01、研究背景
美國西部時(shí)間8月14日，加利福尼亞州(以下簡稱加州)電力系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)營商(California Independent System Operator，CAISO)發(fā)布三級緊急狀態(tài)，是近20年發(fā)布的最高等級緊急狀態(tài)，49.2萬企業(yè)與家庭的電力供應(yīng)中斷，最長停電時(shí)間達(dá)150min；8月15日，CAISO再次對用戶實(shí)施輪流停電，停電時(shí)間最長達(dá)90min，影響32.1萬用戶。
02、事件過程
8月14日下午14:57，一臺燃?xì)鈾C(jī)組因故障跳閘，損失出力為475MW。下午15:25，CAISO預(yù)測未來幾個(gè)小時(shí)將出現(xiàn)電力短缺，難以維持規(guī)定的備用容量要求，宣布進(jìn)入二級緊急狀態(tài)。下午17:00，CAISO調(diào)用約800MW需求側(cè)響應(yīng)資源以維持電力供需平衡。下午18:38，隨著傍晚光伏出力下降，系統(tǒng)無法滿足負(fù)荷需求和備用容量要求，CAISO宣布進(jìn)入三級緊急狀態(tài)，切除500MW負(fù)荷。10min后，再次切除500MW負(fù)荷。下午19:40，發(fā)電側(cè)資源可滿足負(fù)荷需求和備用要求，CAISO命令恢復(fù)所有的負(fù)荷。
8月15日下午14:00—15:00，受暴風(fēng)云影響，光伏出力下降超過1900MW，而負(fù)荷仍持續(xù)上升，導(dǎo)致備用容量下降不足。下午15:00左右，CAISO通過實(shí)時(shí)市場立即調(diào)用約891MW需求側(cè)響應(yīng)資源以維持電力供需平衡。下午17:12—18:12，風(fēng)電出力下降1200MW。下午18:13，調(diào)度員對電廠的錯(cuò)誤指令導(dǎo)致一臺燃?xì)鈾C(jī)組出力迅速降低，損失出力248MW。下午18:28，由于備用容量不滿足要求，CAISO宣布進(jìn)入三級緊急狀態(tài)，切除約500MW負(fù)荷。下午18:48，風(fēng)電出力逐步恢復(fù)，負(fù)荷水平也開始下降，CAISO命令恢復(fù)所有負(fù)荷。
圖1 加州停電事件時(shí)間線
03、原因初步分析
引發(fā)CAISO實(shí)施輪流停電的直接原因是系統(tǒng)供需不平衡，運(yùn)行備用容量不滿足相關(guān)要求。CAISO對系統(tǒng)運(yùn)行備用容量的要求遵循NERC標(biāo)準(zhǔn)BAL-002-3和WECC標(biāo)準(zhǔn)BAL-002-WECC-2a，最小的備用容量大約是負(fù)荷的6%。用于維持該要求的運(yùn)行備用主要包括機(jī)組旋轉(zhuǎn)備用，以及可在10min內(nèi)啟動的機(jī)組和可切負(fù)荷等非旋轉(zhuǎn)備用。圖2給出了8月14日加州電力系統(tǒng)運(yùn)行備用曲線。
圖2 2020年8月14日加州運(yùn)行備用曲線
初步分析，加州系統(tǒng)供需不平衡主要是以下原因?qū)е拢?
1）罕見高溫引起負(fù)荷增長。8月加州地區(qū)日負(fù)荷峰值的平均值高于7月3197MW，其中8月14日負(fù)荷峰值首次突破45000MW，當(dāng)天負(fù)荷峰值高達(dá)46 777MW，比2019年夏季負(fù)荷峰值(出現(xiàn)在2019年8月15日)高2629MW，超出CAISO在2020年年初對夏季峰荷預(yù)測的中位值870MW，負(fù)荷需求增幅明顯。
2）應(yīng)對新能源波動的靈活調(diào)節(jié)能力不足。8月14日，由于傍晚太陽落山導(dǎo)致光伏出力驟降，加州地區(qū)凈負(fù)荷（負(fù)荷減去新能源出力）從29783MW(中午13:30)迅速攀升至42240MW (傍晚18:55)，如圖3所示，意味著CAISO需要在約5h內(nèi)調(diào)出12457MW常規(guī)電源容量，以滿足地區(qū)電力供需平衡。而為了響應(yīng)加州SB 100清潔能源法案要求，作為主力電源的燃?xì)鈾C(jī)組大量退出運(yùn)行，當(dāng)天更是由于計(jì)劃檢修、故障停運(yùn)、燃料供應(yīng)等原因，燃?xì)鈾C(jī)組出力能力進(jìn)一步受限。加之，配套的儲能設(shè)施滯后，削弱了系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力，無法應(yīng)對新能源并網(wǎng)帶來的出力波動。
圖3 2020年8月14日加州負(fù)荷曲線
3）區(qū)域間電力協(xié)調(diào)互濟(jì)能力不足。加州電網(wǎng)接入美國西部電網(wǎng)，CAISO與周邊BAs實(shí)現(xiàn)電力交換，8月14日下午18:30停電前，加州系統(tǒng)的凈受入電力為6920MW，僅占當(dāng)時(shí)系統(tǒng)總負(fù)荷的15%，是2019年CAISO系統(tǒng)最大凈受入電力11 666MW的59%?？梢?，盡管CAISO在當(dāng)天已向周邊BAs尋求緊急支援，但由于區(qū)域間電力協(xié)調(diào)互濟(jì)能力不足，難以得到周邊BAs的充足電力支援，無法及時(shí)緩解缺電局面。
4）山火頻發(fā)導(dǎo)致調(diào)度更為謹(jǐn)慎。今年8月期間，加州地區(qū)歷經(jīng)了史上第二大山火災(zāi)害。由于山火覆蓋面積廣、歷經(jīng)時(shí)間長、影響范圍大，容易引發(fā)架空輸電線路群發(fā)性跳閘，且永久性故障居多。為降低大規(guī)模停電的風(fēng)險(xiǎn)，調(diào)度人員可能選擇了較為保守謹(jǐn)慎的切負(fù)荷措施，以保障電網(wǎng)安全運(yùn)行。
5）部分市場行為加劇供需緊張。8月14日和15日報(bào)價(jià)負(fù)荷與實(shí)際負(fù)荷的峰值偏差分別達(dá)到3386MW和3434MW，導(dǎo)致調(diào)度計(jì)劃安排不足，難以應(yīng)對實(shí)時(shí)市場上的負(fù)荷增長。此外，由于市場設(shè)計(jì)缺陷，在電力供應(yīng)緊張的情況下，加州日前市場的集中競價(jià)機(jī)制和余額容量市場行為反而釋放出支持更多外送電力的信號，進(jìn)一步加劇了市場供需緊張的局面。
04、對我國電力系統(tǒng)的啟示
1）電力系統(tǒng)應(yīng)適度超前發(fā)展，為經(jīng)濟(jì)社會提供有力保障。為了滿足負(fù)荷增長需求，與社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展增速相匹配，應(yīng)保證電源、電網(wǎng)建設(shè)適度超前發(fā)展，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)電源和電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展，避免因電力供應(yīng)不足或電網(wǎng)輸送能力不足而導(dǎo)致缺電、限電事件發(fā)生，造成經(jīng)濟(jì)損失和民眾生活不便。
2）構(gòu)建合理電源結(jié)構(gòu)，提升新能源接納能力。目前，我國靈活性電源占比較低，2019年底包括抽水蓄能、燃?xì)鈾C(jī)組在內(nèi)的靈活調(diào)節(jié)電源裝機(jī)僅占總電源裝機(jī)比重的6%。未來高比例新能源接入將對電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)能力提出極高的要求，需要在評估電力系統(tǒng)安全性及新能源接入承載力的基礎(chǔ)上，合理優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，建設(shè)必要規(guī)模的常規(guī)電源，配置足夠的靈活性調(diào)節(jié)電源，提升新能源消納能力，推動實(shí)現(xiàn)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型。
3）強(qiáng)化運(yùn)行備用管理，保障系統(tǒng)安全裕度。嚴(yán)格落實(shí)新版《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則(GB 38755—2019)》等標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于系統(tǒng)備用容量的要求，進(jìn)一步提高新能源出力預(yù)測和負(fù)荷預(yù)測的精度，統(tǒng)籌考慮新能源出力不確定、負(fù)荷特性、跨區(qū)跨省支援能力等因素，合理安排機(jī)組檢修、開機(jī)方式，科學(xué)制定發(fā)電計(jì)劃，充分保障系統(tǒng)安全運(yùn)行裕度。
4）深化需求側(cè)管理，提升系統(tǒng)平衡能力。隨著新能源占比持續(xù)攀升，傳統(tǒng)調(diào)節(jié)資源的調(diào)度空間越來越小，而與此同時(shí)，我國電網(wǎng)具有電動汽車、分布式儲能、智能樓宇空調(diào)、電采暖、工業(yè)園區(qū)等大量具備調(diào)節(jié)潛力的負(fù)荷資源。應(yīng)進(jìn)一步深化需求側(cè)管理，大力發(fā)展需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)，創(chuàng)新市場機(jī)制和商業(yè)模式，完善支持政策，提升電力系統(tǒng)平衡能力。
5）加大儲能發(fā)展力度，提升系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力。應(yīng)加大儲能發(fā)展力度，積極探索儲能應(yīng)用于新能源消納等場景的技術(shù)模式和商業(yè)模式，加快制定儲能相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮不同類型儲能的技術(shù)成熟度和經(jīng)濟(jì)性，統(tǒng)籌儲能規(guī)劃、建設(shè)及運(yùn)行，支撐提升新能源利用率和系統(tǒng)安全運(yùn)行水平。
6）高度重視電力系統(tǒng)安全，推動電力市場健康發(fā)展。我國電力系統(tǒng)堅(jiān)持統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理的體制機(jī)制，為大電網(wǎng)安全運(yùn)行提供了重要保障，近20年來還沒有發(fā)生過全網(wǎng)性大停電事故。當(dāng)前，我國電力市場化改革正穩(wěn)步推進(jìn)，在電力市場建設(shè)和能源轉(zhuǎn)型過程中，應(yīng)高度重視電力系統(tǒng)安全，加強(qiáng)市場化改革中的風(fēng)險(xiǎn)研究，推動電力市場健康發(fā)展。
7）防范嚴(yán)重自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，提升重大突發(fā)事件應(yīng)對能力。我國是世界上自然災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，臺風(fēng)、暴雨、冰災(zāi)等自然災(zāi)害對電力基礎(chǔ)設(shè)施造成大面積區(qū)域性破壞，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。應(yīng)從開展差異化規(guī)劃設(shè)計(jì)、災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警、加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)維、優(yōu)化運(yùn)行方式、災(zāi)后應(yīng)急處置等方面綜合施策、協(xié)同應(yīng)對，最大程度降低自然災(zāi)害對電網(wǎng)的沖擊和影響，不斷提升我國電力系統(tǒng)應(yīng)對各類重大突發(fā)事件的能力。
05、后續(xù)研究方向
目前CAISO正在對此次停電事件開展深入調(diào)查分析，預(yù)計(jì)年底將給出詳細(xì)的分析報(bào)告。后續(xù)將持續(xù)跟蹤停電事件分析，從中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為我國電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供借鑒參考。
參 文 格 式
何劍，屠競哲，孫為民，等．美國加州“8?14”、“8?15”停電事件初步分析及啟示[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2020，44(12)：4471-4478．
He Jian，Tu Jingzhe，Sun Weimin，et al．Preliminary analysis and lessons of California power outage events on August 14 and 15, 2020[J]．Power System Technology，2020，44(12)：4471-4478(in Chinese)．
相關(guān)文獻(xiàn)擴(kuò)展閱讀
California Independent System Operator，California Public Utilities Commission，California Energy Commission．Preliminary Root Cause Analysis — Mid-August 2020 Heat Storm[R/OL]．Folsom，USA：California ISO，October 6，202．http://www.caiso.com/Documents/ Preliminary-Root-Cause-Analysis-Rotating-Outages-August-2020.pdf．[2020-10-07]
California ISO．2020 Summer Loads and Resources assessment [R/OL]．Folsom，USA：California ISO，May 15，2020．http://www. caiso.com/Documents/2020SummerLoadsandResourcesAssessment.pdf．[2020-09-08]．
