摘要：加州素有“陽光之州”的美譽，擁有豐富的太陽能資源。正是由于可再生能源的快速增長，加州一天當中的電力凈負荷情況變成了“鴨子曲線”。2020年的停電事件，有人認為是能源轉型過程中電網配套沒跟上。未來高比例新能源接入將對電網靈活調節能力提出極高的要求。

 

美國西部的加利福尼亞州（簡稱“加州”），是美國人口第一大州。這兩年頻頻出現在媒體的報道中，是這里的高溫、森林大火和停電。

 

2020年8月，加州忍受了炙熱高溫的煎熬，南加州部分城市氣溫甚至達到了46攝氏度。熱浪讓電網邁向崩潰邊緣。當時，數以十萬計的民眾不得不每日輪流面臨拉閘限電。

 

這是自2007年以來加州電力系統獨立運營商CAISO 首次在已采取所有緩解措施的情況下，電網供電仍不能滿足預期的電力需求。

 

當時，時任總統特朗普還在推特上寫道:“在加州，民主黨人故意輪流停電，讓美國人處于黑暗之中。

 

僅僅半年之后，德州也因極寒天氣停電引發關注。和其他州不一樣的是，德州大部分地區的電力供應是完全獨立的，擁有自己的電網公司ERCOT，和美國西部電網是完全斷開的。當德州發電系統崩潰的時候，其他州就算電力富余，也是愛莫能助。

 

高溫酷暑，拉閘限電；寒流來襲，停水斷電。作為美國經濟與人口前兩位的大州，加州和德州的電力系統卻出現如此重大的斷電事故，建立穩定安全的電力供應系統成為美國聯邦政府和各州政府的重要議程。

 

拜登在2021年提出重建更好法案（（Build Back Better，簡稱BBB），計劃用1000億美元建設一個更有彈性的電網。

 

日前，加州電網運營商CAISO發布的一份規劃文件提出，到2040年，加州向清潔電力轉型將需要305億美元的高壓大容量輸電基礎設施投資，以將潛在的121GW新電池存儲和可再生能源生產結合起來。

 

 

斥巨資建設穩定電力系統

加州是美國清潔能源的領頭羊，2020年的停電事件，有人認為是能源轉型配套沒跟上。

 

新能源轉型，電力系統的結構日益復雜，規模也愈加龐大。充足的電力供應以確保安全可靠的電網功能是成功實施可再生能源驅動電網清潔轉型的關鍵。

 

CAISO發布的這份文件名為《20年輸電展望》（20 Year Transmission Outlook），也是這個機構首次發布20年展望。文件概述了加州實現清潔能源目標的長期基礎設施需求。

 

“加州電網迫切需要更積極、更長期的輸電規劃和協調。” CAISO首席執行官 Elliot Mainzer表示。

 

這份規劃文件表示，為實現2045年100%清潔供電的目標，要求加州增加53.2GW的公用事業太陽能，而2020年約為14GW；來自懷俄明州等其他州的37GW電池存儲和12GW風能。

 

其他2040年規劃包括來自加州中部和北部沿海項目的10GW浮動海上風電、4GW 長期儲能、2.3GW 地熱和 2.2GW 內陸風電。

 

該規劃指出，連接這些新資源將涉及“重大”重型傳輸開發。考慮到這些設施所需的交付時間，主要是由于獲得通行權和環境許可的要求，這使得加州機構的長期規劃更加重要。

 

《20年輸電展望》指出，加州在未來10到20年內面臨著對新的可再生資源的前所未有的需求。

 

激進的可再生能源政策影響加州電網的可靠性

 

加州電網北部與俄勒岡州電網互聯，南部與亞利桑那州、墨西哥等電網互聯。其電網輸電系統主要包括 500、345、220kV等若干個電壓等級，由多家電網公司共同運營，其中最大的電網公司為太平洋煤氣與電力公司(PG&E)，運營范圍覆蓋加州全網80%以上。

 

 

2020年，加州電網總發電量達19萬GWh，其中燃氣機組發電達9萬GWh，處于電網發電首位，占比48%。光伏發電占比16%次之，水電為11%，位列整個發電系統第三。其次是核能，風電，地熱能等。

 

2018年9月，時任加州州長杰里布朗簽署了名為《California Renewables Portfolio Standard Program：emissions of greenhouse gases》的清潔能源法案(SB100法案)。該法案目標力求到2026年可再生能源發電量將占全州發電量的50%；到2030年該比例提高到60%；到2045 年實現100%可再生能源和零碳電力供應。

 

 

與此同時，加州還提前停運或報廢了一些核電和燃氣機組。在基本負荷天然氣和核電計劃退役的情況下，迫切需要擁有替代資源來維持電網的可靠性。

 

電網的不穩定體現在持續高溫的出現導致用電量激增。加州持續出現了較為嚴重的電力短缺情況。

 

燃氣機組的成本高于可再生能源電站，加州發電商認為如果沒有容量市場的補貼，投資燃氣電廠將難以盈利。缺乏容量市場等激勵機制，加州發電商缺少增加天然氣機組裝機容量的動力。燃氣機組容量不足限制了 CAISO 應對短時間內可再生能源大幅波動的能力。

 

CAISO發布的該公司2021年度夏季負荷和資源評估調查報告指出，加州電網的能源安全狀況在夏季得到改善，其中一個因素是部署的電池儲能系統的裝機容量將會迅速增長，而在夏季的極端熱浪期間，電網仍然容易受到供電壓力影響。

 

不斷增加的光伏-“鴨子曲線”

加州素有“陽光之州”的美譽，擁有豐富的太陽能資源。太陽輻射強，日照時間長，平均日照峰時超過五小時。也正是由于可再生能源的快速增長，加州一天當中的電力凈負荷情況變成了“鴨子曲線”。

 

 

由于太陽能發電在中午達到高峰，隨著太陽的下山而逐漸降低。使得電網內其他熱電廠在白天則基本較空閑，而到傍晚時分就迅速增加發電量。這就形成了一個“鴨子”形基本負荷曲線。

 

可再生能源生產高峰期過度發電的風險很高，而當光照停止時，發電需求會在幾個小時內發生巨大變化。

 

“鴨子曲線”產生的主要因素是光伏發電量在中午時達到最大，在傍晚沒有太陽能時消失，但此時的電力需求卻急劇上升。而此時光伏發電無法滿足這種需求。“鴨子曲線”源自美國加州電力系統模型，是指加州電網內熱電廠一天的凈負荷曲線，因曲線形似一只鴨子而得名。

 

加州不斷增加的光伏使電力凈需求曲線為典型的“鴨子曲線”，所以需要大量靈活的機組來維持實時電力供需平衡。

 

極端高溫、風電出力減少、初期的彈性警報效果不佳、激進的可再生能源政策、電網靈活性資源不足、靈活性調節產品失效、加州電網總裝機容量不足、加州電網難以與其他電網互濟以及加州電力市場機制問題。

 

隨著可再生能源技術價格的穩步下降，越來越多的國家和地區開始實施積極的可再生能源組合標準(RPS)目標，要求增加供應電力需求的可再生資源數量。

 

實現100%可再生能源供給過程實現傳統能源、可再生能源和儲能協調發展尤為重要。

 

未來高比例新能源接入將對電網靈活調節能力提出極高的要求，因此需要在評估電力系統安全性及新能源接入承載力的基礎上，合理優化電源結構，建設必要規模的常規電源，配置足夠的靈活性調節電源，提升新能源消納能力，推動實現能源綠色低碳轉型。