪,姜涛,等.城市综合能源系统韧性评估与提升综述[J].全球能源互联网.2021,(2).122~132.

[3]潘光胜,顾伟,张会岩,等.面向高比例可再生能源消纳的电氢能源系统[J].电力系统自动化.2020,(23).1~10.