中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：2024年4月8日，北美多地出現(xiàn)日全食。日全食首先出現(xiàn)在南太平洋上空的墨西哥，再進(jìn)入美國(guó)得克薩斯州（以下簡(jiǎn)稱“得州”），隨后向東北方向移動(dòng)，從緬因州進(jìn)入加拿大。
日食發(fā)生時(shí)，到達(dá)地面的太陽(yáng)總輻射會(huì)衰減，從而影響光伏出力。當(dāng)月球完全擋住太陽(yáng)光時(shí)會(huì)出現(xiàn)日全食，日全食一般在途經(jīng)的地方持續(xù)幾分鐘，日偏食則可能持續(xù)幾小時(shí)。
日食所引發(fā)的光伏出力異常波動(dòng)可能威脅電網(wǎng)可靠運(yùn)行。為應(yīng)對(duì)此次日全食，北美各地電網(wǎng)提前準(zhǔn)備，日食期間未發(fā)生停電或其他故障。
日食期間美國(guó)電力系統(tǒng)經(jīng)歷了什么
美國(guó)能源信息署（EIA）的數(shù)據(jù)顯示，此次日全食期間美國(guó)超過6.5吉瓦集中式光伏電站無法出力。美國(guó)全境經(jīng)歷了不同程度的日照限制，全國(guó)約84.8吉瓦（集中式和分布式）的光伏全部或部分受到影響。
分區(qū)域看，得州電網(wǎng)受日全食影響最顯著。EIA在日食前估算了美國(guó)各地集中式光伏電站的電量損失，結(jié)果顯示，得州的光伏電站受影響最大，約17吉瓦，損失的電量比重高達(dá)90%—99%。加州大部分地區(qū)都處于部分遮擋范圍內(nèi)，光伏發(fā)電量減少40%—59%，但加州的集中式和分布式裝機(jī)規(guī)模都很大，因此對(duì)電網(wǎng)沖擊也較大。PJM電網(wǎng)將約有4.8吉瓦集中式光伏受到影響，美國(guó)中西部大陸電網(wǎng)（MISO）受日食影響可能相對(duì)較小，僅4吉瓦集中式光伏有發(fā)電量損失。
得州電力可靠性委員會(huì)（ERCOT）的網(wǎng)站顯示，4月8日得州天氣晴朗，美國(guó)中部時(shí)間下午12：20到1：25之間，日全食出現(xiàn)，光伏發(fā)電出力陡然下降，集中式光伏出力從13.5吉瓦暴跌至1.3吉瓦。電力供需不均衡會(huì)危及電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，凈負(fù)荷（凈負(fù)荷=實(shí)際負(fù)荷－可再生能源出力）的迅速變化給系統(tǒng)帶來了巨大的爬坡壓力。
日食期間，屋頂光伏用戶也無法自給自足，系統(tǒng)總負(fù)荷相應(yīng)增加。下午3：07日食結(jié)束時(shí)，電網(wǎng)恢復(fù)了正常運(yùn)行，但這時(shí)光伏電量猛增。ERCOT數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)日下午4點(diǎn)光伏出力反彈至平均每小時(shí)12吉瓦，系統(tǒng)總負(fù)荷也相應(yīng)下降。
最初，ERCOT調(diào)用了約2.5吉瓦儲(chǔ)能滿足系統(tǒng)需求，隨后又增加氣電機(jī)組。氣電出力水平從19吉瓦升至27吉瓦，是調(diào)峰的主力電源。核電和煤電出力基本維持穩(wěn)定，略低于11吉瓦，其余電量由風(fēng)電、水電等其他電源提供。為保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，儲(chǔ)能和部分聯(lián)合循環(huán)氣電機(jī)組還為系統(tǒng)提供了調(diào)頻和運(yùn)行備用等輔助服務(wù)。
圖1：得州電力可靠性委員會(huì)事前對(duì)4月8日全食光伏出力情況預(yù)測(cè)
來源：ERCOT
日食期間系統(tǒng)凈負(fù)荷迅速變化，令得州電力現(xiàn)貨市場(chǎng)實(shí)時(shí)價(jià)格波動(dòng)明顯。如圖2所示，日食前實(shí)時(shí)電價(jià)為50美元/兆瓦時(shí)。隨著光伏發(fā)電量的下降，系統(tǒng)轉(zhuǎn)而調(diào)用其他邊際價(jià)格較高的電源，日食期間電價(jià)迅速飆升至870美元/兆瓦時(shí)，隨后下降到500美元/兆瓦時(shí)。日食結(jié)束后電價(jià)恢復(fù)至平時(shí)的水平。
圖2：4月8日得州電力現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)
來源：ERCOT
如何預(yù)判日全食的影響
據(jù)北美電力行業(yè)資深專家介紹，評(píng)估日食對(duì)電力系統(tǒng)的影響時(shí)，既要考慮當(dāng)?shù)毓夥l(fā)電的占比，還要考慮日食當(dāng)天的天氣狀況。在光伏占比高的地區(qū)，日食對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響較大。天氣晴朗時(shí)，日食對(duì)光伏出力影響較為明顯；陰天時(shí)則影響較小。
以加拿大某省為例，光伏發(fā)電僅占該省發(fā)電量的1%。該省天氣晴朗時(shí)的光伏出力約4000兆瓦。據(jù)當(dāng)?shù)仉娏臉I(yè)者介紹，由于該省日全食當(dāng)天是陰天，光伏出力僅1700兆瓦，日全食則進(jìn)一步將光伏出力水平減少至400兆瓦。而在美國(guó)得州，集中式光伏裝機(jī)容量達(dá)22258兆瓦，是得州的第二大電力來源，僅次于天然氣發(fā)電，日全食前光伏發(fā)電量占該地區(qū)總發(fā)電量約25%。EIA的數(shù)據(jù)顯示日全食當(dāng)天得州天氣晴朗，光伏出力較往常減少約8900兆瓦。
前述專家認(rèn)為，一般來說，天氣陰晴比日食對(duì)電力系統(tǒng)的影響更大更長(zhǎng)久。這是由于日食的發(fā)生時(shí)間和經(jīng)過路徑通常提前幾年便可預(yù)測(cè)，且預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度很高，因此，日食期間光伏出力預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率也相對(duì)較高，系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商有充足的時(shí)間做預(yù)案。而傳統(tǒng)氣象預(yù)測(cè)偏差大，尤其是陰晴不定的天氣對(duì)光伏出力預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率影響很大。
另外，日食持續(xù)時(shí)間短，對(duì)電網(wǎng)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)、破壞性更強(qiáng)和更難預(yù)測(cè)的冰凍、雨雪等極端天氣對(duì)電網(wǎng)的影響。
分布式光伏占比也是一項(xiàng)考慮因素，占比高的地區(qū)受影響更大。首先，日食期間分布式光伏電量銳減，自發(fā)自用的戶用分布式光伏用戶對(duì)主網(wǎng)的用電需求增加，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商需要調(diào)用其他機(jī)組保障電力供應(yīng)。待日全食結(jié)束，光伏很快又能發(fā)電，這類用戶對(duì)主網(wǎng)的用電需求下降，這時(shí)大量集中式光伏也具備發(fā)電條件，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商需要快速關(guān)停部分機(jī)組，避免大量光伏發(fā)電涌入系統(tǒng)影響系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。
“如果某地多是集中式光伏，電網(wǎng)可提前安排受日食影響較重地區(qū)的光伏電站停運(yùn)或降低功率運(yùn)行，避免光伏發(fā)電大規(guī)?？焖俨▌?dòng)。但電網(wǎng)無法調(diào)控位于表后的分布式光伏，戶用光伏通常應(yīng)發(fā)盡發(fā)”，上述專家解釋。
不過他同時(shí)指出，未來隨著儲(chǔ)能的增加，戶用分布式光伏發(fā)電對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊會(huì)減小。目前北美多地都計(jì)劃大規(guī)模部署儲(chǔ)能，儲(chǔ)能是目前應(yīng)對(duì)短時(shí)間供電不足和快速爬坡需求最好的手段。例如，美國(guó)紐約州計(jì)劃到2030年部署6吉瓦儲(chǔ)能，提高系統(tǒng)靈活性。而且，與戶用光伏配套的儲(chǔ)能也在快速擴(kuò)張，日食期間儲(chǔ)能放電亦可供應(yīng)至少兩小時(shí)電力，減小電網(wǎng)平衡壓力。
電網(wǎng)如何提前應(yīng)對(duì)
為了應(yīng)對(duì)日食期間光伏出力迅速下降和提升，電網(wǎng)通常提前十幾天開始準(zhǔn)備預(yù)案抵御沖擊，并在日食臨近前幾天根據(jù)天氣預(yù)報(bào)進(jìn)行具體部署。
據(jù)電力系統(tǒng)相關(guān)專家介紹，北美電網(wǎng)應(yīng)對(duì)日食的預(yù)案通常包含6種方式。
首先是增加運(yùn)行備用。在北美，運(yùn)行備用通常是指事故備用，分為旋轉(zhuǎn)備用和非旋轉(zhuǎn)備用，是為了應(yīng)對(duì)系統(tǒng)出現(xiàn)一些預(yù)期之外的變化（如某些機(jī)組突然出現(xiàn)故障無法出力）而預(yù)留的發(fā)電空間，可有效管理小型瞬時(shí)供需失衡和涉及供需的大型意外突發(fā)事件。同時(shí)，因?yàn)檫\(yùn)行備用的增加，備用和能量的聯(lián)合優(yōu)化也可以產(chǎn)生更多的機(jī)組組合方案，為電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行提供更多的爬坡能力。
第二是增加調(diào)頻服務(wù)。如果機(jī)組出力無法跟上電網(wǎng)負(fù)荷的增長(zhǎng)，系統(tǒng)頻率就會(huì)偏離正常值，系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商通過調(diào)速系統(tǒng)、自動(dòng)功率控制等方式，調(diào)整有功出力減少頻率偏差，應(yīng)對(duì)瞬時(shí)故障等異常情況。
第三是保證快速啟動(dòng)機(jī)組及時(shí)調(diào)動(dòng)?？焖賳?dòng)機(jī)組是指可在5分鐘到半小時(shí)內(nèi)能并網(wǎng)運(yùn)行的機(jī)組，如電池儲(chǔ)能、抽水蓄能、單循環(huán)燃?xì)鈾C(jī)組，可在系統(tǒng)需要時(shí)隨時(shí)上線。
第四是提前調(diào)度慢啟動(dòng)機(jī)組。如燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組需要提前70—90分鐘預(yù)熱才能讓機(jī)組達(dá)到最小出力水平，屬于慢啟動(dòng)機(jī)組，需要電網(wǎng)提前下發(fā)調(diào)度指令。
第五是調(diào)度集中式光伏發(fā)電。提前安排受影響較重地區(qū)的大型光伏電站停運(yùn)或降低功率運(yùn)行，避免光伏發(fā)電功率的大規(guī)?？焖俨▌?dòng)。
第六是減少負(fù)荷，如通過需求側(cè)響應(yīng)和降低聯(lián)絡(luò)線外送功率等方式，減小電網(wǎng)壓力，提高電力系統(tǒng)抵御沖擊的能力。
這次日全食期間，各地的負(fù)荷和發(fā)電預(yù)測(cè)水平普遍較高，沒有發(fā)生停電或其他故障。
根據(jù)測(cè)算，2026年8月12日還將發(fā)生一次日全食，屆時(shí)將經(jīng)過格陵蘭島、冰島、西班牙、俄羅斯和葡萄牙的一小部分地區(qū)，而歐洲、非洲和北美的部分地區(qū)將經(jīng)歷日偏食。未來兩年西班牙、葡萄牙光伏裝機(jī)增長(zhǎng)迅猛（兩國(guó)2030年的光伏裝機(jī)目標(biāo)分別為76吉瓦、20.4吉瓦），預(yù)計(jì)8月的日偏食將對(duì)兩地電力系統(tǒng)運(yùn)行造成較大影響。
