近年來(lái)隨著可再生能源的快速發(fā)展，美國(guó)部分地區(qū)的電網(wǎng)無(wú)法消納新增可再生能源的現(xiàn)象屢見不鮮。

美國(guó)能源信息管理局（EIA）表示，可再生能源發(fā)電增勢(shì)強(qiáng)勁，預(yù)計(jì)將在2045年超過(guò)氣電。這一預(yù)測(cè)引發(fā)了人們對(duì)可再生能源發(fā)電的間歇性、不穩(wěn)定性及其對(duì)美國(guó)電力供需與價(jià)格影響等問(wèn)題的多重?fù)?dān)憂。

隨著可再生能源的快速增長(zhǎng)，獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（ISO）不僅要棄風(fēng)棄光保持系統(tǒng)供需平衡，還要解決低電價(jià)對(duì)未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展的不利影響。

標(biāo)普全球普氏能源資訊北美電力分析高級(jí)經(jīng)理莫里斯·格林伯格說(shuō)，可再生能源發(fā)電的間歇性和不穩(wěn)定性給電網(wǎng)運(yùn)行中的額外備用要求和需求側(cè)響應(yīng)等資源的充足性帶來(lái)了更多的不確定性。

EIA預(yù)測(cè)，2021年可再生能源發(fā)電將超過(guò)核電和煤電，2045年將超過(guò)氣電。可再生能源發(fā)電比例預(yù)計(jì)將從2019年的19％增加到2050年的38％。

根據(jù)加州電力調(diào)度中心（CAISO）的數(shù)據(jù)，可再生能源發(fā)電比例約為40%，處于全國(guó)領(lǐng)先水平，在過(guò)去十年中翻了一近番。與此同時(shí)，2019年可再生能源棄電量同比增長(zhǎng)了一倍多，同年5月創(chuàng)下月度棄電量223195 MWh的紀(jì)錄。

德克薩斯州電力可靠性委員會(huì)（ERCOT）相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2020年底，風(fēng)電裝機(jī)容量預(yù)計(jì)將同比增長(zhǎng)40％，太陽(yáng)能裝機(jī)將同比增長(zhǎng)149％。由于新增可再生能源壓低電價(jià)，發(fā)電商投資建設(shè)新電廠動(dòng)力不足，今年系統(tǒng)備用容量預(yù)計(jì)低至10.6％，連續(xù)三年低于目標(biāo)13.75％。

加州CAISO：可再生能源棄電嚴(yán)重

加州一直是美國(guó)可再生能源發(fā)展的引領(lǐng)者，也是太陽(yáng)能光伏發(fā)電比例最高的州，裝機(jī)容量約為13 GW。

2019年CAISO創(chuàng)下風(fēng)電太陽(yáng)能發(fā)電歷史新記錄，5月15日可再生能源發(fā)電比例高達(dá)80.3%，其中超過(guò)51％來(lái)自太陽(yáng)能，近19％來(lái)自風(fēng)能。8月8日，可再生能源發(fā)電峰值量為14766 MW，占比為41.8%，超過(guò)了8月6日13902 MW的記錄；7月2日太陽(yáng)能發(fā)電峰值量達(dá)11473 MW，打破了6月29日10739 MW的記錄；6月8日風(fēng)力發(fā)電峰值量為5309 MW，超過(guò)了5月8日5193 MW的記錄。

輸電阻塞為棄電主因

可再生能源快速增長(zhǎng)隨之帶來(lái)了一些負(fù)面影響，據(jù)統(tǒng)計(jì)，加州今年僅在4月1日當(dāng)天的可再生能源棄電量就超過(guò)了17000MW。

加州太陽(yáng)能產(chǎn)能過(guò)剩，中午時(shí)段發(fā)電量大多大于用電量，因此ISO須自動(dòng)削減可再生能源發(fā)電以保障電網(wǎng)供需平衡。在極少數(shù)情況下，由于發(fā)電機(jī)組發(fā)電競(jìng)標(biāo)不足，ISO還須手動(dòng)核減用電來(lái)維持供需平衡。

目前有兩種形式的棄電方式：一是供過(guò)于求時(shí)進(jìn)行全系統(tǒng)范圍內(nèi)棄電；二是輸電阻塞時(shí)進(jìn)行局部棄電。

CAISO市場(chǎng)分析預(yù)測(cè)總監(jiān)吉列爾莫·鮑蒂斯塔·阿德雷特說(shuō)：“規(guī)劃可再生能源傳輸線路可能是解決輸電阻塞最有效的方法。”他還補(bǔ)充說(shuō)，輸電阻塞是CAISO棄電的主因。

ISO發(fā)布的每日?qǐng)?bào)告中細(xì)分了一天中各小時(shí)的電量削減類型。1月數(shù)據(jù)表明由輸電阻塞導(dǎo)致的棄電占比很高，累計(jì)棄電138,002 MWh，環(huán)比增長(zhǎng)近100％，超過(guò)近五年1月棄電量總和。阿德雷特表示，該月南部區(qū)域的停電導(dǎo)致了局部棄電。

CAISO風(fēng)電太陽(yáng)能每日棄電報(bào)告指出，今年3月1日CAISO棄電量為300323 MWh，有78％（233,266 MWh）來(lái)自擁堵管理和局部棄電。

阿德雷特表示，從理性角度看，目前可再生能源棄電量只占可再生能源總發(fā)電量的2-3％。但隨著更多的太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)，這個(gè)問(wèn)題將會(huì)變得更具挑戰(zhàn)性。為直接解決可再生能源棄電問(wèn)題，要努力實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能與光伏發(fā)電的耦合。

CAISO目前電源耦合請(qǐng)求包括：14.5 GW的太陽(yáng)能光伏電源，10.5 GW太陽(yáng)能光伏電源以儲(chǔ)能作為第二電源，14.9 GW的儲(chǔ)能以太陽(yáng)能光伏作為第二電源，16GW獨(dú)立儲(chǔ)能。

春季棄電增加

由于春季用電需求偏低，風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電增加，同時(shí)受到春冬換季水電增發(fā)的影響，CAISO可再生能源季節(jié)性棄電增多。

格林伯格說(shuō)：“在一年中某些特定時(shí)段如春季，棄電會(huì)相對(duì)更多。在此期間，太陽(yáng)能發(fā)電增加，但由于氣候溫和負(fù)荷偏低，市場(chǎng)無(wú)法消納多發(fā)的可再生能源。”

CAISO高級(jí)公共信息官員安妮·岡薩雷斯稱ISO棄電是為了保持供需平衡，當(dāng)可再生能源供過(guò)于求時(shí)，市場(chǎng)將自動(dòng)進(jìn)行核減。

ISO數(shù)據(jù)顯示，為保持供需平衡，2019年5月CAISO棄風(fēng)、棄光量總計(jì)為223195 MWh，突破歷史新高，環(huán)比增長(zhǎng)超過(guò)17％。據(jù)估計(jì)，2019年全年棄電量同比增長(zhǎng)一倍多，過(guò)去五年內(nèi)年平均增長(zhǎng)近97%。

格林伯格說(shuō)：“今年春季可再生能源棄電受限的原因之一是加州的水電供應(yīng)變少了。但是隨著風(fēng)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電的增長(zhǎng)，我們?nèi)钥深A(yù)見與輸電阻塞相關(guān)的可再生能源棄電量同比將會(huì)上漲。

由ISO數(shù)據(jù)可知，今年加州水電占比為7.1%，遠(yuǎn)低于2019年第一季度的13.2％。根據(jù)加利福尼亞州內(nèi)華達(dá)河沿岸預(yù)報(bào)中心的數(shù)據(jù)，該州的水文晴雨表莎士達(dá)水壩目前水量為4-7月豐水季正常水平的63%，這也代表了加州水庫(kù)的總體趨勢(shì)。

日前市場(chǎng)峰荷電價(jià)暴跌

隨著可再生能源發(fā)電的增加，棄風(fēng)棄光現(xiàn)象日益加重，電價(jià)也極可能出現(xiàn)暴跌，甚至出現(xiàn)零電價(jià)或負(fù)電價(jià)。這對(duì)發(fā)電企業(yè)投資保障電網(wǎng)可靠性提出了挑戰(zhàn)，同時(shí)也突出了電網(wǎng)對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能的強(qiáng)烈需求。

據(jù)ISO數(shù)據(jù)顯示，2019年CAISO的棄電量同比增長(zhǎng)了一倍多，但SP15日前市場(chǎng)峰荷價(jià)格卻同比下降了近22％。

4月1日，當(dāng)CAISO棄電飆升至17,000 MW時(shí)，SP15日前市場(chǎng)峰荷價(jià)格僅為12.51美元/MWh，與前一天相比下降了27％；實(shí)時(shí)市場(chǎng)峰荷價(jià)格僅為6.02美元/MWh，下降了一半。

格林伯格指出，高棄電量與低電價(jià)間存在正聯(lián)系，因此預(yù)測(cè)棄電量將有助于進(jìn)行市場(chǎng)評(píng)估。供過(guò)于求時(shí)段的棄電（零電價(jià)或負(fù)電價(jià)）需要其他時(shí)段的高電價(jià)來(lái)彌補(bǔ)投資成本，這個(gè)價(jià)差將最終涵蓋可調(diào)度的氣電或儲(chǔ)能成本。

德州ERCOT：系統(tǒng)備用容量緊缺

加州已成為研究可再生能源轉(zhuǎn)型的典型案例，而美國(guó)其他地區(qū)才剛剛開始認(rèn)識(shí)到可再生能源的快速增長(zhǎng)和及高市場(chǎng)滲透率所帶來(lái)的一系列挑戰(zhàn)。

ERCOT是全美風(fēng)電裝機(jī)容量最大的地區(qū)，風(fēng)電裝機(jī)近24 GW，并已開始推動(dòng)太陽(yáng)能發(fā)電，風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電預(yù)計(jì)今年將再次出現(xiàn)大幅增長(zhǎng)。該州可再生能源的發(fā)展更多是由稅收抵免政策推動(dòng)的，而非早已出臺(tái)的各州可再生能源配額制。

隨著稅收抵免逐步降低，輸電阻塞壓低電價(jià)，可再生能源發(fā)電增速已放緩。但若所有已簽署協(xié)議均照常執(zhí)行，至2020年底，風(fēng)電裝機(jī)預(yù)計(jì)同比增長(zhǎng)40％，約達(dá)33450 MW。根據(jù)ERCOT于1月份發(fā)布的《各類燃料裝機(jī)變化圖表》，今年底太陽(yáng)能光伏裝機(jī)容量將同比增長(zhǎng)149％，2021年將同比增長(zhǎng)105％。

ERCOT數(shù)據(jù)顯示，儲(chǔ)能電池容量也在不斷增長(zhǎng)，2020年預(yù)計(jì)新增262 MW，總?cè)萘窟_(dá)366 MW，2021年達(dá)568 MW。

與此同時(shí)，可再生能源棄電量也在增加。根據(jù)ERCOT數(shù)據(jù)，該區(qū)1月份電力供過(guò)于求，棄電近500MW，與上月相比增加了87％，約為一年前的三倍。

ERCOT風(fēng)電發(fā)展帶來(lái)的低電價(jià)已大大減弱了發(fā)電商開發(fā)投資新電廠動(dòng)力。由于新增電廠不足以補(bǔ)償報(bào)廢電廠和負(fù)荷增長(zhǎng)，ERCOT系統(tǒng)備用容量越來(lái)越少，這引發(fā)了人們對(duì)未來(lái)夏季供電可靠性的擔(dān)憂。2020年夏將成為ERCOT備用容量低于13.75％目標(biāo)的第三個(gè)夏季。

新增的廉價(jià)可再生能源不斷壓低市場(chǎng)電價(jià)。在過(guò)去七年中，隨著大規(guī)模風(fēng)電發(fā)展和近期太陽(yáng)能新增，德州西部樞紐的實(shí)時(shí)市場(chǎng)峰荷價(jià)格已有五年跌至負(fù)價(jià)。今年西部樞紐實(shí)時(shí)市場(chǎng)電價(jià)已經(jīng)跌破負(fù)3美分/MWh，而這一情況通常發(fā)生在今年晚些時(shí)候。2016年第四季度，西部樞紐實(shí)時(shí)市場(chǎng)價(jià)格低至負(fù)9.68美元/ MWh。

風(fēng)電或亦可提供輔助服務(wù)

以上各州案例揭示了美國(guó)各州要在未來(lái)幾十年后達(dá)到80％-100％零排放發(fā)電目標(biāo)所面臨的挑戰(zhàn)。

CAISO清楚地認(rèn)識(shí)到，目前美國(guó)各州及世界各國(guó)都在研究大規(guī)模、高比例可再生能源并網(wǎng)規(guī)劃問(wèn)題，很多州都以加州作為典型案例。隨著各州可再生能源配額目標(biāo)的增加和達(dá)成期限的臨近，這一點(diǎn)變得越來(lái)越重要。

阿德雷特談到發(fā)電變革和技術(shù)進(jìn)步時(shí)說(shuō)道：“一切發(fā)展如此之快。隨著加州向2024年可再生能源占比44%和2045年100％零碳發(fā)電目標(biāo)的邁進(jìn)，清潔能源滲透率將進(jìn)一步提高。發(fā)電技術(shù)組合和地理資源配置的多樣性將起到至關(guān)重要的作用。”

格林伯格說(shuō)：“加州過(guò)于遵從目前的可再生能源配額目標(biāo)和可再生能源稅收抵免措施。”他補(bǔ)充說(shuō)，在光伏和光儲(chǔ)項(xiàng)目稅收抵免政策，地區(qū)負(fù)荷增長(zhǎng)低于預(yù)期，2030年可再生能源配額制實(shí)現(xiàn)60%目標(biāo)等多重因素下，加州的超額遵守使得當(dāng)前可再生能源項(xiàng)目開發(fā)成本低。

CAISO首席執(zhí)行官史蒂夫·貝貝里希指出，預(yù)測(cè)是實(shí)現(xiàn)高比例可再生能源并網(wǎng)的關(guān)鍵因素。貝貝里希在談及可再生能源可靠性和太陽(yáng)能發(fā)電爬坡問(wèn)題時(shí)說(shuō)，“這包括負(fù)荷預(yù)測(cè)、可再生能源發(fā)電預(yù)測(cè)和分布式電源發(fā)電預(yù)測(cè)。”他還補(bǔ)充說(shuō)，提升發(fā)電靈活性以彌補(bǔ)潛在發(fā)電差距是非常重要的。

ISO發(fā)布新聞稱，CAISO近期與阿凡格瑞德新能源、國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室和通用電氣合作完成了一項(xiàng)研究。該研究表明，帶有基于智能逆變控制器的商業(yè)風(fēng)電場(chǎng)可提供上下調(diào)節(jié)發(fā)電，電壓調(diào)節(jié)控制，有功功率控制和頻率調(diào)整等服務(wù)。目前這些穩(wěn)定電網(wǎng)的服務(wù)均由常規(guī)能源（如氣電）提供。

該新聞稿稱，通過(guò)一些相對(duì)簡(jiǎn)單的電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)升級(jí)和市場(chǎng)重新設(shè)計(jì)，幾乎所有的風(fēng)力發(fā)電廠都可以提供輔助服務(wù)并獲得補(bǔ)償收益，這為可再生能源創(chuàng)造了除電能量市場(chǎng)外的新市場(chǎng)。

貝貝里希表示：“我們還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)100%零排放的方案。”他補(bǔ)充說(shuō)，多樣化的儲(chǔ)能將成為至關(guān)重要的一環(huán)，此外發(fā)揮地理資源配置優(yōu)勢(shì)也將在平衡發(fā)電方面扮演重要角色。