翻譯 | 崔凱翔
編輯 | 蔡譯萱
10月6日，加州獨立系統(tǒng)調(diào)度運營商（CAISO）、加州公用事業(yè)委員會（CPUC）、加州能源委員會（CEC）三大能源機構(gòu)聯(lián)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(xù)性停電，根本原因是三家機構(gòu)在制定能源規(guī)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。
2020年8月14至19日，持續(xù)高溫天氣席卷美國西部地區(qū)。持續(xù)的極端高溫天氣令加州用電需求激增，導致電力需求超過正常水平。面對陡增的用電需求，加州電網(wǎng)不堪重負，出現(xiàn)輪流斷電，超過200萬加州居民體驗了一把“水深火熱”的8月。
輪流停電事故發(fā)生后，加州州長Gavin Newsom公開致信加州獨立系統(tǒng)運營商（CAISO）、加州公共公用事業(yè)委員會（CPUC）、加州能源委員會（CEC），要求三大能源機構(gòu)立即采取行動，盡量減少持續(xù)極端高溫天氣對電力運行的影響，并對現(xiàn)有的電力需求預測方法和電力資源保障進行全面審查。eo對這份加州停電的官方解讀做了歸納、摘要，服務(wù)讀者。
多重因素導致了8月14和15日停電事件
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。
首先是氣候變化引發(fā)的席卷美國西部的極端高溫風暴，導致電力需求超過了現(xiàn)有的電力資源規(guī)劃。現(xiàn)有的電力資源規(guī)劃并不能完全解決像8月中旬這樣的極端高溫風暴下的電力需求。
加州和美國西部其他地區(qū)在8月14日至8月19日期間遭遇了一場極端高溫風暴。在此期間，加州經(jīng)歷了自1985年以來8月最熱5天中的4天。其中8月14日是歷史上八月里第三熱的一天，8月15日是歷史上最熱的一天。此外，這場熱浪橫掃了美國整個西部地區(qū)，而加州有很大一部分電力供應依賴美國西部地區(qū)的電力進口。
圖1 1985至2020年各年8月日氣溫分布圖
據(jù)加州能源委員會分析，8月高溫是35年一遇的天氣事件。此外，新冠肺炎肆虐導致電力需求模式快速變化，這一變化是難以預料的。能源市場可以幫助彌補計劃和實時狀況之間的差距，但這場席卷美國西部的熱浪限制了能源市場的能力。
誘發(fā)停電的第二個主因是加州能源規(guī)劃的不當。目前，加州電力系統(tǒng)正由天然氣向太陽能、風力發(fā)電等“清潔”能源轉(zhuǎn)型，但能源規(guī)劃目標無法滿足激增的用電需求。這使得電力平衡供需變得更具挑戰(zhàn)性，極端高溫天氣又加劇了這些挑戰(zhàn)。
總之，州機構(gòu)未能對這類高溫事件進行充分的計劃，也未能指導電力供應商保障足夠的電力供應，以滿足晚上太陽能光伏不能出力時的需要。
通常情況下，發(fā)電容量充裕性機制（RA，resource adequacy）是圍繞單一的電力需求高峰設(shè)計的，也就是說，在出現(xiàn)負荷高峰時，需要有足夠的電力容量可用。然而，隨著近年來太陽能等在電力供應中比例的增加，情況已不再如此。僅要求發(fā)電容量充裕性滿足高峰負荷已不合時宜，目前需要其能夠滿足白天中多個關(guān)鍵時間點的負荷。例如凈負荷（Net Demand）高峰，（凈負荷是可再生能源范圍內(nèi)預期負荷和預期發(fā)電量之間的差額），通常日落之后，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電力減少，整個電網(wǎng)在夜間形成電力凈負荷高峰，呈現(xiàn)鴨子曲線（duck curve）。
盡管發(fā)電容量充裕性供應機制應該全天候地滿足負荷需求，但是，凈負荷高峰卻最難攻堅。隨著不同能源品種的發(fā)展，其他關(guān)鍵時刻的電網(wǎng)需求可能會在不同時間，季節(jié)或條件中顯現(xiàn)出來。
圖2為8月14和15日的負荷峰值和凈負荷峰值對比。8月14日，下午6時51分的凈負荷高峰為42237 MW，比下午4時56分的負荷峰值低4565 MW，而同期風能和太陽能發(fā)電量減少了5431 MW。負荷曲線（藍色）和凈負荷曲線（橙色）之間的差異在中午（大約上午10點到下午4點）最大，此時可再生能源發(fā)電量最高。
可以看出，輪流斷電與凈負荷峰值曲線高度吻合。在8月14日下午6:51的凈負荷高峰之前，CAISO宣布了第三階段緊急狀態(tài)。同樣，8月15日6點26分的凈負荷高峰兩分鐘之后，也就是下午6點28分，第三階段緊急情況隨之而來。
圖2 8月14日和15日的需求峰值和凈需求峰值對比圖
圖3為8月14日各發(fā)電資源在凈負荷高峰期間三個不同時間段的表現(xiàn)。其中，1400—2000MW的氣電被迫中斷，主要原因是極端高溫與缺電造成的。此外，還有400MW屬于計劃停電的氣電機組缺口沒有其他可替代電源。
而從美國西部地區(qū)其他州進口的外來電量，也比8月份資源充裕度所規(guī)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，因為在整個8月份，CAISO系統(tǒng)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。也因此，CAISO從西部平衡市場進口的實際電量低于其在資源充裕度供應計劃中所要求的進口電量。
圖3 8月14日18:51實際電力需求和各資源發(fā)電量
水電的發(fā)電量與8月凈合格容量(net qualifying capacity NQC，即RA要求的裝機容量)一致，而根據(jù)RA合同競標的水電裝機容量僅相當于8月份RA所要求的90%。但是，實時發(fā)電量可能高于或低于這一數(shù)值。因此，發(fā)電充裕性供應計劃中機組的實際發(fā)電量可能與CAISO所收到的報告數(shù)值有出入。
從太陽能發(fā)電和風電來看，8月14日和15日，凈負荷高峰期間的實際發(fā)電能力分別減少了1200MW(40%)和1000MW(35%)。其中風電在8月14和15日凈負荷高峰期間的實際發(fā)電量分別減少了640MW(57%)和230MW(20%)。
第三個主要原因是日前市場的一些市場規(guī)則加劇了電源的供應緊張。
8月14日和15日，CAISO電網(wǎng)的緊張狀況本應得到緩解，但一些電力市場的設(shè)計規(guī)則似乎導致電網(wǎng)無法獲得額外電源。主要原因包括：調(diào)度人員對日前市場的需求安排不足；集中競價掩蓋了供應緊張的情況；以及剩余機組組合（RUC）在市場中配置不合理等原因。
圖7所示。在凈負荷高峰期間，8月14日和15日的調(diào)度缺口分別為1792兆瓦和3219兆瓦。調(diào)度調(diào)度協(xié)調(diào)員對負荷的預測和調(diào)度安排不足，對電力運行產(chǎn)生了不利影響，即沒有建立適當?shù)碾娔芰渴袌鰜矸从畴娏Φ膶嶋H需求。
圖7 實際負荷、CAISO負荷預測、負荷競價的比較
此外，加州電力市場的日前和實時市場中的集中競價機制也在一定程度上推波助瀾。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(fā)揮著重要作用。而當電力供應不足時，這種機制的內(nèi)部相互作用反而會影響正常的電源供應能力。
同時，加州日前市場由三個連續(xù)運行的市場流程組成，包括市場力緩解（Market Power Mitigation，MPM）、統(tǒng)一遠期市場（Integrated Forward Market，IFM）和剩余機組組合（Residual Unit Commitment，RUC）三個環(huán)節(jié)。其中，剩余機組組合流程指定了第二天所需的額外發(fā)電機組，要求其必須準備好發(fā)電。在分析8月14日的事件后，監(jiān)管機構(gòu)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行的市場設(shè)計反而導致CAISO在剩余機組組合這一環(huán)節(jié)掩蓋了負荷調(diào)度不足的情況，發(fā)出的市場信號支持更多電力出口，導致實際供需狀況繼續(xù)偏離市場和緊急情況電力需求。
為緩解8月電力供應緊張所采取的行動
雖然8月14和15日是本初步分析報告的主要焦點，但由于這兩天發(fā)生了輪番停電，如不采取行動，預計8月17至19日的供應短缺情況會嚴重得多。加州系統(tǒng)運營商主要采取了倡導節(jié)約用電、提高環(huán)保意識、減小電量需求、增加電源供應能力等手段來保障8月17至8月19日的電力供應。
針對停電試件提出的初步建議
報告還對加州電源規(guī)劃、采購和市場實踐方面的近期和長期改進提供了建議。這些行動旨在確保加州能夠持續(xù)、加速向可靠、清潔和負擔得起的能源系統(tǒng)的過渡。建議立即采取以下行動，以確保2021年及以后的電力供應的可靠性：
更新電力資源和可靠性規(guī)劃目標，以更好地考慮：
a.熱浪和其他由氣候變化引起的極端事件；
b.轉(zhuǎn)變電源組合，確保加州在電網(wǎng)需求激增的關(guān)鍵時刻也能滿足清潔能源目標；
確保加州目前正在建設(shè)的發(fā)電和儲能項目在預定的運行日期前完成；
加快電力監(jiān)管和采購流程，以運行到2021年可以上線的額外電源。還可以補充已經(jīng)在建的電源；
協(xié)調(diào)CPUC管轄之外的電源采購；
提升CAISO的市場運營水平，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。
參考鏈接：
http://www.caiso.com/Documents/Preliminary-Root-Cause-Analysis-Rotating-Outages-August-2020.pdf
專有名詞表：
Resource=電源
RA，resource adequacy=發(fā)電容量充裕性
Net Demand=凈負荷，not “凈需求”
Convergence Bidding=集中競價
能源生產(chǎn)=發(fā)電能力
欠調(diào)度=調(diào)度缺口
bid in demand=負荷競價
Residual Unit Commitment=剩余機組組合
Storage=儲能
