→這是《環(huán)球零碳》的第075篇原創(chuàng)
摘要：加州素有“陽光之州”的美譽，擁有豐富的太陽能資源。正是由于可再生能源的快速增長，加州一天當(dāng)中的電力凈負荷情況變成了“鴨子曲線”。2020年的停電事件，有人認為是能源轉(zhuǎn)型過程中電網(wǎng)配套沒跟上。未來高比例新能源接入將對電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)能力提出極高的要求。
美國西部的加利福尼亞州（簡稱“加州”），是美國人口第一大州。這兩年頻頻出現(xiàn)在媒體的報道中，是這里的高溫、森林大火和停電。
2020年8月，加州忍受了炙熱高溫的煎熬，南加州部分城市氣溫甚至達到了46攝氏度。熱浪讓電網(wǎng)邁向崩潰邊緣。當(dāng)時，數(shù)以十萬計的民眾不得不每日輪流面臨拉閘限電。
這是自2007年以來加州電力系統(tǒng)獨立運營商CAISO 首次在已采取所有緩解措施的情況下，電網(wǎng)供電仍不能滿足預(yù)期的電力需求。
當(dāng)時，時任總統(tǒng)特朗普還在推特上寫道:“在加州，民主黨人故意輪流停電，讓美國人處于黑暗之中。
僅僅半年之后，德州也因極寒天氣停電引發(fā)關(guān)注。和其他州不一樣的是，德州大部分地區(qū)的電力供應(yīng)是完全獨立的，擁有自己的電網(wǎng)公司ERCOT，和美國西部電網(wǎng)是完全斷開的。當(dāng)?shù)轮莅l(fā)電系統(tǒng)崩潰的時候，其他州就算電力富余，也是愛莫能助。
高溫酷暑，拉閘限電；寒流來襲，停水?dāng)嚯姟Ｗ鳛槊绹?jīng)濟與人口前兩位的大州，加州和德州的電力系統(tǒng)卻出現(xiàn)如此重大的斷電事故，建立穩(wěn)定安全的電力供應(yīng)系統(tǒng)成為美國聯(lián)邦政府和各州政府的重要議程。
拜登在2021年提出重建更好法案（（Build Back Better，簡稱BBB），計劃用1000億美元建設(shè)一個更有彈性的電網(wǎng)。
日前，加州電網(wǎng)運營商CAISO發(fā)布的一份規(guī)劃文件提出，到2040年，加州向清潔電力轉(zhuǎn)型將需要305億美元的高壓大容量輸電基礎(chǔ)設(shè)施投資，以將潛在的121GW新電池存儲和可再生能源生產(chǎn)結(jié)合起來。
斥巨資建設(shè)穩(wěn)定電力系統(tǒng)
加州是美國清潔能源的領(lǐng)頭羊，2020年的停電事件，有人認為是能源轉(zhuǎn)型配套沒跟上。
新能源轉(zhuǎn)型，電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，規(guī)模也愈加龐大。充足的電力供應(yīng)以確保安全可靠的電網(wǎng)功能是成功實施可再生能源驅(qū)動電網(wǎng)清潔轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。
CAISO發(fā)布的這份文件名為《20年輸電展望》（20 Year Transmission Outlook），也是這個機構(gòu)首次發(fā)布20年展望。文件概述了加州實現(xiàn)清潔能源目標(biāo)的長期基礎(chǔ)設(shè)施需求。
“加州電網(wǎng)迫切需要更積極、更長期的輸電規(guī)劃和協(xié)調(diào)。” CAISO首席執(zhí)行官 Elliot Mainzer表示。
這份規(guī)劃文件表示，為實現(xiàn)2045年100%清潔供電的目標(biāo)，要求加州增加53.2GW的公用事業(yè)太陽能，而2020年約為14GW；來自懷俄明州等其他州的37GW電池存儲和12GW風(fēng)能。
其他2040年規(guī)劃包括來自加州中部和北部沿海項目的10GW浮動海上風(fēng)電、4GW 長期儲能、2.3GW 地?zé)岷?2.2GW 內(nèi)陸風(fēng)電。
該規(guī)劃指出，連接這些新資源將涉及“重大”重型傳輸開發(fā)?？紤]到這些設(shè)施所需的交付時間，主要是由于獲得通行權(quán)和環(huán)境許可的要求，這使得加州機構(gòu)的長期規(guī)劃更加重要。
《20年輸電展望》指出，加州在未來10到20年內(nèi)面臨著對新的可再生資源的前所未有的需求。
激進的可再生能源政策影響加州電網(wǎng)的可靠性
加州電網(wǎng)北部與俄勒岡州電網(wǎng)互聯(lián)，南部與亞利桑那州、墨西哥等電網(wǎng)互聯(lián)。其電網(wǎng)輸電系統(tǒng)主要包括 500、345、220kV等若干個電壓等級，由多家電網(wǎng)公司共同運營，其中最大的電網(wǎng)公司為太平洋煤氣與電力公司(PG&E)，運營范圍覆蓋加州全網(wǎng)80%以上。
2020年，加州電網(wǎng)總發(fā)電量達19萬GWh，其中燃氣機組發(fā)電達9萬GWh，處于電網(wǎng)發(fā)電首位，占比48%。光伏發(fā)電占比16%次之，水電為11%，位列整個發(fā)電系統(tǒng)第三。其次是核能，風(fēng)電，地?zé)崮艿取?/div>
2018年9月，時任加州州長杰里布朗簽署了名為《California Renewables Portfolio Standard Program：emissions of greenhouse gases》的清潔能源法案(SB100法案)。該法案目標(biāo)力求到2026年可再生能源發(fā)電量將占全州發(fā)電量的50%；到2030年該比例提高到60%；到2045 年實現(xiàn)100%可再生能源和零碳電力供應(yīng)。
與此同時，加州還提前停運或報廢了一些核電和燃氣機組。在基本負荷天然氣和核電計劃退役的情況下，迫切需要擁有替代資源來維持電網(wǎng)的可靠性。
電網(wǎng)的不穩(wěn)定體現(xiàn)在持續(xù)高溫的出現(xiàn)導(dǎo)致用電量激增。加州持續(xù)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的電力短缺情況。
燃氣機組的成本高于可再生能源電站，加州發(fā)電商認為如果沒有容量市場的補貼，投資燃氣電廠將難以盈利。缺乏容量市場等激勵機制，加州發(fā)電商缺少增加天然氣機組裝機容量的動力。燃氣機組容量不足限制了 CAISO 應(yīng)對短時間內(nèi)可再生能源大幅波動的能力。
CAISO發(fā)布的該公司2021年度夏季負荷和資源評估調(diào)查報告指出，加州電網(wǎng)的能源安全狀況在夏季得到改善，其中一個因素是部署的電池儲能系統(tǒng)的裝機容量將會迅速增長，而在夏季的極端熱浪期間，電網(wǎng)仍然容易受到供電壓力影響。
不斷增加的光伏-“鴨子曲線”
加州素有“陽光之州”的美譽，擁有豐富的太陽能資源。太陽輻射強，日照時間長，平均日照峰時超過五小時。也正是由于可再生能源的快速增長，加州一天當(dāng)中的電力凈負荷情況變成了“鴨子曲線”。
由于太陽能發(fā)電在中午達到高峰，隨著太陽的下山而逐漸降低。使得電網(wǎng)內(nèi)其他熱電廠在白天則基本較空閑，而到傍晚時分就迅速增加發(fā)電量。這就形成了一個“鴨子”形基本負荷曲線。
可再生能源生產(chǎn)高峰期過度發(fā)電的風(fēng)險很高，而當(dāng)光照停止時，發(fā)電需求會在幾個小時內(nèi)發(fā)生巨大變化。
“鴨子曲線”產(chǎn)生的主要因素是光伏發(fā)電量在中午時達到最大，在傍晚沒有太陽能時消失，但此時的電力需求卻急劇上升。而此時光伏發(fā)電無法滿足這種需求。“鴨子曲線”源自美國加州電力系統(tǒng)模型，是指加州電網(wǎng)內(nèi)熱電廠一天的凈負荷曲線，因曲線形似一只鴨子而得名。
加州不斷增加的光伏使電力凈需求曲線為典型的“鴨子曲線”，所以需要大量靈活的機組來維持實時電力供需平衡。
極端高溫、風(fēng)電出力減少、初期的彈性警報效果不佳、激進的可再生能源政策、電網(wǎng)靈活性資源不足、靈活性調(diào)節(jié)產(chǎn)品失效、加州電網(wǎng)總裝機容量不足、加州電網(wǎng)難以與其他電網(wǎng)互濟以及加州電力市場機制問題。
隨著可再生能源技術(shù)價格的穩(wěn)步下降，越來越多的國家和地區(qū)開始實施積極的可再生能源組合標(biāo)準(zhǔn)(RPS)目標(biāo)，要求增加供應(yīng)電力需求的可再生資源數(shù)量。
實現(xiàn)100%可再生能源供給過程實現(xiàn)傳統(tǒng)能源、可再生能源和儲能協(xié)調(diào)發(fā)展尤為重要。
未來高比例新能源接入將對電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)能力提出極高的要求，因此需要在評估電力系統(tǒng)安全性及新能源接入承載力的基礎(chǔ)上，合理優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，建設(shè)必要規(guī)模的常規(guī)電源，配置足夠的靈活性調(diào)節(jié)電源，提升新能源消納能力，推動實現(xiàn)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型。
