加州停電事件啟示:能源安全應注重應對不確定性

發布時間: 2020-11-20 14:12:04   來源:南方電網報  作者:劉文慧 韓曉彤 崔凱翔

  2020年8月14至19日,持續高溫天氣席卷美國西部地區,加州用電需求激增,超過正常水平。面對陡增的用電需求,加州電網不堪重負,不得不輪流斷電,超過300萬戶家庭生活受到影響。

  近日,加州獨立系統調度運營商(CAISO)、加州公用事業委員會(CPUC)、加州能源委員會(CEC)三大能源機構聯合公布了加州8月中旬停電事件初步分析報告。報告指出,加州遭遇近20年來首次連續性停電,根本原因是三家機構在制定能源規劃時沒有考慮到氣候變化,也沒有安排好合適的電源在日落后保持供電。

  20年前,眾多因素把加州電力推向了危機

  加州以可再生電源供電占比高而出名,截至2019年底,加州光伏的裝機容量為27400兆瓦,發電量占比近20%,包括大量居民屋頂太陽能發電設備的供電,這也曾是“全美的驕傲”。

  停電事件引發各國電力同行思考,在大力發展可再生能源的同時,發電結構、電網、電力市場機制該如何完善,才能更好應對未來的不確定性,成為關注的焦點。

  8月14日清晨6:54,美國加州不少居民的手機收到這么一條短信:“PG&E電力公司提示:本次停電包括644號在內1739名用戶。預計8月14日晚上九點恢復正常。我們將持續為您發送停電預警信息。”

  人們沒想到的是,這只是一個開始。這種情形令人想起20年前同樣發生在加州的停電事件。2000年夏天,同樣在高溫天氣影響下,加州就曾遭遇一電力危機。

  PG&E電力公司在2003年發布的報告曾對之進行分析,電力市場結構存在不足、電力基礎設施建設不足等因素共同導致2000年加州電力危機的出現。

  “電力批發過于依賴現貨市場,監管政策也大力支持公用事業公司出售其化石燃料的發電設施,但不鼓勵通過長期合同鎖定穩定的電力批發價格。”報告寫道,“此外由于電力零售價格被凍結,這意味著隨著電力批發價格的上漲,已無法轉移到消費者身上,從而并不能促使他們減小電力需求。”

  報告亦指出,加州電力傳輸基礎設施建設及傳輸能力并未跟上電力負荷的增長,特別是在加州主要的南北走廊一帶,即使到2030年,預計加州輸電系統輸電能力在未來十年的增長率也只有0.5%。類似的還有天然氣供應,加州天然氣需求上漲,但天然氣開發卻因環境政策影響而擱置,更多依賴外來氣。

  在這其中,安然(Enron)等公司的能源交易員還利用當時電力市場的設計缺陷,“截留”電力,賺取暴利。眾多因素一起,把加州電力推向了危機。

  20年后,加州能源規劃不當是重要原因

  那么,20年后,加州電力情況發生了怎樣的改變?為何危機再次出現?

  10月份,三大能源機構聯合公布了2020年加州停電事件初步分析報告。報告指出,此次輪流斷電并非是單一因素造成的,而是多重因素造成的。三家能源機構制定能源規劃時沒有考慮到氣候變化,而在日落后供電上沒有做好足夠的電力供應保障。

  席卷美國西部的極端高溫風暴,是由氣候變化引發的,而這直接導致電力需求超過了加州現有的電力資源規劃。而且,這場熱浪橫掃了美國整個西部地區,加州有很大一部分電力供應依賴美國西部地區的電力進口。如果加州仍保有目前的電力供應能力,未來類似的風險依然將毫無反抗之力。

  加州能源規劃不當,則是電力供應能力不足的重要原因。目前,加州電力系統正由天然氣向太陽能、風力發電等“清潔”能源轉型,但能源規劃目標無法滿足激增的用電需求。

  太陽能等在電力供應中比例的增加,導致僅要求發電容量充裕性滿足高峰負荷已不合時宜,電力系統需要能滿足白天中多個關鍵時間點的負荷。舉個例子,通常日落之后,光伏發電系統輸出電力減少,整個電網在夜間形成電力凈負荷高峰,呈現鴨子曲線(duckcurve),如何保障夜間供電,成為挑戰。

  凈負荷高峰卻最難攻堅。隨著不同能源品種的發展,其他關鍵時刻的電網需求可能會在不同時間、季節或條件中顯現出來。

  事實上,2000年加州電力危機的老問題在今年又一次出現。報告指出,從美國西部地區其他州進口的外來電量,也比8月份資源充裕度所規定的電量少約330兆瓦,分析顯示,這可能是由于太平洋西北部的輸電限制所致。CAISO系統上游的一條主要輸電線路由于天氣原因被迫中斷,從而降低了加州俄勒岡州互連輸電線路(COI)的傳輸能力,這一阻塞致使CAISO的傳輸能力降低約650兆瓦。

  電力市場設計規則的缺陷也在危機中暴露。其中,加州電力市場的日前和實時市場中的集中競價機制導致錯誤市場信號發出。

  在正常情況下,當電力供應充足時,集中競價對次日負荷和電源平衡方面發揮著重要作用。而當電力供應不足時,這種機制的內部相互作用反而會影響正常的電源供應能力。

  在分析8月14日的事件后,監管機構發現現行的市場設計反而導致CAISO在剩余機組組合這一環節掩蓋了負荷調度不足的情況,發出的市場信號支持更多電力出口,導致實際供需狀況繼續偏離市場和緊急情況電力需求。

  應將熱浪等極端事件考慮在內

  針對停電事件的教訓,報告對加州電源規劃、采購和市場實踐方面的近期和長期改進提供了建議,以確保2021年及以后的電力供應的可靠性。

  報告建議,在修改電力資源和可靠性規劃目標時,應該將熱浪和其他由氣候變化引起的極端事件考慮在內,轉變電源組合,確保加州在電網需求激增的關鍵時刻也能滿足清潔能源目標。加大電源采購和建設也是建議之一,對于在建的發電設施和儲能項目,應跟進工期,確保在預定運行日期前完成。此外,CAISO的市場運營水平需要得到提升,確保能夠準確反映實際的供求平衡并滿足在電力緊張條件下的用電需求。

  在全球綠色發展聯盟會長張曉楓看來,需求響應將成為美國智能電網的高優先級功能之一,同時也是未來應對類似加州停電事件的重要利器。

  目前,美國聯邦能源管理委員會FERC制定了一項關于基于需求響應的國家行動計劃,認為更廣泛地使用需求響應可以減少峰值需求。儲能發展將保護在電壓降低(CVR)時可以作為備用資源。而智能電網、智能電表等都將在需求側響應中發揮重要作用。

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