中國儲能網(wǎng)訊：
席云華 饒志 孫思揚 蒙文川
南網(wǎng)能源發(fā)展研究院新能源研究所
美國加州在推動電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型方面積累了不少經(jīng)驗，尤其是在太陽能等新能源發(fā)展方面引領美國。本文在分析加州電力發(fā)展概況的基礎上，以“解剖麻雀”的方式深入分析研究，掌握加州電力系統(tǒng)的實際情況，總結其新能源發(fā)展的政策機制、實踐經(jīng)驗和啟示，為我國政策制定者和電力企業(yè)發(fā)展提供參考借鑒。
01
電力系統(tǒng)概況
加州電力系統(tǒng)主要由加州輸電系統(tǒng)運行商（CAISO）、西部電力協(xié)調(diào)委員會（WECC）和北美電力可靠性公司（NERC）三家機構管理。CAISO是加州電力市場的運營主體和加州電網(wǎng)的調(diào)度中心，同時還負責評估及審批加州電網(wǎng)的擴展計劃，管理加州80%的電力。
（1）可再生能源和新能源發(fā)展情況
2020年底，CAISO系統(tǒng)電源裝機為8080萬千瓦，其中氣電裝機3941萬千瓦，約占電源總裝機的49%，煤電/油電裝機占0.6%，核電裝機占3%；可再生能源裝機3806萬千瓦，占47%，儲能容量49萬千瓦。CAISO電源裝機及結構見圖1。
可再生能源中，水電裝機1404萬千瓦，公共事業(yè)級太陽能發(fā)電裝機1399萬千瓦，均占電源總裝機的17%。若再考慮接入配電網(wǎng)的太陽能，太陽能發(fā)電實際上已成為為加州第一大可再生能源，在全部電源中排第二位。風電裝機598萬千瓦，占電源總裝機的7.4%，生物質(zhì)、地熱和廢熱裝機404萬千瓦，占電源總裝機的5%。風光裝機合計1997萬千瓦，占電源總裝機的25%。
圖1 CAISO電源裝機及結構
（2）電源裝機容量充裕度
2020年底，CAISO系統(tǒng)傳統(tǒng)電源裝機5629萬千瓦，約占電源總裝機的70%。若以風光裝機為基數(shù)進行比較，傳統(tǒng)電源裝機是風光裝機的2.8倍，其中氣電裝機為2.0倍，水電裝機為0.7倍，核電裝機為0.12倍。
（3）靈活性電源情況
2020年底，CAISO系統(tǒng)靈活性電源裝機4477萬千瓦，占傳統(tǒng)電源裝機的80%。靈活性電源裝機為風光裝機的2.3倍，意味著CAISO系統(tǒng)中每1萬千瓦風光裝機，相應配備有2.3萬千瓦的靈活性電源作為配合。
（4）電力供應充裕度
2020年CAISO最大負荷為4712萬千瓦。若以最大負荷為基數(shù)進行比較，州內(nèi)傳統(tǒng)電源裝機為最大負荷的1.2倍，進口電力峰值約1000萬千瓦，約為最大負荷的0.21倍。傳統(tǒng)電源加上進口電力的支撐比最大負荷高41%，是系統(tǒng)安全可靠運行的重要基礎。
圖2 CAISO電源配置和最大負荷對比情況
02
如果規(guī)劃高比例新能源電力系統(tǒng)
（1）可再生能源配額制和激勵性政策
加州政策制定者設定可再生能源發(fā)展的中長期目標，實施可再生能源配額制（RPS），并出臺配套機制協(xié)助電力公司完成目標。2002年州法案規(guī)定，到2017年公用事業(yè)公司（大型電力公司）提供的電力20%以上來自可再生能源；2006年州法案目標改為2010年占比20%；2011年目標改為到2030年占比33%；2018年規(guī)定到2026年可再生能源占比50%，2030年前提高到60%，到2045年底100%來自可再生能源和零碳能源。基于可再生能源配額制，加州建立了綠色證書市場，RPS與綠證市場相互配合、協(xié)調(diào)運行。加州公用事業(yè)委員會（CPUC）和加州能源委員會（CEC）負責RPS政策制定和實施。太陽能自發(fā)自用項目可獲得政府補貼或稅收抵免的優(yōu)惠，這些激勵支持性政策有力地促進了太陽能發(fā)電的發(fā)展。
圖3 不同年份可再生能源電量占比目標
數(shù)據(jù)來源：張欽《美國加州可再生能源發(fā)展經(jīng)驗與實踐》及公開資料。
表1 州政府能源主管部門的職責分工
（2）電力系統(tǒng)資源充足性規(guī)劃機制
CAISO電網(wǎng)規(guī)劃研究部門根據(jù)RPS目標，研究未來10年左右電力系統(tǒng)需接入的新能源規(guī)模和出力特性，預測出凈負荷曲線（凈負荷=負荷-風光發(fā)電出力）將變?yōu)椤傍喿印鼻€（見圖4），進而確定所需的上行調(diào)節(jié)和下行調(diào)節(jié)備用。
圖4 CAISO“鴨子”曲線
注：圖片來源為CAISO，版權屬于CAISO
加州能源管理部門與CAISO合作制定電力系統(tǒng)資源充足性規(guī)劃和要求，并為各平衡區(qū)域的所有負荷服務商（LSE）制定資源充足性采購義務。資源充足性規(guī)劃包括發(fā)電容量需求和靈活性容量需求規(guī)劃。靈活性容量需求研究基于：歷史運行數(shù)據(jù)，負荷服務商（LSE）提供合同承諾的新能源出力數(shù)據(jù)，加州能源委員會（CEC）提供每小時的負荷預測、新能源的預期出力和安裝信息。CAISO據(jù)此預測：下一年每分鐘凈負荷曲線、每月三小時爬坡凈負荷斜率、應急儲備需求等，計算總靈活性容量需求及各負荷服務商（LSE）對該需求的相對貢獻，并將靈活性容量需求分配給各地方監(jiān)管機構（LRA）。各平衡區(qū)域都要接受資源充足性評估，各地方監(jiān)管機構（LRA）負責平衡所在區(qū)域的負荷。資源充足性規(guī)劃職責分工和基本流程見圖5所示。
圖5 資源充足性規(guī)劃職責分工和基本流程
資源充足性規(guī)劃體系下，各責任主體職責分工明晰，溝通協(xié)調(diào)高效有序。電力系統(tǒng)資源充足性項目的實施可確保系統(tǒng)有足夠的能力可靠運行電網(wǎng)，并為新資源的選址和建設提供激勵。
03
如何運行高比例新能源電力系統(tǒng)
（1）新能源出力特性
CAISO太陽能發(fā)電年利用小時在2000-2300h，與我國新疆、內(nèi)蒙古地區(qū)相當。圖6為夏季和春季典型日風電、太陽能出力曲線。太陽能日間出力在11時-13時達到最大，夏季峰值能達到裝機容量的80%，春季峰值為裝機容量的70%左右。從季節(jié)來看，夏季出力維持在峰值附近的時長大于春季。從太陽能出力占負荷的比例看，2020年3月太陽能出力峰值接近1000萬千瓦，約占負荷的48%，夏季出力峰值約占負荷的39%。
風電日間出力在22時-23時達到最大，夏季峰值能達到裝機容量的54%，春季峰值為裝機容量的62%。春季出力峰值為360萬千瓦。地熱和生物質(zhì)發(fā)電日間出力較穩(wěn)定，約為170萬千瓦。
圖6
2020年CAISO新能源日出力曲線（3月和8月）
（2）負荷特性
由于屋頂光伏不斷增長抵消了部分負荷，近年來CAISO負荷峰值未明顯增長。圖7為各季節(jié)負荷曲線。年度負荷峰值出現(xiàn)在夏季，2020年夏季峰值為4712萬千瓦，其余季節(jié)約3000萬千瓦。日間負荷在16-20時達到最大，日峰谷差約2000萬千瓦（夏季）、1100萬千瓦（非夏季）。
圖7 2020年CAISO各季節(jié)負荷曲線
（3）凈負荷特性與靈活性電源作用的發(fā)揮
圖8-a為春季典型日負荷、凈負荷曲線。日凈負荷曲線有早、晚兩個高峰，14時為低谷，春季峰谷差為1400萬千瓦，系統(tǒng)需大量的靈活機組來維持實時電力供需平衡。圖8-b為電源出力曲線。在太陽能不發(fā)電的時段，氣電、進口電力和水電等電源提供基礎負荷，在太陽能發(fā)電時則減少出力以平衡電力供需波動，氣電、進口電力擔當著加州電網(wǎng)“穩(wěn)定器”的角色。
圖8 2020年春季典型日負荷和電源出力曲線
a) 負荷與凈負荷
圖片 b) 電源出力
圖9為2020年各月最大3小時凈負荷斜坡，可以發(fā)現(xiàn)，夏季3小時斜坡低于其他季節(jié)，原因與夏季高峰負荷時刻前移至下午，光伏發(fā)電具有一定的正調(diào)峰特性有關。12月最大3小時凈負荷斜坡為1600萬千瓦，與全部太陽能出力峰值相當?？傮w來說，充裕靈活的發(fā)電能力是CAISO系統(tǒng)可靠運行的其中一大關鍵。
圖9 2020年各月最大3小時凈負荷斜坡
04
加州電網(wǎng)的隱憂
盡管目前傳統(tǒng)電源裝機容量相對充裕，但也存在電力短缺的隱憂。
（1）常規(guī)電源的多元化發(fā)展面臨挑戰(zhàn)
水電受干旱、限制發(fā)展政策等因素影響正在耗盡，核電2025年退出后尚無其他可靠的方案彌補缺口，短期來看只能依靠增加電力進口、氣電出力來支撐系統(tǒng)。
（2）氣電逐漸退役，供電穩(wěn)定性面臨挑戰(zhàn)
作為主力電源的氣電屬于化石能源，發(fā)電成本高，生存空間受到新能源的擠壓，又承擔著為系統(tǒng)提供靈活性的任務，角色尷尬。且由于缺乏容量市場等激勵機制，發(fā)電商增加氣電裝機容量的動力不足，部分機組可能將提前停運，氣電發(fā)電能力不足將削弱系統(tǒng)應對短時間內(nèi)供需大幅波動的能力，降低電網(wǎng)運行可靠性。
（3）電力進口存在較大不確定性
受輸電網(wǎng)擁塞、西部電網(wǎng)負荷走高等因素影響，加州可進口的電力資源存在不確定性。
05
結論和建議
（1）充裕靈活的發(fā)電能力是新型電力系統(tǒng)安全可靠運行的關鍵
一是傳統(tǒng)電源應保持足夠的頂峰支撐能力。加州的傳統(tǒng)電源和進口電力的發(fā)電能力是年度最大負荷的1.4倍，是系統(tǒng)安全可靠運行的重要基礎。我國用電規(guī)模體量大，安全可靠供電對維持經(jīng)濟發(fā)展的重要性不言而喻?；谛履茉捶凑{(diào)峰特性特別是極端天氣情況下置信容量低的特點，并考慮一定備用，建議傳統(tǒng)電源發(fā)電能力應不小于最大負荷的120%。二是靈活性電源配置應與凈負荷爬坡需求相適應。加州風電日出力波動性不強、占負荷的比例低，最大凈負荷爬坡容量與太陽能出力峰值相當。我國不同地區(qū)凈負荷特性不盡相同，需要根據(jù)對象本身的特點進行分析確定。應基于凈負荷的最大爬坡容量需求及小時級別變化率，考慮一定的儲備來配置靈活性電源，靈活性電源調(diào)節(jié)能力應至少不小于太陽能發(fā)電的有效容量。
（2）提高可再生能源占比的同時，推動傳統(tǒng)電源多元化發(fā)展
加州激進的減碳政策和排斥核電、水電的政策使得傳統(tǒng)電源多元化發(fā)展面臨挑戰(zhàn)，加大了電力短缺的隱憂。鑒于加州、德國轉(zhuǎn)型的經(jīng)驗教訓，建議我國在構建多元化電力供應體系，在提升新能源占比的同時，提高對傳統(tǒng)電源多元化發(fā)展的重視，將各類型傳統(tǒng)電源裝機比例控制在均衡合理的范圍，提升電力系統(tǒng)抗風險能力。
（3）加強可再生能源發(fā)展消納政策機制研究
不同于加州RPS政策可再生能源消納目標的長期指引性和約束力特征，我國目前實施的可再生能源電力消納保障機制設定的是近期消納目標，本質(zhì)上是以消納定發(fā)展的思路，隨著新能源大規(guī)模發(fā)展，新能源并網(wǎng)和消納矛盾將更加凸顯，建議加強配套政策機制研究，完善配套政策機制。
（4）加強電力系統(tǒng)資源規(guī)劃及機制研究
電力系統(tǒng)資源充足性規(guī)劃是一項具有戰(zhàn)略意義的工作，是新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定可靠運行和高比例消納新能源的重要保障。加州電力系統(tǒng)規(guī)劃體系下各責任主體職責分工明晰，溝通協(xié)調(diào)高效有序，電力系統(tǒng)資源充足性項目的實施可確保系統(tǒng)有足夠的能力可靠運行電網(wǎng)。目前我國電力系統(tǒng)規(guī)劃在實踐中存在約束性和指導作用偏弱，系統(tǒng)性有待加強，協(xié)調(diào)管理力量薄弱等問題。新型電力系統(tǒng)的規(guī)劃轉(zhuǎn)向以靈活性資源供需平衡為核心，現(xiàn)有規(guī)劃機制難以適應電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型發(fā)展的需要。建議大型電網(wǎng)企業(yè)借鑒國際經(jīng)驗，并結合我國的具體國情，加強中長期資源充足性規(guī)劃研究，完善規(guī)劃機制。
