中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
席云華 饒志 孫思揚(yáng) 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(dòng)電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型方面積累了不少經(jīng)驗(yàn)，尤其是在太陽能等新能源發(fā)展方面引領(lǐng)美國。本文在分析加州電力發(fā)展概況的基礎(chǔ)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(shí)際情況，總結(jié)其新能源發(fā)展的政策機(jī)制、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(yùn)行商（CAISO）、西部電力協(xié)調(diào)委員會(huì)（WECC）和北美電力可靠性公司（NERC）三家機(jī)構(gòu)管理。CAISO是加州電力市場的運(yùn)營主體和加州電網(wǎng)的調(diào)度中心，同時(shí)還負(fù)責(zé)評估及審批加州電網(wǎng)的擴(kuò)展計(jì)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(jī)為8080萬千瓦，其中氣電裝機(jī)3941萬千瓦，約占電源總裝機(jī)的49%，煤電/油電裝機(jī)占0.6%，核電裝機(jī)占3%；可再生能源裝機(jī)3806萬千瓦，占47%，儲(chǔ)能容量49萬千瓦。CAISO電源裝機(jī)及結(jié)構(gòu)見圖1。
可再生能源中，水電裝機(jī)1404萬千瓦，公共事業(yè)級太陽能發(fā)電裝機(jī)1399萬千瓦，均占電源總裝機(jī)的17%。若再考慮接入配電網(wǎng)的太陽能，太陽能發(fā)電實(shí)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(fēng)電裝機(jī)598萬千瓦，占電源總裝機(jī)的7.4%，生物質(zhì)、地?zé)岷蛷U熱裝機(jī)404萬千瓦，占電源總裝機(jī)的5%。風(fēng)光裝機(jī)合計(jì)1997萬千瓦，占電源總裝機(jī)的25%。
圖1 CAISO電源裝機(jī)及結(jié)構(gòu)
（2）電源裝機(jī)容量充裕度
2020年底，CAISO系統(tǒng)傳統(tǒng)電源裝機(jī)5629萬千瓦，約占電源總裝機(jī)的70%。若以風(fēng)光裝機(jī)為基數(shù)進(jìn)行比較，傳統(tǒng)電源裝機(jī)是風(fēng)光裝機(jī)的2.8倍，其中氣電裝機(jī)為2.0倍，水電裝機(jī)為0.7倍，核電裝機(jī)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(jī)4477萬千瓦，占傳統(tǒng)電源裝機(jī)的80%。靈活性電源裝機(jī)為風(fēng)光裝機(jī)的2.3倍，意味著CAISO系統(tǒng)中每1萬千瓦風(fēng)光裝機(jī)，相應(yīng)配備有2.3萬千瓦的靈活性電源作為配合。
（4）電力供應(yīng)充裕度
2020年CAISO最大負(fù)荷為4712萬千瓦。若以最大負(fù)荷為基數(shù)進(jìn)行比較，州內(nèi)傳統(tǒng)電源裝機(jī)為最大負(fù)荷的1.2倍，進(jìn)口電力峰值約1000萬千瓦，約為最大負(fù)荷的0.21倍。傳統(tǒng)電源加上進(jìn)口電力的支撐比最大負(fù)荷高41%，是系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。
圖2 CAISO電源配置和最大負(fù)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(lì)性政策
加州政策制定者設(shè)定可再生能源發(fā)展的中長期目標(biāo)，實(shí)施可再生能源配額制（RPS），并出臺配套機(jī)制協(xié)助電力公司完成目標(biāo)。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(biāo)改為2010年占比20%；2011年目標(biāo)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(yùn)行。加州公用事業(yè)委員會(huì)（CPUC）和加州能源委員會(huì)（CEC）負(fù)責(zé)RPS政策制定和實(shí)施。太陽能自發(fā)自用項(xiàng)目可獲得政府補(bǔ)貼或稅收抵免的優(yōu)惠，這些激勵(lì)支持性政策有力地促進(jìn)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(biāo)
數(shù)據(jù)來源：張欽《美國加州可再生能源發(fā)展經(jīng)驗(yàn)與實(shí)踐》及公開資料。
表1 州政府能源主管部門的職責(zé)分工
（2）電力系統(tǒng)資源充足性規(guī)劃機(jī)制
CAISO電網(wǎng)規(guī)劃研究部門根據(jù)RPS目標(biāo)，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(yù)測出凈負(fù)荷曲線（凈負(fù)荷=負(fù)荷-風(fēng)光發(fā)電出力）將變?yōu)椤傍喿印鼻€（見圖4），進(jìn)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(quán)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(fù)荷服務(wù)商（LSE）制定資源充足性采購義務(wù)。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(yùn)行數(shù)據(jù)，負(fù)荷服務(wù)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(huì)（CEC）提供每小時(shí)的負(fù)荷預(yù)測、新能源的預(yù)期出力和安裝信息。CAISO據(jù)此預(yù)測：下一年每分鐘凈負(fù)荷曲線、每月三小時(shí)爬坡凈負(fù)荷斜率、應(yīng)急儲(chǔ)備需求等，計(jì)算總靈活性容量需求及各負(fù)荷服務(wù)商（LSE）對該需求的相對貢獻(xiàn)，并將靈活性容量需求分配給各地方監(jiān)管機(jī)構(gòu)（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(jī)構(gòu)（LRA）負(fù)責(zé)平衡所在區(qū)域的負(fù)荷。資源充足性規(guī)劃職責(zé)分工和基本流程見圖5所示。
圖5 資源充足性規(guī)劃職責(zé)分工和基本流程
資源充足性規(guī)劃體系下，各責(zé)任主體職責(zé)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(xiàng)目的實(shí)施可確保系統(tǒng)有足夠的能力可靠運(yùn)行電網(wǎng)，并為新資源的選址和建設(shè)提供激勵(lì)。
03
如何運(yùn)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(shí)在2000-2300h，與我國新疆、內(nèi)蒙古地區(qū)相當(dāng)。圖6為夏季和春季典型日風(fēng)電、太陽能出力曲線。太陽能日間出力在11時(shí)-13時(shí)達(dá)到最大，夏季峰值能達(dá)到裝機(jī)容量的80%，春季峰值為裝機(jī)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(shí)長大于春季。從太陽能出力占負(fù)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(fù)荷的48%，夏季出力峰值約占負(fù)荷的39%。
風(fēng)電日間出力在22時(shí)-23時(shí)達(dá)到最大，夏季峰值能達(dá)到裝機(jī)容量的54%，春季峰值為裝機(jī)容量的62%。春季出力峰值為360萬千瓦。地?zé)岷蜕镔|(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(fù)荷特性
由于屋頂光伏不斷增長抵消了部分負(fù)荷，近年來CAISO負(fù)荷峰值未明顯增長。圖7為各季節(jié)負(fù)荷曲線。年度負(fù)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(fù)荷在16-20時(shí)達(dá)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(fù)荷曲線
（3）凈負(fù)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(fù)荷、凈負(fù)荷曲線。日凈負(fù)荷曲線有早、晚兩個(gè)高峰，14時(shí)為低谷，春季峰谷差為1400萬千瓦，系統(tǒng)需大量的靈活機(jī)組來維持實(shí)時(shí)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(shí)段，氣電、進(jìn)口電力和水電等電源提供基礎(chǔ)負(fù)荷，在太陽能發(fā)電時(shí)則減少出力以平衡電力供需波動(dòng)，氣電、進(jìn)口電力擔(dān)當(dāng)著加州電網(wǎng)“穩(wěn)定器”的角色。
圖8 2020年春季典型日負(fù)荷和電源出力曲線
a) 負(fù)荷與凈負(fù)荷
圖片 b) 電源出力
圖9為2020年各月最大3小時(shí)凈負(fù)荷斜坡，可以發(fā)現(xiàn)，夏季3小時(shí)斜坡低于其他季節(jié)，原因與夏季高峰負(fù)荷時(shí)刻前移至下午，光伏發(fā)電具有一定的正調(diào)峰特性有關(guān)。12月最大3小時(shí)凈負(fù)荷斜坡為1600萬千瓦，與全部太陽能出力峰值相當(dāng)?？傮w來說，充裕靈活的發(fā)電能力是CAISO系統(tǒng)可靠運(yùn)行的其中一大關(guān)鍵。
圖9 2020年各月最大3小時(shí)凈負(fù)荷斜坡
04
加州電網(wǎng)的隱憂
盡管目前傳統(tǒng)電源裝機(jī)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(bǔ)缺口，短期來看只能依靠增加電力進(jìn)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(dān)著為系統(tǒng)提供靈活性的任務(wù)，角色尷尬。且由于缺乏容量市場等激勵(lì)機(jī)制，發(fā)電商增加氣電裝機(jī)容量的動(dòng)力不足，部分機(jī)組可能將提前停運(yùn)，氣電發(fā)電能力不足將削弱系統(tǒng)應(yīng)對短時(shí)間內(nèi)供需大幅波動(dòng)的能力，降低電網(wǎng)運(yùn)行可靠性。
（3）電力進(jìn)口存在較大不確定性
受輸電網(wǎng)擁塞、西部電網(wǎng)負(fù)荷走高等因素影響，加州可進(jìn)口的電力資源存在不確定性。
05
結(jié)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(yùn)行的關(guān)鍵
一是傳統(tǒng)電源應(yīng)保持足夠的頂峰支撐能力。加州的傳統(tǒng)電源和進(jìn)口電力的發(fā)電能力是年度最大負(fù)荷的1.4倍，是系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。我國用電規(guī)模體量大，安全可靠供電對維持經(jīng)濟(jì)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(diǎn)，并考慮一定備用，建議傳統(tǒng)電源發(fā)電能力應(yīng)不小于最大負(fù)荷的120%。二是靈活性電源配置應(yīng)與凈負(fù)荷爬坡需求相適應(yīng)。加州風(fēng)電日出力波動(dòng)性不強(qiáng)、占負(fù)荷的比例低，最大凈負(fù)荷爬坡容量與太陽能出力峰值相當(dāng)。我國不同地區(qū)凈負(fù)荷特性不盡相同，需要根據(jù)對象本身的特點(diǎn)進(jìn)行分析確定。應(yīng)基于凈負(fù)荷的最大爬坡容量需求及小時(shí)級別變化率，考慮一定的儲(chǔ)備來配置靈活性電源，靈活性電源調(diào)節(jié)能力應(yīng)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(shí)，推動(dòng)傳統(tǒng)電源多元化發(fā)展
加州激進(jìn)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(yàn)教訓(xùn)，建議我國在構(gòu)建多元化電力供應(yīng)體系，在提升新能源占比的同時(shí)，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(jī)比例控制在均衡合理的范圍，提升電力系統(tǒng)抗風(fēng)險(xiǎn)能力。
（3）加強(qiáng)可再生能源發(fā)展消納政策機(jī)制研究
不同于加州RPS政策可再生能源消納目標(biāo)的長期指引性和約束力特征，我國目前實(shí)施的可再生能源電力消納保障機(jī)制設(shè)定的是近期消納目標(biāo)，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(qiáng)配套政策機(jī)制研究，完善配套政策機(jī)制。
（4）加強(qiáng)電力系統(tǒng)資源規(guī)劃及機(jī)制研究
電力系統(tǒng)資源充足性規(guī)劃是一項(xiàng)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(yùn)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(zé)任主體職責(zé)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(xiàng)目的實(shí)施可確保系統(tǒng)有足夠的能力可靠運(yùn)行電網(wǎng)。目前我國電力系統(tǒng)規(guī)劃在實(shí)踐中存在約束性和指導(dǎo)作用偏弱，系統(tǒng)性有待加強(qiáng)，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(jī)制難以適應(yīng)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(yàn)，并結(jié)合我國的具體國情，加強(qiáng)中長期資源充足性規(guī)劃研究，完善規(guī)劃機(jī)制。
