在极端热浪事件中为HAWKER蓄电池和氢能储存进行有韧性规划

在极端热浪事件的影响下，温度敏感设备的电力需求增加，增强了电力系统中的能量平衡压力。长期储能，如氢能储能，提供了一种有前景的工具，使得将其他时期的能量转移到极端事件时期。然而，估计热浪事件下电力系统的混合储能配置仍未解决。本文提出了一种弹性规划模型，用于优化电池储能系统和氢能储能系统容量，旨在实现极端热浪事件下电力系统的最佳技术和经济运行。拟议的规划模型包括事前预派遣和事发期间再调度，使得热浪期间的能源短缺可以通过战略性氢气储存来弥补。具有广泛条件的案例研究展示了该工作在实现最佳技术经济效率方面的有效性。结果显示，现有热电单元只能承受9.14%的负荷需求增长。当负载增长低于13.38%时，仅配置电池储能能够增强韧性同时保持低成本;然而，当负载增长超过13.38%时，混合储能配置成为一种成本效益高的方案。

简介

极端热浪事件已成为全球紧迫的问题，人们越来越关注其对人类发展和能源系统可持续运营的重大影响。例如，2023年是有记录以来最热的一年，几乎所有大陆都受到致命热浪的影响，从巴基斯坦、突尼斯到德克萨斯[1]。根据国际能源署发布的一份报告，由于干旱，赞比亚大多数水电站的发电量显著下降，导致频繁的电力供应短缺（赞比亚85%的电力依赖水力发电）。由于高温，日本的电力消耗迅速增加，一些发电机组经历了非计划维护，导致电力供应极度紧张。8月7日，巴西因高温和干旱关闭了两座最大水电站，同时增加了来自阿根廷和乌拉圭等国的电力进口[2]。热浪影响下电力系统停电导致的中断显著增加了死亡率和城市地区需要医疗护理的人数[3]。因此，构建稳定的能源供应以应对极端热浪的重要性日益凸显。为减轻极端热浪事件的影响，美国国际开发署于2024年3月28日主办了全球极端高温峰会，汇聚了来自世界各地的领导者和变革者[4]。
极端热浪会在不同程度上影响电力系统设备的运行性能。Alessia等人[5]比较了大悉尼地区城市集成光伏系统在不同温度和安装配置下的功率数据，以研究极高城市温度对光伏性能的负面影响。结果显示，热浪事件可使光伏能源输出减少多达6%。在光伏与建筑集成的特定条件下，电力损失可高达50%。Abhishek 等人[6]采用正态分布模型综合了10年间的历史热浪数据，并将该模型应用于IEEE 57总线输电测试系统，以评估热浪对电力系统组件，特别是输电线路的影响。因此，在极端高温导致5%超负荷的情况下，输电线路的整体容量被发现下降。与此同时，极端热浪事件显著增加了用户的能源需求。通过分析热浪事件中的负载特性，一些研究评估了提升电力系统运行韧性的必要性。Dariusz等人[7]研究了波兰在四次热浪事件期间能源消耗的变化。研究发现，在2010年热浪期间，最热日子的能源消耗增长未超过4%。然而，随着时间推移，夏季的能源需求逐渐增加。2016年至2022年间，平均气温高于26°C的工作日，能耗比气温约18°C的日子高出8%以上。
为了应对极端热浪事件的影响，许多研究从不同角度提出了各种方法。赵华等人[8]从负荷侧需求响应的角度，研究了夏季持续极端热浪条件下大规模需求响应对中国西南负荷需求的影响。结果显示，激励式紧急需求响应导致电力消耗显著下降，且未给弱势群体带来额外经济负担。Qun 等人[9]提出了一种从优化角度出发的预防性电力系统调度模型，旨在应对极端天气和全球变暖对电力系统带来的挑战，尤其是在可再生能源占比较高的场景中。与传统的预测优化方法不同，该新模型整合了概率能源预测、预防性调度和韧性评估模块。实验结果显示，该模型在增强可再生能源电力系统的韧性方面表现优异。Mauro等人[10]试图从故障预测的角度探讨热浪事件的特征，并预测其对电力配电系统的影响，旨在避免对电力系统和用户产生负面影响。在他们的研究中，他们定义了一种结构化的方法，通过机器学习分析过去的故障数据以及运营和气象信息，预测电网停机，从而预测热浪引发的电网中断。Nadia 等人[11]提出了一种新的风险概率估计框架，用于评估风力涡轮变压器和光伏板在极端天气条件下的性能劣化。该框架有助于制定极端天气条件下电力系统的运行策略，确保可再生能源基础设施的运行性能。
近年来，储能技术发展迅速，成为缓解极端热浪影响的有前景工具。尽管热电装置（TPU）在能源供需平衡中扮演重要角色，但它们在加速速度和启动和停机速度方面受到限制[41]，无法满足对极端天气事件引发的突发峰值快速响应的需求。相比之下，通过充放储能系统，能量可以跨时空转移，有效缓解电力系统供需不平衡。目前，储能系统因其卓越的运行性能，已被广泛应用于电力系统的各个领域。针对持续数小时至数天的极端高温引起的温度敏感负载特性，需要能够长时间充放电的大容量需求，并具备快速响应能力。长时能储能与短时能储能的结合，提供了有效的调控工具。目前有研究集中在长时能储能和短时能储能结合。Lorenzo等人[12]提出了一个针对热带地区小型家庭微电网场景的氢气/电池/混合能源储存系统的规模和运营优化模型。该模型考虑了电解槽和燃料电池组件的劣化，以及能源成本波动的影响。Pu 等人[13]提出了一种两级最优尺寸定法，详细分析结合电力-氢和热冷联合发电的岛屿综合能源系统的可行性和经济性。基于生命周期，提出了综合能源系统的成本方案，考虑质子交换膜燃料电池、质子交换膜电解剂和电池的降解、剩余寿命及更换情况。Yuchen等人[14]提出了一种电氢共享储能的配置方法，以支持集成能源系统多样化的能源和容量需求。他们建立了共享能源框架，通过运输网络促进气态氢的运输，服务于共享储能运营商和IESs。开发了一个优化模型，旨在最大化储能运营商与IES之间的交易收益，同时降低系统的整体生命周期成本。通过案例研究，验证了所提议的储能共享框架能够实现92%更高的能源利用率。
上述研究验证了氢能储能与电池储能在不同应用场景下的结合可行性。然而，关于混合储能应用于应对极端高温事件的电力系统韧性规划的研究仍然很少。Sun 等人[15]提出了一种双层规划方法，用于考虑极端条件下连续低输出可再生能源的混合电-热-氢能储存。Li等人[16]关注光伏发电和电热负荷的季节性变异，提出了季节性氢气储存的两阶段经济安全优化方案。然而，现有极端条件下的储能规划仅关注事件期间阶段，忽视了从事件前阶段获得充足资源的长期储能时间能量转移支持。为此，本文聚焦极端热浪事件对电力系统供需平衡的影响，并提出了一种弹性规划模型，用于优化混合氢能储存系统（HESS）和电池储能系统（BESS）对抗热浪事件的容量。本文的主要贡献有三方面：

• (1)
  我们通过数学方法模拟热浪事件如何影响风能和光伏发电的运行特性以及电力系统中的负荷需求，为评估热浪事件下的能量不匹配及增加储能容量的需求奠定了基础。
• (2)
  我们提出了一种弹性规划模型，用于优化混合能源储存的容量，即长期HESS和短时BESS的容量，以应对热浪事件。弹性规划模型基于顺序运行，协调代表日的事件前调度和事件中调度，从而实现满足热浪引发的高负载需求所需的时间能量转移。
• (3)
  我们开展了大量案例研究，展示了热浪事件如何影响电力系统能量平衡以及混合储能在不同条件下的作用，从而为储能部署到具备气候韧性电力系统的应用提供了见解。