美國加利福尼亞州(簡稱加州)在能源領(lǐng)域的改革和電力市場的建設(shè)方面引領(lǐng)著美國甚至世界的潮流，也正因如此，其進展?fàn)顩r備受世界輿論的高度關(guān)注。
20年前，發(fā)生在美國西部能源危機——即廣為人知、震驚世界的加州電力危機，其嚴(yán)重的后果令人們至今心有余悸；危機發(fā)生的原因和總結(jié)出的經(jīng)驗，也值得業(yè)內(nèi)警醒和借鑒。近20年后的2020年8月14-15日，加州因電力運行儲備不足等多重因素，導(dǎo)致部分地區(qū)因備用不足發(fā)生輪流停電的事件，又一次讓加州電力陷入“危機”疑云。
根據(jù)官方公布的報告顯示：“停電沒有單一的根本原因，而是一系列因素導(dǎo)致了這種緊急情況的發(fā)生?！薄F(xiàn)有規(guī)劃設(shè)計并未考慮到極端氣候、資源規(guī)劃目標(biāo)沒有能跟上能源轉(zhuǎn)型的步伐；以及日前能量市場的一些做法加劇了高度緊張條件下的供應(yīng)挑戰(zhàn)，成為繼此次輪流停電發(fā)生之后加州電力系統(tǒng)改進方向的依據(jù)。
毫無疑問的是，加州有著全美國，甚至是全世界最具“野心”的可再生能源整合計劃。導(dǎo)致此次輪流停電事件的發(fā)生，有多少權(quán)重應(yīng)該歸因于“激進”的能源政策？此次“輪停”事件發(fā)生之后，又帶給正處于能源轉(zhuǎn)型初期和電力市場建設(shè)蓬勃期的我國何種可供參考的有益經(jīng)驗？帶著這些問題，本刊特專訪長期定居海外，曾參與加州獨立系統(tǒng)運行商（California Independent System Operator - CAISO）組建、市場設(shè)計工作的IEEE高級會員劉云仁博士，請他以親歷者的身份和長期跟蹤電力市場發(fā)展的視角，闡釋和分析加州“輪停”事件背后的原因與啟示。
《中國電力企業(yè)管理》：作為一名親歷者，您如何描述您所感受到的此次“輪?！笔录?？
電力系統(tǒng)本來就不可能按萬無一失來設(shè)計和運行，完美的可靠性永遠(yuǎn)不可能得到保證，或者代價非常昂貴；相反，電力系統(tǒng)的可靠性和可塑性是性能和成本之間的妥協(xié)。
劉云仁：按照美國的標(biāo)準(zhǔn)，小規(guī)模短時間、甚至是突然停電是被允許的，10年發(fā)生一次較大規(guī)模的停電也屬正常。此次加州輪流停電的發(fā)生是為了維護系統(tǒng)穩(wěn)定所采取的預(yù)防性保護措施，在我看來，稱其為一場“危機”則顯得有些言過其實。
現(xiàn)代電力系統(tǒng)是一個非常巨大而復(fù)雜的系統(tǒng)，電力系統(tǒng)應(yīng)該保持在一種相對穩(wěn)定的運行狀態(tài)，以防止在局部故障時系統(tǒng)不至于崩潰，并能迅速地恢復(fù)正常運行，系統(tǒng)的管理者必須采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防和校正措施。有關(guān)電力系統(tǒng)的理論研究和實際運行經(jīng)驗證明：最有效最可靠的預(yù)防和校正措施是系統(tǒng)隨時保持充足的備用容量，也就是輔助服務(wù)備用容量。當(dāng)輔助服務(wù)儲備低于一定程度時，系統(tǒng)就會處于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，就必須采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣肀３窒到y(tǒng)穩(wěn)定可靠地運行。
從2020年8月14日至9月6日，CAISO（加州獨立系統(tǒng)運營商，California Independent System Operator）向全州電力用戶發(fā)布了六次二級緊急事件警告和兩次三級緊急事件警告1，其中，由于電力供應(yīng)緊張，運行備用不足，導(dǎo)致不得不采取的輪流停電措施，則發(fā)生在8月14日-15日。
2020年8月14日下午18時38分， CAISO向全州的電力用戶發(fā)布了自2000/2001加州電力危機近20年來第一次三級緊急事件警告。事實上，在當(dāng)天的早些時候，即下午15時25分CAISO已發(fā)出過一次二級緊急事件警告。
當(dāng)時，由于高溫來襲，加州大部分地區(qū)的氣溫達(dá)到華氏104度（攝氏40度），大量空調(diào)設(shè)備投入使用，從而推高了整個加州的電力需求，導(dǎo)致CAISO必須深度調(diào)用其運行儲備，以平衡需求。在2020年8月14日17：00到運行小時20：00之間，由于運行儲備的短缺——一個500兆瓦的電廠故障，另一臺停機備用（非旋轉(zhuǎn)備用）的750兆瓦的機組不能及時啟動，深度調(diào)用運行儲備并不可能，因此，CAISO只好發(fā)出第三級緊急事件警告，要求負(fù)荷服務(wù)實體（供電公司）安排輪流停電。
這次停電范圍主要涉及太平洋煤氣和電力公司（PG&E，Pacific Gas & Electric）的服務(wù)區(qū)域，受影響的客戶在20萬到25萬戶之間。輪流停電共切了100萬千瓦負(fù)荷，主要是居民用戶負(fù)荷，因為在這樣的時段內(nèi)，工業(yè)和商用負(fù)荷本就不高；負(fù)荷高峰是由于空調(diào)造成的。
在2020年8月14日運行小時18時到運行小時20時之間，由于運行備用的供應(yīng)（市場報價）短缺，CAISO不能購買滿足系統(tǒng)安全可靠運行的備用容量，觸發(fā)了稀缺電價機制，導(dǎo)致這幾個小時的能量和輔助輔務(wù)的價格從正常時的幾十美元每兆瓦時飆升到接近一千美元。
8月15日，由于一臺470兆瓦的機組故障和突然失去1000兆瓦的風(fēng)電供應(yīng)，加上整個西部地區(qū)的高溫天氣限制了系統(tǒng)向外州輸入電力的能力，CAISO又發(fā)布了二級和三級緊急事件警告各一次，此次三級緊急事件警告共切了47萬千瓦的負(fù)荷。
事實上，CAISO與加州州內(nèi)的公用事業(yè)電力公司和相鄰近各州的電力系統(tǒng)密切合作，啟動需求響應(yīng)機制，以削減可中斷負(fù)荷來舒緩電網(wǎng)壓力，同時號召州內(nèi)外的市場參與者提供更多的實時不平衡能量和輔助服務(wù)備用容量報價；同時，CAISO還采用了例外調(diào)度2（Exceptional Dispatch）的方式，調(diào)度一些當(dāng)時沒有報價而有發(fā)電能力的機組，提供緊急的能量服務(wù)，努力恢復(fù)電網(wǎng)的滿容量運行。隨著電網(wǎng)運行條件的改善，局部的停電很快得到恢復(fù)。
由于持續(xù)的高溫，CAISO在8月17日和18日又分別發(fā)布了一次二級緊急事件警告。9月5日又一波高溫來襲，加州中部的氣溫達(dá)到華氏108度（攝氏42度），加上持續(xù)的山火影響，南部加州失去了1600兆瓦的電力供應(yīng)，CAISO發(fā)布了一次二級緊急事件警告。9月6日，氣溫繼續(xù)升高，達(dá)到創(chuàng)記錄的華氏111度（攝氏42度），來自俄勒岡州的輸電線路由于高溫影響，減少了900兆瓦輸電能力。同時，突然的電廠事故使電力供應(yīng)減少了625兆瓦。CAISO又發(fā)布了一次二級緊急事件警告。
從整個供應(yīng)緊張事件的發(fā)生過程來看，此次“輪?！敝饕婕暗奖奔又莸牟糠值貐^(qū)，經(jīng)濟損失在可控范圍之內(nèi)；由于CAISO采取了適當(dāng)?shù)膽?yīng)急措施，加上電力用戶的積極配合，自愿節(jié)約用電或錯峰用電，使二級緊急事件沒有進一步惡化，輪流停電得以避免。隨著高溫天氣的逐步緩解，加州的電力供應(yīng)緊張、運行備用不足的現(xiàn)像已經(jīng)過去。
從系統(tǒng)運行的角度來看，此次CAISO發(fā)布緊急事件警告和實施局部輪流停電是為了維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行所采取的預(yù)防性保護措施。在運行儲備不足、電力供應(yīng)緊張的情況下，對相對而言少數(shù)客戶實行短暫的中斷服務(wù)，可以確保不會發(fā)生更廣泛的電網(wǎng)服務(wù)中斷。如果不采取適當(dāng)?shù)拇胧?，可能會?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，發(fā)生大面積的不可控停電現(xiàn)象，甚至系統(tǒng)解列。其影響可能是致命的，需要幾天時間才能恢復(fù)服務(wù)。例如，2003年8月14日美國東部的大停電，涉及到美國東部俄亥俄，密歇根，賓夕法尼亞，新澤西，紐約，馬薩諸塞州，康涅狄格，和佛蒙特八個州及加拿大的安大略和魁北克兩個省，使5000多萬人斷電，延續(xù)數(shù)日，經(jīng)濟損失達(dá)數(shù)百億美元。
從用戶的角度來看，這次輪流停電對普通民眾生活的影響并如想象那般明顯，盡管在輪流停電期間的批發(fā)電價從正常時的幾十美元每兆瓦時飆升到接近一千美元，但這幾小時飆升的電價并沒有反映到居民的電費賬單上。這是由于加州對零售電價實行政府管制的政策，批發(fā)電價的波動由批發(fā)商—負(fù)荷服務(wù)實體所緩沖。而其中值得注意的是，居民電費賬單中有一項20.25美元的系統(tǒng)基礎(chǔ)固定收費（System Infrastructure Fixed Charge），這是指只要登記為電力用戶，這個月不管用多少度電，甚至不用電，用戶每個月都必須交納這個費用。
《中國電力企業(yè)管理》：加州電力危機已經(jīng)過去近20年，在您看來，“浴火重生”后的加州電力市場作出的調(diào)整，對于“雄心勃勃”的加州能源政策，在實踐層面起到了多大程度上的支撐？
實踐證明，重新設(shè)計的加州電力市場是成熟的，以CAISO為核心的擴展的西部能量不平衡市場（EIM），對我國的區(qū)域電力市場，特別是對以廣東為主的南方區(qū)域電力市場的建設(shè)，有著重要的借鑒作用。
劉云仁：時至今日，在國內(nèi)一些業(yè)內(nèi)人士眼中，仍然存在著“加州的電力市場搞砸了”的誤解，只要提起美國電力市場，言必稱PJM，并把PJM當(dāng)成典范。事實上，在美國和加拿大，共有9個集中的電力市場，各有特色和優(yōu)缺點。重新上路的加州電力市場從危機中吸取了教訓(xùn)，對市場進行了全面徹底的重新設(shè)計和技術(shù)更新，從2002年開始，經(jīng)過7年多的努力，幾番推遲、反復(fù)論證調(diào)試，終于在2009年4月1日成功投運，標(biāo)志著加州的電力工業(yè)改革翻開全新的一頁，并重新站在美國和世界的前沿。
回顧2000/2001加州電力危機，主要是由于加州初期電力市場的不成熟，和當(dāng)時的互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟泡沫帶來的電力負(fù)荷增長，以安然（Enron）為代表的能源公司利用市場設(shè)計的缺陷，行使市場力，從而操縱市場，人為地制造了一系列嚴(yán)重的電力供應(yīng)短缺事件，使得加州遭遇多場大規(guī)模停電和批發(fā)電價飛漲。導(dǎo)致該州最大的電力公司太平洋燃?xì)夂碗娏荆≒G&E, Pacific Gas and Electric）申請破產(chǎn)保護，引發(fā)了加州經(jīng)濟上的衰退。后續(xù)，有賴于美國聯(lián)邦政府、加州州政府和CAISO采取了一系列的措施，包括關(guān)閉CALPX（加州電力交易中心, California Power Exchange）來應(yīng)對和緩解這場電力危機。歷經(jīng)半年之久，加州市場才從這場危機中走出來。
引起這場危機爆發(fā)的根源，或多或少可以歸因于初期加州電力市場的設(shè)計和實施還有很多不成熟甚至錯誤的地方。比如原市場設(shè)計規(guī)定要求至少80%的發(fā)電量必須在CALPX上交易，禁止發(fā)電方和負(fù)荷方簽訂雙邊中長期合同，這在市場化的道路上步伐邁得太過激進。雖然有限制單個發(fā)電商的裝機容量不能超過系統(tǒng)總?cè)萘?0%的防壟斷措施，但市場參與者還是有很多行使市場力的機會。在這次能源危機中，很多不法發(fā)電商——以現(xiàn)已破產(chǎn)的安然公司（Enron）為代表，趁電力供應(yīng)短缺之機，哄抬電價，更為惡劣的是，他們故意不向CALPX的現(xiàn)貨市場報價，也不向CAISO的輔助備用市場和實時非平衡能量市場報價。這樣在實時運行時，由于沒有充足的發(fā)電資源可供調(diào)度，CAISO的值班人員不得不“央求”發(fā)電廠方，增加機組的出力，并接受他們的漫天要價。同時為了保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，也不得不施行了大范圍的輪流停電。
與此同時，在市場組建初期，加州的電力市場設(shè)計把交易中心和調(diào)度中心分離，交易中心負(fù)責(zé)日前的能量現(xiàn)貨交易，調(diào)度中心負(fù)責(zé)阻塞管理，以及輔助服務(wù)市場和實時市場/實時調(diào)度，這也是一個嚴(yán)重的錯誤。在交易中心只考慮無系統(tǒng)約束條件的假設(shè)下由供電方報價和用電方投標(biāo)之間的平衡，沒有也不可能考慮到交易結(jié)果是否滿足實時運行時的實際負(fù)荷需求，沒有也不可能考慮到交易結(jié)果是否能夠在實時網(wǎng)絡(luò)約束的條件下實現(xiàn)，這樣不能保證系統(tǒng)的安全可靠運行。雖然調(diào)度中心可以對交易中心上交過來的交易結(jié)果進行安全校核，然而調(diào)度中心對交易結(jié)果進行修正的選項有限，也不能保證系統(tǒng)的安全可靠運行。
從這次危機中，還有兩個重要的經(jīng)驗值得借鑒。首先，中長期市場和現(xiàn)貨市場是現(xiàn)代成熟的電力市場的兩個互相補充、缺一不可的組成部分，中長期合同能夠提前鎖定電量和價格，幫助市場成員規(guī)避需求和價格的雙重風(fēng)險。現(xiàn)貨市場通過公平競爭，優(yōu)化了資源的利用，同時產(chǎn)生的價格信號，為電網(wǎng)的運行和規(guī)劃提供了指南。
在中長期合同和雙邊交易中包括不需要與現(xiàn)貨交易銜接的金融（差價）合同，以及參與現(xiàn)貨交割的物理合同。現(xiàn)代成熟的電力市場不希望所有的中長期交易都是金融（差價）合同，因為金融合同對穩(wěn)定現(xiàn)貨市場的需求和價格沒有任何幫助，只不過給金融機構(gòu)和個人提供了投機的機會。在電力市場建設(shè)初期，需要物理交割的中長期合同對于電力市場的有效可靠的運行是非常重要的。在接受加州能源危機的教訓(xùn)以后，美國的幾個電力市場都非常重視中長期交易合同，中長期合同交易的電量在總的負(fù)荷量中占有非常大的比例，例如2017年CAISO和PJM中長期合同交易的電量在總的負(fù)荷量中分別占64%和67%。
另外一點，需求響應(yīng)是CAISO與一些可中斷負(fù)荷和可調(diào)節(jié)負(fù)荷簽定合同，在需求高峰，供應(yīng)不足的情況下，CAISO可以削減或中斷對他們的供電并給予一定的經(jīng)濟補償。如果當(dāng)初加州市場實施了這樣的計劃，加州的能源危機有可能避免或者不會這樣嚴(yán)重。根據(jù)國際能源機構(gòu)估計，如果有5%的需求下降，將導(dǎo)致2000/2001加利福尼亞能源危機高峰期的價格降低50%。如果有了更好的需求響應(yīng)，對于供給側(cè)有撤回報價的意向和可能，市場也會變得更有彈性。
回歸到新的加州電力市場設(shè)計，新的系統(tǒng)由集成前期市場（IFM, Integrated Forward Market)、完全網(wǎng)絡(luò)模型（FNM, Full Network Model)、以及位置邊際電價（LMP, Locational Marginal Price) 或節(jié)點電價(Nodal Price)三大要素組成，從根本上彌補了以前市場設(shè)計和實施的缺陷。
從長遠(yuǎn)來看，這個新系統(tǒng)能夠保證加州電網(wǎng)可靠運行，它為CAISO的市場操作人員提供了一個強有力的工具，在實時運行之前能識別電網(wǎng)中的薄弱環(huán)節(jié)和運行時的瓶頸，允許市場操作人員在幾小時之前，而不是直到幾分鐘之前就能考慮適當(dāng)?shù)陌l(fā)電計劃選項，從而滿足加州電力用戶的用電需要。同時，這個新系統(tǒng)還重新了開放了自2001年CALPX破產(chǎn)后所關(guān)閉的前期能量市場，因為如果沒有前期能量市場，三大電力公司只能依靠中長期合同和他們自己擁有的少量發(fā)電機組來向他們的用戶供電。這個新的市場設(shè)計也會考慮在能源危機中所簽訂的長期電供合同，在實際電能通過系統(tǒng)傳輸之前查明任何合同交割時可能發(fā)生的問題。
自投入運營后，新的加州電力市場穩(wěn)定運行了十余年，隨著市場的不斷成熟，也吸引著加州周邊各州州政府和所屬區(qū)域內(nèi)的電力平衡機構(gòu)（電力公司）的興趣。
在美國西部有11個州，大大小小38個電力平衡機構(gòu)，CAISO是其中最大的一個，其他每一個平衡機構(gòu)負(fù)責(zé)運行和調(diào)度其控制區(qū)域內(nèi)的電網(wǎng)。這種分散的負(fù)荷平衡方式有很多缺點，例如可供利用的平衡資源有限、靈活性差、需要較多的運行備用、經(jīng)濟效率低下，從而增加風(fēng)電/光伏等新能源加入系統(tǒng)的運行成本。在美國聯(lián)邦政府能源管理委員會（FERC）的推動下，并從自身的電網(wǎng)運行的可靠性和經(jīng)濟性出發(fā)，參加加州電力市場，或已成為美西這些電力平衡機構(gòu)最好的選擇。
作為區(qū)域市場擴展的第一步，在2014年11月，CAISO擴展了它的實時市場，使之成為美國西部的能量不平衡市場（EIM，Energy Imbalance Market），并向西部這些電力平衡機構(gòu)開放。美西能量不平衡市場（EIM）使得CAISO系統(tǒng)操作員對所管理的系統(tǒng)有更廣闊的視野，能夠看見相鄰的電網(wǎng)中可供調(diào)度的資源和負(fù)荷需求，從而能在一個更大的區(qū)域內(nèi)自動找到最好的資源來平衡實時的電力供應(yīng)和需求。它在優(yōu)化系統(tǒng)運行的同時，也能自動管理輸電線路的阻塞。
EIM不僅改善了系統(tǒng)運行的可靠性，而且也能促進可再生能源計劃的實施。這個好處主要來自于美國西部電網(wǎng)所處地理位置上的多樣性。例如，當(dāng)一個平衡轄區(qū)產(chǎn)生過多的水電，光伏或風(fēng)電電量，CAISO可以使這些富余電力輸出到加州或在其他EIM參與者服務(wù)的地區(qū)進行平衡。同樣，加州在經(jīng)歷供大于求的情況下，多余的光伏和風(fēng)電可以幫助滿足參加EIM服務(wù)的其它各州的電力需求，避免新能源電量的浪費，或電力需求由更昂貴的煤炭或天然氣發(fā)電來滿足。
自2014年西部EIM運行到2020年7月，西部EIM給市場的參與者帶來了總共超過10億美元的經(jīng)濟效益；自2015 年以來，總棄風(fēng)棄光量減少了124萬兆瓦時。隨著新能源發(fā)電量的增加，美國西部累計二氧化碳排放量減少了533，381公噸，相當(dāng)于減少了112，141輛汽車在公路上行駛。
加州電力危機和新的加州電力市場設(shè)計，對我國的區(qū)域電力市場，特別是對以廣東為主的南方區(qū)域電力市場的建設(shè)有著重要的借鑒作用。因為廣東和加州的情況有很高的相似性，都是本國經(jīng)濟最發(fā)達(dá)，負(fù)荷最密集的地區(qū)，周邊都是經(jīng)濟相對落后，發(fā)電資源豐富的州（省）。參考美國的經(jīng)驗，先把廣東的電力市場建設(shè)好，吸引周邊的各省區(qū)，自愿地逐步參加廣東的市場，比起遍地開花，一轟而上的做法，也許會更有實效一些。
《中國電力企業(yè)管理》：針對此次加州的“輪?！笔录瑖鴥?nèi)的市場建設(shè)者們就高比例可再生能源系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的凈負(fù)荷需求，以及對于系統(tǒng)備用容量充裕度和系統(tǒng)可靠性的討論持續(xù)進行；從官方出具的初步報告來看，加州電力市場結(jié)構(gòu)與此次“輪停”事件的發(fā)生也不無關(guān)系。對于有著全美國，甚至是全世界最具“野心”的可再生能源整合計劃的加州而言，系統(tǒng)設(shè)計和運營者將如何應(yīng)對高比例可再生能源帶給電力市場和電力系統(tǒng)在調(diào)度、運行中的挑戰(zhàn)？
當(dāng)下是讓靈活荷負(fù)荷和儲能電池引領(lǐng)發(fā)展的機遇期，構(gòu)建合理的能源市場，提高靈活性資源的利用水平，才是應(yīng)對可再生能源整合給電力市場和電網(wǎng)運行帶來挑戰(zhàn)的正確方向。
劉云仁：應(yīng)該承認(rèn)，在此次加州的臨時停電事件，EIM沒能很好地解決實時運行備用不足的問題，但是如果將“輪停”事件全部歸罪與EIM市場，則顯得有些顛倒了因果關(guān)系。
EIM并不是造成此次事件的原因，相反，如果沒有EIM事情肯定會變得更糟糕。目前EIM只是一個擴展的美國西部能量不平衡市場，它只負(fù)責(zé)在一個更大的地理范圍內(nèi)實時運行時電力需求和供應(yīng)之間的平衡，更加有效地調(diào)用用于平衡的非平衡能量，但不能負(fù)責(zé)各個EIM參與者的非平衡能量，即運行備用容量的配置。
運行備用容量的配置，也就是輔助服務(wù)備用容量的購買，是在CAISO內(nèi)部主要是在日前市場（DAM, Day Ahead Market）中完成的。而在其它的電力平衡機構(gòu)內(nèi)，不平衡能量/運行備用是靠各個電力平衡機構(gòu)自行配置的。當(dāng)日前市場發(fā)現(xiàn)運行備用儲備不足時，CAISO缺乏對外部資源的管控，到了實時運行時，這種情況往往得不到改善，這確實是EIM的不足之處。如果日前市場能夠擴展到整個EIM范圍，CAISO能夠更有效地配置西部的資源，并在提前一天優(yōu)化機組組合和輔助服務(wù)備用的配置，完善日前的每小時的交易計劃，以及提高傳輸利用率，這種運行備用儲備不足的現(xiàn)象應(yīng)該是可以避免的。
那么，既然這次運行備用不足導(dǎo)致輪流停電的現(xiàn)像不能全部歸因于西部EIM，真正的原因又是否應(yīng)該歸因于可再生能源整合計劃的過于“激進”？
圖 1. 2020年8月14日加州電力能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)曲線
從官方給出的初步報告來看，發(fā)生輪流停電的8月14日，負(fù)荷需求峰值期發(fā)生在16：50前后，最高峰46，721兆瓦發(fā)生在16：55左右。但要求輪流停電的第三級緊急狀況并沒有發(fā)生在負(fù)荷需求高峰的尖峰時刻，而是在稍后的另一個關(guān)鍵時刻，即凈需求高峰前的18：38發(fā)布，該日的凈需求高峰是42，240兆瓦，發(fā)生在18：55左右。與之類似，8月15日的第三級緊急狀況也沒有發(fā)生在負(fù)荷需求高峰，而是在稍后的凈負(fù)荷峰值期間。
從2020年8月14日加州電力能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)曲線（圖1）可以看出，在高峰負(fù)荷時，有10，032兆瓦的電力由可再生能源提供，但到了19：30，只有3，094兆瓦的電力由可再生能源提供。這是由于在17：00到19：30這段時間，隨著太陽的落山，將近10，000兆瓦發(fā)電能力（在17：05時還有7，454兆瓦）快速消失。
從2020年8月14日加州可再生能源供應(yīng)曲線（圖2）看出，出現(xiàn)了所謂的鴨型曲線。這段時間正好是用電需求的高峰，為了彌補這失去的近10，000兆瓦的發(fā)電能力，CAISO不僅需要準(zhǔn)備足夠多的運行備用容量，而且提供這些運行備用容量的資源必須具有快速啟動和爬坡的能力。這些運行備用容量一般由燃?xì)鈾C組來提供，在通常的情況下，CAISO的市場管理和實時調(diào)度系統(tǒng)能夠確認(rèn)適當(dāng)?shù)娜細(xì)鈾C組來提供必要的運行備用容量和爬坡能力。
圖 2. 2020年8月14日加州可再生能源供應(yīng)曲線
事實上，當(dāng)天46，502兆瓦的峰值負(fù)荷并不是歷史最高，歷史峰值負(fù)荷50，270兆瓦則發(fā)生在2006年7月24日。當(dāng)時并不需要采取“輪停”措施的主要原因，是當(dāng)年加州可再生能源在總能源供應(yīng)的占比不到10%，而其中光伏電量占比還不到1%，并不存在鴨子曲線問題；加州歷史上第二個負(fù)荷高峰50，140兆瓦，則發(fā)生在2017年9月1日；雖然當(dāng)年加州可再生能源在總能源供應(yīng)的占比已超過25%，其中光伏占比一半以上，但由于來自州外的備用容量支持，避免了停電現(xiàn)象的發(fā)生。
根據(jù)加州的可再生能源整合計劃，到2024年、2030年、2045年，加州電力系統(tǒng)中可再生能源供給占比將分別達(dá)到40%、50%和100%。除了可再生能源組合標(biāo)準(zhǔn)（RPS），加州還采取了嚴(yán)格的水質(zhì)規(guī)定——要求所有的燃?xì)怆姀S，以及該州的兩個大型核電站停止使用一次通過冷卻系統(tǒng)（Once-Through Cooling， OTC）。這涉及到近19000兆瓦熱電廠需要更換新的蒸發(fā)冷卻設(shè)備或者退役；自2010年以來的10年間，已有7個電廠、共計7700兆瓦發(fā)電容量的燃?xì)怆姀S決定退役而非改建。2013年，南加州的圣奧諾弗雷（San Onofre）核電站相繼關(guān)閉，因此也失去了2臺1，127兆瓦的發(fā)電容量。
從近年加州的電源組成變化來看，在2012年-2019年間，加州總的發(fā)電能力基本不變，核能和燃?xì)獍l(fā)電能力顯著地減少。雖然這些失去的發(fā)電容量已由新建的可再生能源——主要是光伏和風(fēng)電補充，但是由于可再生能源固有的間斷性和不確定性，它們的可靠性和可控性遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上傳統(tǒng)的燃?xì)怆姀S和核電廠。
高比例的可再生能源，特別是占加州能源供應(yīng)四分之一強的光伏電站投入，給電力市場的運行和現(xiàn)代電力系統(tǒng)的調(diào)度提出了新的挑戰(zhàn)?？陀^地說，面對這些挑戰(zhàn)，加州州政府，加州電力監(jiān)管機構(gòu)和加州電力市場和系統(tǒng)運營機構(gòu)，仍有很多不足的地方值得反思和改進。但是，能源轉(zhuǎn)型是全世界的大勢所趨，我們不能把停電事件的根本原因歸罪于加州“激進”的能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)和可再生能源計劃，更不能因為8月中旬短暫的輪流停電而動搖能源轉(zhuǎn)型的意志和決心。
目前，加州當(dāng)局已經(jīng)就“輪?！笔录l(fā)生的原委制定了關(guān)于資源規(guī)劃、采購和市場實踐的即時、近期和長期的改進建議。這其中包括了“更新資源和可靠性規(guī)劃目標(biāo)”、“確保發(fā)電和儲能項目按時投產(chǎn)”、“加快側(cè)重于需求響應(yīng)和靈活性資源的監(jiān)管和采購進程”，并“協(xié)調(diào)非CPUC管轄實體的額外采購”。這些行動旨在確保加州向可靠，清潔和負(fù)擔(dān)得起的能源系統(tǒng)過渡得以持續(xù)和加速。
同時，從“輪停”時間發(fā)生后加州當(dāng)局采取的減少負(fù)荷以及增加州內(nèi)發(fā)電能力的即時行動來看，部署需求響應(yīng)程序，啟動需求靈活性計劃，充分利用現(xiàn)有的儲能-分布式電池資源，并增加來自其他平衡領(lǐng)域的資源支持——這些行動使周一（8月17日）和周二（8月18日）的峰值需求減少了近4，000兆瓦，并增加了近950兆瓦的臨時發(fā)電能力。
此外，在8月14日之前，CAISO已經(jīng)開始以例外調(diào)度的方式啟動了一些需要較長啟動時間的機組，以確保它們能夠提供能源。CAISO還例外調(diào)度了一些資源充裕度（RA，Resource Adequacy）和非RA資源。從8月16日開始，由于熱風(fēng)暴導(dǎo)致的系統(tǒng)容量不足，CAISO在容量采購機制（CPM, Capacity Procurement Mechanism）的授權(quán)下成功吸引了非RA容量?？偣膊少徚?77.45兆瓦的CPM容量。通過上述努力，在9月初另一場更為嚴(yán)峻的熱浪來襲時，加州成功地避免了采取輪流停電的措施。
從這些行動的效果來看，高比例的可再生能源的加入給加州電力市場的運行和電網(wǎng)調(diào)度帶來的挑戰(zhàn)是可以克服的。通過將靈活性負(fù)荷，太陽能和電池等更具彈性的分布式資源整合到加州的批發(fā)電力市場，可以使加州的電網(wǎng)更強大。如果分布式資源被廣泛用于支持家庭，商業(yè)和學(xué)校，發(fā)揮其最佳功能，它們可以成為社區(qū)和電網(wǎng)所有用戶可依賴的真正安全電源。
事實上，8月14日下午3點至晚上9點，有超過30，000臺分布式電池向電網(wǎng)中放電，為電網(wǎng)貢獻了147兆瓦的容量。這使得停電不那么嚴(yán)重。電網(wǎng)上存在超過530兆瓦的分布式電池，這足以彌補加州集中式電網(wǎng)的單點故障。如果所有電池都被鼓勵放電到電網(wǎng)，完全可以代替發(fā)生故障的燃?xì)鈾C組。
這是市場結(jié)構(gòu)和惰性的問題。盡管加州已有靈活性負(fù)荷或需求響應(yīng)計劃，但是在這次8月中旬的停電事件中，由于市場結(jié)構(gòu)的原因，補償機制不是很合理，以致于該計劃沒有得到充分的利用。如果加州州內(nèi)更多的居民，企業(yè)，學(xué)校，和政府大樓因使用靈活性負(fù)荷支持電網(wǎng)而得到充分補償，并且配有太陽能和電池，停電是完全可以避免的。尤其是偏僻的社區(qū)，可以聚合分布式靈活性負(fù)荷，光伏配儲能等形式形成微電網(wǎng)或虛擬發(fā)電廠。
當(dāng)下是讓靈活荷負(fù)荷和電池引領(lǐng)發(fā)展的機遇期，構(gòu)建合理的能源市場，提高靈活性負(fù)荷和電池資源利用水平，才是應(yīng)對可再生能源整合計劃給電力市場和電網(wǎng)運行帶來的挑戰(zhàn)的正確方向。包括加州在內(nèi)，世界各國不能再過渡依賴燃?xì)鈾C組提供應(yīng)急備用的資源，因為燃?xì)鈾C組同樣會增加碳排放，最終使得的氣候變化問題更加嚴(yán)重。
就在9月17日聯(lián)邦能源管理委員會(FERC，F(xiàn)ederal Energy Regulatory Commission)批準(zhǔn)了一項突破性的規(guī)則，即第2222號命令，允許與可再生能源配合的分布式能源資源（DER， Distributed Energy Resource）的聚合商能夠在所有區(qū)域有組織的批發(fā)電力市場上競爭，從法律上支持這個正確方向。
注1：根據(jù)輔助服務(wù)備用容量不足的程度，CAISO制定了三級緊急事件警告如下：
一級: 系統(tǒng)運行容量儲備低于需求的 7% à號召公眾節(jié)約用電
二級: 系統(tǒng)運行容量儲備低于需求的5%. à工商業(yè)用戶自愿縮減負(fù)荷
三級: 系統(tǒng)運行容量儲備低于需求的1.5%. à輪流停電
注2：例外調(diào)度是CAISO在系統(tǒng)非正常運行條件下采用的一種經(jīng)濟調(diào)度以外的人工調(diào)度方式，也就是說在緊急情況下，為了保證系統(tǒng)的安全可靠運行，CAISO的調(diào)度員可以直接向有關(guān)資源下達(dá)調(diào)度指令。
版權(quán)聲明
本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》（上旬刊）2020年10期，作者系本刊記者。
