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加州停电事件启示:能源安全应注重应对不确定性

南方电网报发布时间:2020-11-20 14:12:04

  2020年8月14至19日,持续高温天气席卷美国西部地区,加州用电需求激增,超过正常水平。面对陡增的用电需求,加州电网不堪重负,不得不轮流断电,超过300万户家庭生活受到影响。

  近日,加州独立系统调度运营商(CAISO)、加州公用事业委员会(CPUC)、加州能源委员会(CEC)三大能源机构联合公布了加州8月中旬停电事件初步分析报告。报告指出,加州遭遇近20年来首次连续性停电,根本原因是三家机构在制定能源规划时没有考虑到气候变化,也没有安排好合适的电源在日落后保持供电。

  20年前,众多因素把加州电力推向了危机

  加州以可再生电源供电占比高而出名,截至2019年底,加州光伏的装机容量为27400兆瓦,发电量占比近20%,包括大量居民屋顶太阳能发电设备的供电,这也曾是“全美的骄傲”。

  停电事件引发各国电力同行思考,在大力发展可再生能源的同时,发电结构、电网、电力市场机制该如何完善,才能更好应对未来的不确定性,成为关注的焦点。

  8月14日清晨6:54,美国加州不少居民的手机收到这么一条短信:“PG&E电力公司提示:本次停电包括644号在内1739名用户。预计8月14日晚上九点恢复正常。我们将持续为您发送停电预警信息。”

  人们没想到的是,这只是一个开始。这种情形令人想起20年前同样发生在加州的停电事件。2000年夏天,同样在高温天气影响下,加州就曾遭遇一电力危机。

  PG&E电力公司在2003年发布的报告曾对之进行分析,电力市场结构存在不足、电力基础设施建设不足等因素共同导致2000年加州电力危机的出现。

  “电力批发过于依赖现货市场,监管政策也大力支持公用事业公司出售其化石燃料的发电设施,但不鼓励通过长期合同锁定稳定的电力批发价格。”报告写道,“此外由于电力零售价格被冻结,这意味着随着电力批发价格的上涨,已无法转移到消费者身上,从而并不能促使他们减小电力需求。”

  报告亦指出,加州电力传输基础设施建设及传输能力并未跟上电力负荷的增长,特别是在加州主要的南北走廊一带,即使到2030年,预计加州输电系统输电能力在未来十年的增长率也只有0.5%。类似的还有天然气供应,加州天然气需求上涨,但天然气开发却因环境政策影响而搁置,更多依赖外来气。

  在这其中,安然(Enron)等公司的能源交易员还利用当时电力市场的设计缺陷,“截留”电力,赚取暴利。众多因素一起,把加州电力推向了危机。

  20年后,加州能源规划不当是重要原因

  那么,20年后,加州电力情况发生了怎样的改变?为何危机再次出现?

  10月份,三大能源机构联合公布了2020年加州停电事件初步分析报告。报告指出,此次轮流断电并非是单一因素造成的,而是多重因素造成的。三家能源机构制定能源规划时没有考虑到气候变化,而在日落后供电上没有做好足够的电力供应保障。

  席卷美国西部的极端高温风暴,是由气候变化引发的,而这直接导致电力需求超过了加州现有的电力资源规划。而且,这场热浪横扫了美国整个西部地区,加州有很大一部分电力供应依赖美国西部地区的电力进口。如果加州仍保有目前的电力供应能力,未来类似的风险依然将毫无反抗之力。

  加州能源规划不当,则是电力供应能力不足的重要原因。目前,加州电力系统正由天然气向太阳能、风力发电等“清洁”能源转型,但能源规划目标无法满足激增的用电需求。

  太阳能等在电力供应中比例的增加,导致仅要求发电容量充裕性满足高峰负荷已不合时宜,电力系统需要能满足白天中多个关键时间点的负荷。举个例子,通常日落之后,光伏发电系统输出电力减少,整个电网在夜间形成电力净负荷高峰,呈现鸭子曲线(duckcurve),如何保障夜间供电,成为挑战。

  净负荷高峰却最难攻坚。随着不同能源品种的发展,其他关键时刻的电网需求可能会在不同时间、季节或条件中显现出来。

  事实上,2000年加州电力危机的老问题在今年又一次出现。报告指出,从美国西部地区其他州进口的外来电量,也比8月份资源充裕度所规定的电量少约330兆瓦,分析显示,这可能是由于太平洋西北部的输电限制所致。CAISO系统上游的一条主要输电线路由于天气原因被迫中断,从而降低了加州俄勒冈州互连输电线路(COI)的传输能力,这一阻塞致使CAISO的传输能力降低约650兆瓦。

  电力市场设计规则的缺陷也在危机中暴露。其中,加州电力市场的日前和实时市场中的集中竞价机制导致错误市场信号发出。

  在正常情况下,当电力供应充足时,集中竞价对次日负荷和电源平衡方面发挥着重要作用。而当电力供应不足时,这种机制的内部相互作用反而会影响正常的电源供应能力。

  在分析8月14日的事件后,监管机构发现现行的市场设计反而导致CAISO在剩余机组组合这一环节掩盖了负荷调度不足的情况,发出的市场信号支持更多电力出口,导致实际供需状况继续偏离市场和紧急情况电力需求。

  应将热浪等极端事件考虑在内

  针对停电事件的教训,报告对加州电源规划、采购和市场实践方面的近期和长期改进提供了建议,以确保2021年及以后的电力供应的可靠性。

  报告建议,在修改电力资源和可靠性规划目标时,应该将热浪和其他由气候变化引起的极端事件考虑在内,转变电源组合,确保加州在电网需求激增的关键时刻也能满足清洁能源目标。加大电源采购和建设也是建议之一,对于在建的发电设施和储能项目,应跟进工期,确保在预定运行日期前完成。此外,CAISO的市场运营水平需要得到提升,确保能够准确反映实际的供求平衡并满足在电力紧张条件下的用电需求。

  在全球绿色发展联盟会长张晓枫看来,需求响应将成为美国智能电网的高优先级功能之一,同时也是未来应对类似加州停电事件的重要利器。

  目前,美国联邦能源管理委员会FERC制定了一项关于基于需求响应的国家行动计划,认为更广泛地使用需求响应可以减少峰值需求。储能发展将保护在电压降低(CVR)时可以作为备用资源。而智能电网、智能电表等都将在需求侧响应中发挥重要作用。

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