翻譯 | 崔凱翔
編輯 | 蔡譯萱
10月6日，加州獨(dú)立系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)營商（CAISO）、加州公用事業(yè)委員會（CPUC）、加州能源委員會（CEC）三大能源機(jī)構(gòu)聯(lián)合公布了加州8月中旬停電事件初步分析報告。報告指出，加州遭遇近20年來首次連續(xù)性停電，根本原因是三家機(jī)構(gòu)在制定能源規(guī)劃時沒有考慮到氣候變化，也沒有安排好合適的電源在日落后保持供電。
2020年8月14至19日，持續(xù)高溫天氣席卷美國西部地區(qū)。持續(xù)的極端高溫天氣令加州用電需求激增，導(dǎo)致電力需求超過正常水平。面對陡增的用電需求，加州電網(wǎng)不堪重負(fù)，出現(xiàn)輪流斷電，超過200萬加州居民體驗了一把“水深火熱”的8月。
輪流停電事故發(fā)生后，加州州長Gavin Newsom公開致信加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商（CAISO）、加州公共公用事業(yè)委員會（CPUC）、加州能源委員會（CEC），要求三大能源機(jī)構(gòu)立即采取行動，盡量減少持續(xù)極端高溫天氣對電力運(yùn)行的影響，并對現(xiàn)有的電力需求預(yù)測方法和電力資源保障進(jìn)行全面審查。eo對這份加州停電的官方解讀做了歸納、摘要，服務(wù)讀者。
多重因素導(dǎo)致了8月14和15日停電事件
報告指出，此次輪流斷電并非是單一因素造成的，而是多重因素造成的。
首先是氣候變化引發(fā)的席卷美國西部的極端高溫風(fēng)暴，導(dǎo)致電力需求超過了現(xiàn)有的電力資源規(guī)劃?，F(xiàn)有的電力資源規(guī)劃并不能完全解決像8月中旬這樣的極端高溫風(fēng)暴下的電力需求。
加州和美國西部其他地區(qū)在8月14日至8月19日期間遭遇了一場極端高溫風(fēng)暴。在此期間，加州經(jīng)歷了自1985年以來8月最熱5天中的4天。其中8月14日是歷史上八月里第三熱的一天，8月15日是歷史上最熱的一天。此外，這場熱浪橫掃了美國整個西部地區(qū)，而加州有很大一部分電力供應(yīng)依賴美國西部地區(qū)的電力進(jìn)口。
圖1 1985至2020年各年8月日氣溫分布圖
據(jù)加州能源委員會分析，8月高溫是35年一遇的天氣事件。此外，新冠肺炎肆虐導(dǎo)致電力需求模式快速變化，這一變化是難以預(yù)料的。能源市場可以幫助彌補(bǔ)計劃和實時狀況之間的差距，但這場席卷美國西部的熱浪限制了能源市場的能力。
誘發(fā)停電的第二個主因是加州能源規(guī)劃的不當(dāng)。目前，加州電力系統(tǒng)正由天然氣向太陽能、風(fēng)力發(fā)電等“清潔”能源轉(zhuǎn)型，但能源規(guī)劃目標(biāo)無法滿足激增的用電需求。這使得電力平衡供需變得更具挑戰(zhàn)性，極端高溫天氣又加劇了這些挑戰(zhàn)。
總之，州機(jī)構(gòu)未能對這類高溫事件進(jìn)行充分的計劃，也未能指導(dǎo)電力供應(yīng)商保障足夠的電力供應(yīng)，以滿足晚上太陽能光伏不能出力時的需要。
通常情況下，發(fā)電容量充裕性機(jī)制（RA，resource adequacy）是圍繞單一的電力需求高峰設(shè)計的，也就是說，在出現(xiàn)負(fù)荷高峰時，需要有足夠的電力容量可用。然而，隨著近年來太陽能等在電力供應(yīng)中比例的增加，情況已不再如此。僅要求發(fā)電容量充裕性滿足高峰負(fù)荷已不合時宜，目前需要其能夠滿足白天中多個關(guān)鍵時間點的負(fù)荷。例如凈負(fù)荷（Net Demand）高峰，（凈負(fù)荷是可再生能源范圍內(nèi)預(yù)期負(fù)荷和預(yù)期發(fā)電量之間的差額），通常日落之后，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電力減少，整個電網(wǎng)在夜間形成電力凈負(fù)荷高峰，呈現(xiàn)鴨子曲線（duck curve）。
盡管發(fā)電容量充裕性供應(yīng)機(jī)制應(yīng)該全天候地滿足負(fù)荷需求，但是，凈負(fù)荷高峰卻最難攻堅。隨著不同能源品種的發(fā)展，其他關(guān)鍵時刻的電網(wǎng)需求可能會在不同時間，季節(jié)或條件中顯現(xiàn)出來。
圖2為8月14和15日的負(fù)荷峰值和凈負(fù)荷峰值對比。8月14日，下午6時51分的凈負(fù)荷高峰為42237 MW，比下午4時56分的負(fù)荷峰值低4565 MW，而同期風(fēng)能和太陽能發(fā)電量減少了5431 MW。負(fù)荷曲線（藍(lán)色）和凈負(fù)荷曲線（橙色）之間的差異在中午（大約上午10點到下午4點）最大，此時可再生能源發(fā)電量最高。
可以看出，輪流斷電與凈負(fù)荷峰值曲線高度吻合。在8月14日下午6:51的凈負(fù)荷高峰之前，CAISO宣布了第三階段緊急狀態(tài)。同樣，8月15日6點26分的凈負(fù)荷高峰兩分鐘之后，也就是下午6點28分，第三階段緊急情況隨之而來。
圖2 8月14日和15日的需求峰值和凈需求峰值對比圖
圖3為8月14日各發(fā)電資源在凈負(fù)荷高峰期間三個不同時間段的表現(xiàn)。其中，1400—2000MW的氣電被迫中斷，主要原因是極端高溫與缺電造成的。此外，還有400MW屬于計劃停電的氣電機(jī)組缺口沒有其他可替代電源。
而從美國西部地區(qū)其他州進(jìn)口的外來電量，也比8月份資源充裕度所規(guī)定的電量少約330兆瓦，分析顯示，這可能是由于太平洋西北部的輸電限制所致，因為在整個8月份，CAISO系統(tǒng)上游的一條主要輸電線路由于天氣原因被迫中斷，從而降低了加州俄勒岡州互連輸電線路(COI)的傳輸能力，這一阻塞致使CAISO的傳輸能力降低約650兆瓦。也因此，CAISO從西部平衡市場進(jìn)口的實際電量低于其在資源充裕度供應(yīng)計劃中所要求的進(jìn)口電量。
圖3 8月14日18:51實際電力需求和各資源發(fā)電量
水電的發(fā)電量與8月凈合格容量(net qualifying capacity NQC，即RA要求的裝機(jī)容量)一致，而根據(jù)RA合同競標(biāo)的水電裝機(jī)容量僅相當(dāng)于8月份RA所要求的90%。但是，實時發(fā)電量可能高于或低于這一數(shù)值。因此，發(fā)電充裕性供應(yīng)計劃中機(jī)組的實際發(fā)電量可能與CAISO所收到的報告數(shù)值有出入。
從太陽能發(fā)電和風(fēng)電來看，8月14日和15日，凈負(fù)荷高峰期間的實際發(fā)電能力分別減少了1200MW(40%)和1000MW(35%)。其中風(fēng)電在8月14和15日凈負(fù)荷高峰期間的實際發(fā)電量分別減少了640MW(57%)和230MW(20%)。
第三個主要原因是日前市場的一些市場規(guī)則加劇了電源的供應(yīng)緊張。
8月14日和15日，CAISO電網(wǎng)的緊張狀況本應(yīng)得到緩解，但一些電力市場的設(shè)計規(guī)則似乎導(dǎo)致電網(wǎng)無法獲得額外電源。主要原因包括：調(diào)度人員對日前市場的需求安排不足；集中競價掩蓋了供應(yīng)緊張的情況；以及剩余機(jī)組組合（RUC）在市場中配置不合理等原因。
圖7所示。在凈負(fù)荷高峰期間，8月14日和15日的調(diào)度缺口分別為1792兆瓦和3219兆瓦。調(diào)度調(diào)度協(xié)調(diào)員對負(fù)荷的預(yù)測和調(diào)度安排不足，對電力運(yùn)行產(chǎn)生了不利影響，即沒有建立適當(dāng)?shù)碾娔芰渴袌鰜矸从畴娏Φ膶嶋H需求。
圖7 實際負(fù)荷、CAISO負(fù)荷預(yù)測、負(fù)荷競價的比較
此外，加州電力市場的日前和實時市場中的集中競價機(jī)制也在一定程度上推波助瀾。在正常情況下，當(dāng)電力供應(yīng)充足時，集中競價對次日負(fù)荷和電源平衡方面發(fā)揮著重要作用。而當(dāng)電力供應(yīng)不足時，這種機(jī)制的內(nèi)部相互作用反而會影響正常的電源供應(yīng)能力。
同時，加州日前市場由三個連續(xù)運(yùn)行的市場流程組成，包括市場力緩解（Market Power Mitigation，MPM）、統(tǒng)一遠(yuǎn)期市場（Integrated Forward Market，IFM）和剩余機(jī)組組合（Residual Unit Commitment，RUC）三個環(huán)節(jié)。其中，剩余機(jī)組組合流程指定了第二天所需的額外發(fā)電機(jī)組，要求其必須準(zhǔn)備好發(fā)電。在分析8月14日的事件后，監(jiān)管機(jī)構(gòu)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行的市場設(shè)計反而導(dǎo)致CAISO在剩余機(jī)組組合這一環(huán)節(jié)掩蓋了負(fù)荷調(diào)度不足的情況，發(fā)出的市場信號支持更多電力出口，導(dǎo)致實際供需狀況繼續(xù)偏離市場和緊急情況電力需求。
為緩解8月電力供應(yīng)緊張所采取的行動
雖然8月14和15日是本初步分析報告的主要焦點，但由于這兩天發(fā)生了輪番停電，如不采取行動，預(yù)計8月17至19日的供應(yīng)短缺情況會嚴(yán)重得多。加州系統(tǒng)運(yùn)營商主要采取了倡導(dǎo)節(jié)約用電、提高環(huán)保意識、減小電量需求、增加電源供應(yīng)能力等手段來保障8月17至8月19日的電力供應(yīng)。
針對停電試件提出的初步建議
報告還對加州電源規(guī)劃、采購和市場實踐方面的近期和長期改進(jìn)提供了建議。這些行動旨在確保加州能夠持續(xù)、加速向可靠、清潔和負(fù)擔(dān)得起的能源系統(tǒng)的過渡。建議立即采取以下行動，以確保2021年及以后的電力供應(yīng)的可靠性：
更新電力資源和可靠性規(guī)劃目標(biāo)，以更好地考慮：
a.熱浪和其他由氣候變化引起的極端事件；
b.轉(zhuǎn)變電源組合，確保加州在電網(wǎng)需求激增的關(guān)鍵時刻也能滿足清潔能源目標(biāo)；
確保加州目前正在建設(shè)的發(fā)電和儲能項目在預(yù)定的運(yùn)行日期前完成；
加快電力監(jiān)管和采購流程，以運(yùn)行到2021年可以上線的額外電源。還可以補(bǔ)充已經(jīng)在建的電源；
協(xié)調(diào)CPUC管轄之外的電源采購；
提升CAISO的市場運(yùn)營水平，確保能夠準(zhǔn)確反映實際的供求平衡并滿足在電力緊張條件下的用電需求。
參考鏈接：
http://www.caiso.com/Documents/Preliminary-Root-Cause-Analysis-Rotating-Outages-August-2020.pdf
專有名詞表：
Resource=電源
RA，resource adequacy=發(fā)電容量充裕性
Net Demand=凈負(fù)荷，not “凈需求”
Convergence Bidding=集中競價
能源生產(chǎn)=發(fā)電能力
欠調(diào)度=調(diào)度缺口
bid in demand=負(fù)荷競價
Residual Unit Commitment=剩余機(jī)組組合
Storage=儲能
