美國加利福尼亞州(簡(jiǎn)稱加州)在能源領(lǐng)域的改革和電力市場(chǎng)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(jìn)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(jī)——即廣為人知、震驚世界的加州電力危機(jī)，其嚴(yán)重的后果令人們至今心有余悸；危機(jī)發(fā)生的原因和總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)，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(yùn)行儲(chǔ)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(jī)”疑云。
根據(jù)官方公布的報(bào)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。”——現(xiàn)有規(guī)劃設(shè)計(jì)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(chǎng)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(jìn)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(jì)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(jìn)”的能源政策？此次“輪?！笔录l(fā)生之后，又帶給正處于能源轉(zhuǎn)型初期和電力市場(chǎng)建設(shè)蓬勃期的我國何種可供參考的有益經(jīng)驗(yàn)？帶著這些問題，本刊特專訪長(zhǎng)期定居海外，曾參與加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行商（California Independent System Operator - CAISO）組建、市場(chǎng)設(shè)計(jì)工作的IEEE高級(jí)會(huì)員劉云仁博士，請(qǐng)他以親歷者的身份和長(zhǎng)期跟蹤電力市場(chǎng)發(fā)展的視角，闡釋和分析加州“輪?！笔录澈蟮脑蚺c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(jì)和運(yùn)行，完美的可靠性永遠(yuǎn)不可能得到保證，或者代價(jià)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(shí)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(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定所采取的預(yù)防性保護(hù)措施，在我看來，稱其為一場(chǎng)“危機(jī)”則顯得有些言過其實(shí)。
現(xiàn)代電力系統(tǒng)是一個(gè)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(duì)穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，以防止在局部故障時(shí)系統(tǒng)不至于崩潰，并能迅速地恢復(fù)正常運(yùn)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(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明：最有效最可靠的預(yù)防和校正措施是系統(tǒng)隨時(shí)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(chǔ)備低于一定程度時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)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(yùn)行。
從2020年8月14日至9月6日，CAISO（加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商，California Independent System Operator）向全州電力用戶發(fā)布了六次二級(jí)緊急事件警告和兩次三級(jí)緊急事件警告1，其中，由于電力供應(yīng)緊張，運(yùn)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(shí)38分， CAISO向全州的電力用戶發(fā)布了自2000/2001加州電力危機(jī)近20年來第一次三級(jí)緊急事件警告。事實(shí)上，在當(dāng)天的早些時(shí)候，即下午15時(shí)25分CAISO已發(fā)出過一次二級(jí)緊急事件警告。
當(dāng)時(shí)，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(gè)加州的電力需求，導(dǎo)致CAISO必須深度調(diào)用其運(yùn)行儲(chǔ)備，以平衡需求。在2020年8月14日17：00到運(yùn)行小時(shí)20：00之間，由于運(yùn)行儲(chǔ)備的短缺——一個(gè)500兆瓦的電廠故障，另一臺(tái)停機(jī)備用（非旋轉(zhuǎn)備用）的750兆瓦的機(jī)組不能及時(shí)啟動(dòng)，深度調(diào)用運(yùn)行儲(chǔ)備并不可能，因此，CAISO只好發(fā)出第三級(jí)緊急事件警告，要求負(fù)荷服務(wù)實(shí)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?yàn)樵谶@樣的時(shí)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(yùn)行小時(shí)18時(shí)到運(yùn)行小時(shí)20時(shí)之間，由于運(yùn)行備用的供應(yīng)（市場(chǎng)報(bào)價(jià)）短缺，CAISO不能購買滿足系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的備用容量，觸發(fā)了稀缺電價(jià)機(jī)制，導(dǎo)致這幾個(gè)小時(shí)的能量和輔助輔務(wù)的價(jià)格從正常時(shí)的幾十美元每兆瓦時(shí)飆升到接近一千美元。
8月15日，由于一臺(tái)470兆瓦的機(jī)組故障和突然失去1000兆瓦的風(fēng)電供應(yīng)，加上整個(gè)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(jí)和三級(jí)緊急事件警告各一次，此次三級(jí)緊急事件警告共切了47萬千瓦的負(fù)荷。
事實(shí)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(dòng)需求響應(yīng)機(jī)制，以削減可中斷負(fù)荷來舒緩電網(wǎng)壓力，同時(shí)號(hào)召州內(nèi)外的市場(chǎng)參與者提供更多的實(shí)時(shí)不平衡能量和輔助服務(wù)備用容量報(bào)價(jià)；同時(shí)，CAISO還采用了例外調(diào)度2（Exceptional Dispatch）的方式，調(diào)度一些當(dāng)時(shí)沒有報(bào)價(jià)而有發(fā)電能力的機(jī)組，提供緊急的能量服務(wù)，努力恢復(fù)電網(wǎng)的滿容量運(yùn)行。隨著電網(wǎng)運(yùn)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(jí)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(jí)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(shí)，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(jí)緊急事件警告。
從整個(gè)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(jì)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(cuò)峰用電，使二級(jí)緊急事件沒有進(jìn)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(yùn)行備用不足的現(xiàn)像已經(jīng)過去。
從系統(tǒng)運(yùn)行的角度來看，此次CAISO發(fā)布緊急事件警告和實(shí)施局部輪流停電是為了維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行所采取的預(yù)防性保護(hù)措施。在運(yùn)行儲(chǔ)備不足、電力供應(yīng)緊張的情況下，對(duì)相對(duì)而言少數(shù)客戶實(shí)行短暫的中斷服務(wù)，可以確保不會(huì)發(fā)生更廣泛的電網(wǎng)服務(wù)中斷。如果不采取適當(dāng)?shù)拇胧赡軙?huì)導(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(shí)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(gè)州及加拿大的安大略和魁北克兩個(gè)省，使5000多萬人斷電，延續(xù)數(shù)日，經(jīng)濟(jì)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(duì)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(jià)從正常時(shí)的幾十美元每兆瓦時(shí)飆升到接近一千美元，但這幾小時(shí)飆升的電價(jià)并沒有反映到居民的電費(fèi)賬單上。這是由于加州對(duì)零售電價(jià)實(shí)行政府管制的政策，批發(fā)電價(jià)的波動(dòng)由批發(fā)商—負(fù)荷服務(wù)實(shí)體所緩沖。而其中值得注意的是，居民電費(fèi)賬單中有一項(xiàng)20.25美元的系統(tǒng)基礎(chǔ)固定收費(fèi)（System Infrastructure Fixed Charge），這是指只要登記為電力用戶，這個(gè)月不管用多少度電，甚至不用電，用戶每個(gè)月都必須交納這個(gè)費(fèi)用。
《中國電力企業(yè)管理》：加州電力危機(jī)已經(jīng)過去近20年，在您看來，“浴火重生”后的加州電力市場(chǎng)作出的調(diào)整，對(duì)于“雄心勃勃”的加州能源政策，在實(shí)踐層面起到了多大程度上的支撐？
實(shí)踐證明，重新設(shè)計(jì)的加州電力市場(chǎng)是成熟的，以CAISO為核心的擴(kuò)展的西部能量不平衡市場(chǎng)（EIM），對(duì)我國的區(qū)域電力市場(chǎng)，特別是對(duì)以廣東為主的南方區(qū)域電力市場(chǎng)的建設(shè)，有著重要的借鑒作用。
劉云仁：時(shí)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(chǎng)搞砸了”的誤解，只要提起美國電力市場(chǎng)，言必稱PJM，并把PJM當(dāng)成典范。事實(shí)上，在美國和加拿大，共有9個(gè)集中的電力市場(chǎng)，各有特色和優(yōu)缺點(diǎn)。重新上路的加州電力市場(chǎng)從危機(jī)中吸取了教訓(xùn)，對(duì)市場(chǎng)進(jìn)行了全面徹底的重新設(shè)計(jì)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(yùn)，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(jī)，主要是由于加州初期電力市場(chǎng)的不成熟，和當(dāng)時(shí)的互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)泡沫帶來的電力負(fù)荷增長(zhǎng)，以安然（Enron）為代表的能源公司利用市場(chǎng)設(shè)計(jì)的缺陷，行使市場(chǎng)力，從而操縱市場(chǎng)，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(chǎng)大規(guī)模停電和批發(fā)電價(jià)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(qǐng)破產(chǎn)保護(hù)，引發(fā)了加州經(jīng)濟(jì)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(duì)和緩解這場(chǎng)電力危機(jī)。歷經(jīng)半年之久，加州市場(chǎng)才從這場(chǎng)危機(jī)中走出來。
引起這場(chǎng)危機(jī)爆發(fā)的根源，或多或少可以歸因于初期加州電力市場(chǎng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施還有很多不成熟甚至錯(cuò)誤的地方。比如原市場(chǎng)設(shè)計(jì)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(zhǎng)期合同，這在市場(chǎng)化的道路上步伐邁得太過激進(jìn)。雖然有限制單個(gè)發(fā)電商的裝機(jī)容量不能超過系統(tǒng)總?cè)萘?0%的防壟斷措施，但市場(chǎng)參與者還是有很多行使市場(chǎng)力的機(jī)會(huì)。在這次能源危機(jī)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(jī)，哄抬電價(jià)，更為惡劣的是，他們故意不向CALPX的現(xiàn)貨市場(chǎng)報(bào)價(jià)，也不向CAISO的輔助備用市場(chǎng)和實(shí)時(shí)非平衡能量市場(chǎng)報(bào)價(jià)。這樣在實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)，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(jī)組的出力，并接受他們的漫天要價(jià)。同時(shí)為了保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，也不得不施行了大范圍的輪流停電。
與此同時(shí)，在市場(chǎng)組建初期，加州的電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)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(chǎng)和實(shí)時(shí)市場(chǎng)/實(shí)時(shí)調(diào)度，這也是一個(gè)嚴(yán)重的錯(cuò)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(bào)價(jià)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(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)的實(shí)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(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)約束的條件下實(shí)現(xiàn)，這樣不能保證系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。雖然調(diào)度中心可以對(duì)交易中心上交過來的交易結(jié)果進(jìn)行安全校核，然而調(diào)度中心對(duì)交易結(jié)果進(jìn)行修正的選項(xiàng)有限，也不能保證系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。
從這次危機(jī)中，還有兩個(gè)重要的經(jīng)驗(yàn)值得借鑒。首先，中長(zhǎng)期市場(chǎng)和現(xiàn)貨市場(chǎng)是現(xiàn)代成熟的電力市場(chǎng)的兩個(gè)互相補(bǔ)充、缺一不可的組成部分，中長(zhǎng)期合同能夠提前鎖定電量和價(jià)格，幫助市場(chǎng)成員規(guī)避需求和價(jià)格的雙重風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)貨市場(chǎng)通過公平競(jìng)爭(zhēng)，優(yōu)化了資源的利用，同時(shí)產(chǎn)生的價(jià)格信號(hào)，為電網(wǎng)的運(yùn)行和規(guī)劃提供了指南。
在中長(zhǎng)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(jià)）合同，以及參與現(xiàn)貨交割的物理合同?，F(xiàn)代成熟的電力市場(chǎng)不希望所有的中長(zhǎng)期交易都是金融（差價(jià)）合同，因?yàn)榻鹑诤贤瑢?duì)穩(wěn)定現(xiàn)貨市場(chǎng)的需求和價(jià)格沒有任何幫助，只不過給金融機(jī)構(gòu)和個(gè)人提供了投機(jī)的機(jī)會(huì)。在電力市場(chǎng)建設(shè)初期，需要物理交割的中長(zhǎng)期合同對(duì)于電力市場(chǎng)的有效可靠的運(yùn)行是非常重要的。在接受加州能源危機(jī)的教訓(xùn)以后，美國的幾個(gè)電力市場(chǎng)都非常重視中長(zhǎng)期交易合同，中長(zhǎng)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(zhǎng)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(diǎn)，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(duì)他們的供電并給予一定的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。如果當(dāng)初加州市場(chǎng)實(shí)施了這樣的計(jì)劃，加州的能源危機(jī)有可能避免或者不會(huì)這樣嚴(yán)重。根據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)估計(jì)，如果有5%的需求下降，將導(dǎo)致2000/2001加利福尼亞能源危機(jī)高峰期的價(jià)格降低50%。如果有了更好的需求響應(yīng)，對(duì)于供給側(cè)有撤回報(bào)價(jià)的意向和可能，市場(chǎng)也會(huì)變得更有彈性。
回歸到新的加州電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)，新的系統(tǒng)由集成前期市場(chǎng)（IFM, Integrated Forward Market)、完全網(wǎng)絡(luò)模型（FNM, Full Network Model)、以及位置邊際電價(jià)（LMP, Locational Marginal Price) 或節(jié)點(diǎn)電價(jià)(Nodal Price)三大要素組成，從根本上彌補(bǔ)了以前市場(chǎng)設(shè)計(jì)和實(shí)施的缺陷。
從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，這個(gè)新系統(tǒng)能夠保證加州電網(wǎng)可靠運(yùn)行，它為CAISO的市場(chǎng)操作人員提供了一個(gè)強(qiáng)有力的工具，在實(shí)時(shí)運(yùn)行之前能識(shí)別電網(wǎng)中的薄弱環(huán)節(jié)和運(yùn)行時(shí)的瓶頸，允許市場(chǎng)操作人員在幾小時(shí)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(jì)劃選項(xiàng)，從而滿足加州電力用戶的用電需要。同時(shí)，這個(gè)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(chǎng)，因?yàn)槿绻麤]有前期能量市場(chǎng)，三大電力公司只能依靠中長(zhǎng)期合同和他們自己擁有的少量發(fā)電機(jī)組來向他們的用戶供電。這個(gè)新的市場(chǎng)設(shè)計(jì)也會(huì)考慮在能源危機(jī)中所簽訂的長(zhǎng)期電供合同，在實(shí)際電能通過系統(tǒng)傳輸之前查明任何合同交割時(shí)可能發(fā)生的問題。
自投入運(yùn)營(yíng)后，新的加州電力市場(chǎng)穩(wěn)定運(yùn)行了十余年，隨著市場(chǎng)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(jī)構(gòu)（電力公司）的興趣。
在美國西部有11個(gè)州，大大小小38個(gè)電力平衡機(jī)構(gòu)，CAISO是其中最大的一個(gè)，其他每一個(gè)平衡機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)運(yùn)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(diǎn)，例如可供利用的平衡資源有限、靈活性差、需要較多的運(yùn)行備用、經(jīng)濟(jì)效率低下，從而增加風(fēng)電/光伏等新能源加入系統(tǒng)的運(yùn)行成本。在美國聯(lián)邦政府能源管理委員會(huì)（FERC）的推動(dòng)下，并從自身的電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，參加加州電力市場(chǎng)，或已成為美西這些電力平衡機(jī)構(gòu)最好的選擇。
作為區(qū)域市場(chǎng)擴(kuò)展的第一步，在2014年11月，CAISO擴(kuò)展了它的實(shí)時(shí)市場(chǎng)，使之成為美國西部的能量不平衡市場(chǎng)（EIM，Energy Imbalance Market），并向西部這些電力平衡機(jī)構(gòu)開放。美西能量不平衡市場(chǎng)（EIM）使得CAISO系統(tǒng)操作員對(duì)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(gè)更大的區(qū)域內(nèi)自動(dòng)找到最好的資源來平衡實(shí)時(shí)的電力供應(yīng)和需求。它在優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行的同時(shí)，也能自動(dòng)管理輸電線路的阻塞。
EIM不僅改善了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，而且也能促進(jìn)可再生能源計(jì)劃的實(shí)施。這個(gè)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(gè)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(jìn)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(fèi)，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(yùn)行到2020年7月，西部EIM給市場(chǎng)的參與者帶來了總共超過10億美元的經(jīng)濟(jì)效益；自2015 年以來，總棄風(fēng)棄光量減少了124萬兆瓦時(shí)。隨著新能源發(fā)電量的增加，美國西部累計(jì)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(jī)和新的加州電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)，對(duì)我國的區(qū)域電力市場(chǎng)，特別是對(duì)以廣東為主的南方區(qū)域電力市場(chǎng)的建設(shè)有著重要的借鑒作用。因?yàn)閺V東和加州的情況有很高的相似性，都是本國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)，負(fù)荷最密集的地區(qū)，周邊都是經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后，發(fā)電資源豐富的州（省）。參考美國的經(jīng)驗(yàn)，先把廣東的電力市場(chǎng)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(chǎng)，比起遍地開花，一轟而上的做法，也許會(huì)更有實(shí)效一些。
《中國電力企業(yè)管理》：針對(duì)此次加州的“輪停”事件，國內(nèi)的市場(chǎng)建設(shè)者們就高比例可再生能源系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的凈負(fù)荷需求，以及對(duì)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(jìn)行；從官方出具的初步報(bào)告來看，加州電力市場(chǎng)結(jié)構(gòu)與此次“輪?！笔录陌l(fā)生也不無關(guān)系。對(duì)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(jì)劃的加州而言，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)者將如何應(yīng)對(duì)高比例可再生能源帶給電力市場(chǎng)和電力系統(tǒng)在調(diào)度、運(yùn)行中的挑戰(zhàn)？
當(dāng)下是讓靈活荷負(fù)荷和儲(chǔ)能電池引領(lǐng)發(fā)展的機(jī)遇期，構(gòu)建合理的能源市場(chǎng)，提高靈活性資源的利用水平，才是應(yīng)對(duì)可再生能源整合給電力市場(chǎng)和電網(wǎng)運(yùn)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(shí)停電事件，EIM沒能很好地解決實(shí)時(shí)運(yùn)行備用不足的問題，但是如果將“輪?！笔录繗w罪與EIM市場(chǎng)，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(huì)變得更糟糕。目前EIM只是一個(gè)擴(kuò)展的美國西部能量不平衡市場(chǎng)，它只負(fù)責(zé)在一個(gè)更大的地理范圍內(nèi)實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)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(gè)EIM參與者的非平衡能量，即運(yùn)行備用容量的配置。
運(yùn)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(chǎng)（DAM, Day Ahead Market）中完成的。而在其它的電力平衡機(jī)構(gòu)內(nèi)，不平衡能量/運(yùn)行備用是靠各個(gè)電力平衡機(jī)構(gòu)自行配置的。當(dāng)日前市場(chǎng)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行備用儲(chǔ)備不足時(shí)，CAISO缺乏對(duì)外部資源的管控，到了實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)，這種情況往往得不到改善，這確實(shí)是EIM的不足之處。如果日前市場(chǎng)能夠擴(kuò)展到整個(gè)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(jī)組組合和輔助服務(wù)備用的配置，完善日前的每小時(shí)的交易計(jì)劃，以及提高傳輸利用率，這種運(yùn)行備用儲(chǔ)備不足的現(xiàn)象應(yīng)該是可以避免的。
那么，既然這次運(yùn)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(jì)劃的過于“激進(jìn)”？
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(bào)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(jí)緊急狀況并沒有發(fā)生在負(fù)荷需求高峰的尖峰時(shí)刻，而是在稍后的另一個(gè)關(guān)鍵時(shí)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(jí)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(shí)，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(shí)間，隨著太陽的落山，將近10，000兆瓦發(fā)電能力（在17：05時(shí)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(shí)間正好是用電需求的高峰，為了彌補(bǔ)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(yùn)行備用容量，而且提供這些運(yùn)行備用容量的資源必須具有快速啟動(dòng)和爬坡的能力。這些運(yùn)行備用容量一般由燃?xì)鈾C(jī)組來提供，在通常的情況下，CAISO的市場(chǎng)管理和實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)能夠確認(rèn)適當(dāng)?shù)娜細(xì)鈾C(jī)組來提供必要的運(yùn)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(shí)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(shí)并不需要采取“輪?！贝胧┑闹饕颍钱?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(gè)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(jì)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(gè)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(gè)電廠、共計(jì)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(tái)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(bǔ)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(qiáng)的光伏電站投入，給電力市場(chǎng)的運(yùn)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(duì)這些挑戰(zhàn)，加州州政府，加州電力監(jiān)管機(jī)構(gòu)和加州電力市場(chǎng)和系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)，仍有很多不足的地方值得反思和改進(jìn)。但是，能源轉(zhuǎn)型是全世界的大勢(shì)所趨，我們不能把停電事件的根本原因歸罪于加州“激進(jìn)”的能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)和可再生能源計(jì)劃，更不能因?yàn)?月中旬短暫的輪流停電而動(dòng)搖能源轉(zhuǎn)型的意志和決心。
目前，加州當(dāng)局已經(jīng)就“輪停”事件發(fā)生的原委制定了關(guān)于資源規(guī)劃、采購和市場(chǎng)實(shí)踐的即時(shí)、近期和長(zhǎng)期的改進(jìn)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(chǔ)能項(xiàng)目按時(shí)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(jìn)程”，并“協(xié)調(diào)非CPUC管轄實(shí)體的額外采購”。這些行動(dòng)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(shí)，從“輪停”時(shí)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(shí)行動(dòng)來看，部署需求響應(yīng)程序，啟動(dòng)需求靈活性計(jì)劃，充分利用現(xiàn)有的儲(chǔ)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(dòng)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(shí)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(dòng)了一些需要較長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間的機(jī)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(jī)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(chǎng)更為嚴(yán)峻的熱浪來襲時(shí)，加州成功地避免了采取輪流停電的措施。
從這些行動(dòng)的效果來看，高比例的可再生能源的加入給加州電力市場(chǎng)的運(yùn)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(chǎng)，可以使加州的電網(wǎng)更強(qiáng)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(shí)上，8月14日下午3點(diǎn)至晚上9點(diǎn)，有超過30，000臺(tái)分布式電池向電網(wǎng)中放電，為電網(wǎng)貢獻(xiàn)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(bǔ)加州集中式電網(wǎng)的單點(diǎn)故障。如果所有電池都被鼓勵(lì)放電到電網(wǎng)，完全可以代替發(fā)生故障的燃?xì)鈾C(jī)組。
這是市場(chǎng)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(jì)劃，但是在這次8月中旬的停電事件中，由于市場(chǎng)結(jié)構(gòu)的原因，補(bǔ)償機(jī)制不是很合理，以致于該計(jì)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(bǔ)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(chǔ)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(jī)遇期，構(gòu)建合理的能源市場(chǎng)，提高靈活性負(fù)荷和電池資源利用水平，才是應(yīng)對(duì)可再生能源整合計(jì)劃給電力市場(chǎng)和電網(wǎng)運(yùn)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(jī)組提供應(yīng)急備用的資源，因?yàn)槿細(xì)鈾C(jī)組同樣會(huì)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(huì)(FERC，F(xiàn)ederal Energy Regulatory Commission)批準(zhǔn)了一項(xiàng)突破性的規(guī)則，即第2222號(hào)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(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)，從法律上支持這個(gè)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(jí)緊急事件警告如下：
一級(jí): 系統(tǒng)運(yùn)行容量?jī)?chǔ)備低于需求的 7% à號(hào)召公眾節(jié)約用電
二級(jí): 系統(tǒng)運(yùn)行容量?jī)?chǔ)備低于需求的5%. à工商業(yè)用戶自愿縮減負(fù)荷
三級(jí): 系統(tǒng)運(yùn)行容量?jī)?chǔ)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(yùn)行條件下采用的一種經(jīng)濟(jì)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(yùn)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。
