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多能互补系统中电气协同交易的稳定性分析1

多能互补系统中电气协同交易的稳定性分析

摘要

本研究报告针对多能互补系统中电气协同交易的稳定性问题展开系统性分析。随着

能源转型加速推进，电力系统与天然气系统的耦合日益紧密，电气协同交易已成为提升

能源利用效率、促进可再生能源消纳的重要途径。本报告首先梳理了国内外电气协同交

易的发展现状，指出了当前系统在稳定性方面面临的关键挑战。在此基础上，构建了包

含物理层、市场层和信息层的电气协同交易稳定性分析框架，提出了基于多时间尺度、

多物理场耦合的稳定性评估方法。通过建立电气协同交易数学模型，设计了考虑系统动

态特性的协同优化策略，并开发了相应的仿真验证平台。研究结果表明，所提出的稳定

性分析方法能够有效识别系统薄弱环节，协同优化策略可显著提升系统运行稳定性。本

报告还从政策、技术、经济等多个维度提出了保障电气协同交易稳定性的措施建议，为

我国多能互补系统的健康发展提供了理论支撑和实践指导。

引言与背景

能源转型背景下的多能互补系统发展

全球能源结构正在经历深刻变革，以可再生能源为主导的清洁低碳转型已成为共

识。根据国际能源署(IEA)发布的《全球能源回顾2023》报告，2022年全球可再生能

源发电量增长了7.6%，占新增发电量的90%以上。在这一背景下，单一能源系统已难

以满足高效、清洁、安全的能源供应需求，多能互补系统应运而生。多能互补系统通过

整合电力、天然气、热力等多种能源形式，实现能源的梯级利用和优化配置，能够显著

提高能源利用效率，增强系统灵活性和韧性。

我国高度重视多能互补系统发展。《“十四五”现代能源体系规划》明确提出要”推动

多种能源形式协同互补，提升能源系统综合效率”。国家能源局发布的《关于推进多能

互补集成优化示范工程建设的实施意见》进一步明确了发展路径和重点任务。在政策引

导下，我国多能互补系统示范项目数量快速增长，截至2023年底，已建成各类示范项

目超过200个，覆盖工业园区、城市综合体、新型城镇等多种应用场景。

电气协同交易的重要意义

在多能互补系统中，电力系统与天然气系统的耦合最为紧密，电气协同交易成为提

升系统整体性能的关键环节。一方面，天然气发电是连接电力和天然气系统的重要纽

带，其灵活性为电力系统提供了宝贵的调节资源；另一方面，电力驱动的天然气增压、

液化等环节又将电力系统需求反馈至天然气系统。这种双向耦合关系使得电气协同交

易具有显著的经济和技术价值。

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从经济角度看，电气协同交易能够实现能源价格的跨市场套利，降低系统运行成

本。根据欧洲电力市场运营商ENTSOE的研究，有效的电气协同交易可使欧洲能源系

统年运行成本降低58%。从技术角度看，协同交易能够增强系统调节能力，促进可再生

能源消纳。美国国家可再生能源实验室(NREL)的模拟研究表明，完善的电气协同机制

可使风电消纳能力提高1520%。我国西北地区的实践也显示，电气协同交易有效缓解了

弃风弃光问题，2022年弃风率同比下降3.2个百分点。

稳定性问题的提出与挑战

尽管电气协同交易具有显著优势，但其稳定性问题日益凸显，成为制约系统发展的

关键瓶颈。电气协同交易系统的稳定性涉及物理层、市场层和信息层三个维度，各层之

间相互影响、相互制约，形成了复杂的稳定性问题网络。

在物理层，电力系统与天然气系统的动态特性差异显著，电力系统响应时间在秒级

至分钟级，而天然气系统响应时间在分钟级至小时级，这种时间尺度不匹配可能导致系

统失稳。2021年德州电力危机中，天然气供应中断与电力系统故障的相互加剧就是典

型例证。在市场层，电价与气价的波动耦合可能引发市场力滥用和价格操纵风险，欧洲

能源交易所(EEX)数据显示，2022年电气价格相关性达到0.85的历史高位。在信息

层，跨系统数据交互增加了网络安全风险，美国能源部报告指出，能源行业网络安全事

件中35%涉及跨系统交互。

研究概述

研究目标与核心问题

本研究旨在系统分析多能互补系统中电气协同交易的稳定性问题，提出科学的评

估方法和有效的提升策略。具体研究目标包括：第一，构建电气协同交易稳定性分析的

理论框架，明确稳定性内涵和影响因素；第二，开发多时间尺度、多