近期，美國(guó)加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（CAISO）發(fā)布的幾項(xiàng)電量指標(biāo)均破記錄：光伏發(fā)電量、凈出口電量及儲(chǔ)能充放電量達(dá)到有史以來的最高值；氣電發(fā)電量雖然沒有明顯高于過去幾年，但機(jī)組在午間時(shí)段的運(yùn)行時(shí)間也大幅增加。
與之對(duì)應(yīng)地，反映加州電力系統(tǒng)凈負(fù)荷的“鴨子曲線”（duck curve）正轉(zhuǎn)變?yōu)楦佣盖偷摹皪{谷曲線”（canyon curve）。
圖1：2018年5月和2023年4月，美國(guó)加州電力系統(tǒng)凈負(fù)荷曲線
“峽谷”成因：系統(tǒng)供需短時(shí)變化劇烈
“鴨子曲線”源自美國(guó)加州電力系統(tǒng)模型，本質(zhì)上是一天內(nèi)發(fā)電所滿足的電力負(fù)荷的變化圖表，曲線因形似一只鴨子而得名。2008年，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室 （NREL）首次發(fā)現(xiàn)，隨著光伏和其他可再生能源的增加，該曲線呈現(xiàn)出獨(dú)特的形狀。
短時(shí)間內(nèi)供需難以平衡是曲線發(fā)生變化的主因之一。
“加州的光伏電量不斷增長(zhǎng)，導(dǎo)致白天（鴨腹）凈需求減少，日落時(shí)急劇增加（鴨頸），腹部越來越深，頸部越來越陡，這一趨勢(shì)愈演愈烈”， 美國(guó)電力研究院（EPRI）的負(fù)責(zé)人曼蘇爾在社交媒體上發(fā)文表示。
過去5年，CAISO的光伏裝機(jī)容量增長(zhǎng)了50%（6GW），光伏發(fā)電量也大幅增加；有時(shí)，可再生能源發(fā)電量供過于求，超過用戶所需電量。2023年，這一問題更加凸顯。
據(jù)曼蘇爾介紹，由于2023年春季天氣溫和，陽(yáng)光明媚的日子較多，光伏出力大大增加，但此時(shí)加州氣溫還不高，空調(diào)等大負(fù)荷還沒廣泛使用，電力需求并未被推高，日間時(shí)段的供過于求導(dǎo)致凈負(fù)荷出現(xiàn)負(fù)值。
隨著風(fēng)電、光伏的大規(guī)模部署，電力系統(tǒng)凈負(fù)荷短時(shí)大幅變化，未來加州的電力爬坡問題將更加突出。為維持系統(tǒng)功率平衡，常規(guī)電源需要在太陽(yáng)升起時(shí)快速下線，在太陽(yáng)落山時(shí)快速上線。這大大增加了加州電力系統(tǒng)對(duì)靈活性電源的需求，也對(duì)電力公司和電網(wǎng)提出新的挑戰(zhàn)。
亟需提升電力系統(tǒng)靈活性
“‘峽谷’變深，意味著電力系統(tǒng)需要更靈活的日內(nèi)調(diào)節(jié)能力。在午間降低出力，傍晚迅速提升出力”，曼蘇爾指出。
由于系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商需要調(diào)節(jié)的功率變化幅度越來越大，此時(shí)，具備較強(qiáng)負(fù)荷調(diào)節(jié)速率的并網(wǎng)主體成為電網(wǎng)首選。這些機(jī)組可根據(jù)調(diào)度指令調(diào)整出力，提供爬坡服務(wù)。
對(duì)發(fā)電公司來說，在接近日落時(shí)，他們需要提前開啟無(wú)法快速爬坡出力的發(fā)電機(jī)組，以便在日落后能滿足負(fù)荷需求，但這會(huì)造成一定程度的資源浪費(fèi)。隨著“鴨子曲線”頸部變得越陡峭（即日落時(shí)凈需求急劇上升），電力公司需要部署能夠更快響應(yīng)的發(fā)電機(jī)組。
對(duì)于獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商來說，凈負(fù)荷的急劇變化對(duì)系統(tǒng)調(diào)控造成了困難。功率如果不平衡，會(huì)引起系統(tǒng)頻率、電壓等指標(biāo)波動(dòng)，進(jìn)而威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行；一些容量不足區(qū)域的供電可靠性可能會(huì)受到影響。
如圖2所示，2023年4月16日中午12：20，CAISO運(yùn)營(yíng)范圍內(nèi)的光伏大發(fā)，凈負(fù)荷跌至負(fù)值，達(dá)到-63MW。這時(shí)系統(tǒng)功率平衡的調(diào)節(jié)難度增大，運(yùn)營(yíng)商面臨艱難的選擇：要么關(guān)停不能快速重啟的常規(guī)電源，要么棄掉一部分可再生能源。由于光伏出力水平相對(duì)較難預(yù)測(cè)，關(guān)停常規(guī)電源有可能導(dǎo)致供應(yīng)不足和限電風(fēng)險(xiǎn)。但如果棄掉可再生能源，由于常規(guī)能源發(fā)電機(jī)組的邊際成本要更高，可能會(huì)提高批發(fā)電價(jià)水平。
圖2：2023年4月16日加州電力系統(tǒng)凈負(fù)荷曲線
而太陽(yáng)開始落山時(shí)，負(fù)荷需求達(dá)到峰值，系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商又要在幾小時(shí)內(nèi)增加近16GW的發(fā)電量。這相當(dāng)于要讓7個(gè)Diablo Canyon核電站（目前加州唯一運(yùn)行的核電站）在3小時(shí)內(nèi)將發(fā)電量從零迅速提高到滿負(fù)荷運(yùn)行。
曼蘇爾指出，凈負(fù)荷下降時(shí)，為保障系統(tǒng)平衡，目前系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商主要通過減少氣電電量、啟用儲(chǔ)能電池充電等方式來調(diào)節(jié)電源出力。當(dāng)凈負(fù)荷開始上升時(shí)，即便凈負(fù)荷當(dāng)時(shí)仍處于谷底，運(yùn)營(yíng)商也會(huì)要求一些氣電機(jī)組必須隨時(shí)待命，在太陽(yáng)落山時(shí)增加氣電出力，增加外來電源，啟用抽水蓄能，同時(shí)利用儲(chǔ)能電池放電。
圖3：2023年4月16日加州電力供應(yīng)曲線
早年間，電力專家們?cè)Ｍㄟ^增加靈活性資源來平抑“鴨子曲線”，但效果并不顯著。
2022年9月，加州通過了SB1020法案，設(shè)定了新的清潔能源發(fā)展目標(biāo)，要求到2035年加州的清潔能源發(fā)電占比達(dá)到90%。此前加州的SB100法案要求，該州的可再生能源發(fā)電比例在2030年達(dá)到60%。預(yù)計(jì)“峽谷”趨勢(shì)將更加明顯。
“屆時(shí)，電網(wǎng)將越來越依賴于能快速啟停的靈活性資源。例如，在電源側(cè)利用新型儲(chǔ)能技術(shù)，并在需求側(cè)通過擴(kuò)大峰谷電價(jià)差等措施，鼓勵(lì)用戶在深夜到中午的時(shí)段多用電”，曼蘇爾表示。
棄電量增加，批發(fā)電價(jià)降低
為保障系統(tǒng)平衡，加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商也會(huì)棄掉一部分可再生能源。
目前，加州主要有兩種棄電形式。一種是在系統(tǒng)供過于求時(shí)在全系統(tǒng)范圍內(nèi)棄電；另一種是在發(fā)生輸電阻塞時(shí)局部棄電。2023年3月和4月，加州全系統(tǒng)范圍內(nèi)棄電電量在所有棄電情形中的比重均大幅增加，接近40%。
這兩種形式又按照棄電原因分為經(jīng)濟(jì)棄電、自行安排的棄電和例外調(diào)度三類情況。
其中，經(jīng)濟(jì)棄電通常發(fā)生在市場(chǎng)電價(jià)已降為低價(jià)或負(fù)價(jià)的時(shí)段。由于電力供過于求，市場(chǎng)會(huì)優(yōu)先選擇成本最低的發(fā)電機(jī)組，在價(jià)格開始下跌時(shí)，可再生能源機(jī)組可以通過減少發(fā)電量的方式，參與投標(biāo)競(jìng)價(jià)，進(jìn)入市場(chǎng)。經(jīng)濟(jì)棄電是一種正常且健康的市場(chǎng)結(jié)果。
自行安排的棄電是指，發(fā)電商自行減少參與競(jìng)價(jià)的發(fā)電量。這通常出現(xiàn)在電力供過于求或輸電阻塞時(shí)，運(yùn)營(yíng)商會(huì)發(fā)出指令呼吁發(fā)電機(jī)組調(diào)低輸出電量，進(jìn)行局部棄電。這時(shí)發(fā)電機(jī)組會(huì)根據(jù)調(diào)度指令和電價(jià)等方面的考慮，自行安排棄電。
上述兩種棄電方式都屬于“基于市場(chǎng)原則”的棄電，CAISO的市場(chǎng)優(yōu)化軟件會(huì)根據(jù)負(fù)荷需求自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的供電量。
如果“基于市場(chǎng)原則”的兩種棄電方式還不能緩解電力過剩，CAISO將人為干預(yù)機(jī)組出力，采用“例外調(diào)度”。這時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商會(huì)要求特定的可再生能源機(jī)組減少出力，避免系統(tǒng)出現(xiàn)可靠性風(fēng)險(xiǎn)。
由于例外調(diào)度并非出于經(jīng)濟(jì)性考量，不能確保系統(tǒng)調(diào)用最低成本的電源，還可能降低可再生能源的投資積極性，因此，這種棄電方式并不是系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商的首選。
圖4：2023年4月16日CAISO棄電報(bào)告
圖4為2023年4月16日CAISO發(fā)布的棄電報(bào)告。由圖可見，白天光伏棄電量上升。在中午，當(dāng)該州的凈負(fù)荷正式突破-63MW時(shí)，光伏棄電水平達(dá)到峰值，略高于1.7GW，棄電量達(dá)1.54GWh。
可再生能源發(fā)電量的增加也拉低了批發(fā)電價(jià)。美國(guó)能源信息署（EIA）的數(shù)據(jù)顯示，2023年3月，南加州現(xiàn)貨市場(chǎng)（SP15）的日前峰荷電價(jià)平均值下降了6%，為62.25美元/MWh，4月SP15日前峰荷電價(jià)平均值則進(jìn)一步下降，達(dá)到48.95美元/MWh。
