加州计划300亿美元升级电网，美国为何经常遭遇停电
撰文 | Sueyl
编辑 | 郭郭
→这是《环球零碳》的第075篇原创
环球零碳
碳中和领域的《新青年》
摘要：加州素有“阳光之州”的美誉，拥有丰富的太阳能资源。正是由于可再生能源的快速增长，加州一天当中的电力净负荷情况变成了“鸭子曲线”。2020年的停电事件，有人认为是能源转型过程中电网配套没跟上。未来高比例新能源接入将对电网灵活调节能力提出极高的要求。
美国西部的加利福尼亚州（简称“加州”），是美国人口第一大州。这两年频频出现在媒体的报道中，是这里的高温、森林大火和停电。
2020年8月，加州忍受了炙热高温的煎熬，南加州部分城市气温甚至达到了46摄氏度。热浪让电网迈向崩溃边缘。当时，数以十万计的民众不得不每日轮流面临拉闸限电。
这是自2007年以来加州电力系统独立运营商CAISO 首次在已采取所有缓解措施的情况下，电网供电仍不能满足预期的电力需求。
当时，时任总统特朗普还在推特上写道:“在加州，民主党人故意轮流停电，让美国人处于黑暗之中。”
仅仅半年之后，德州也因极寒天气停电引发关注。和其他州不一样的是，德州大部分地区的电力供应是完全独立的，拥有自己的电网公司ERCOT，和美国西部电网是完全断开的。当德州发电系统崩溃的时候，其他州就算电力富余，也是爱莫能助。
高温酷暑，拉闸限电；寒流来袭，停水断电。作为美国经济与人口前两位的大州，加州和德州的电力系统却出现如此重大的断电事故，建立稳定安全的电力供应系统成为美国联邦政府和各州政府的重要议程。
拜登在2021年提出重建更好法案（（Build Back Better，简称BBB），计划用1000亿美元建设一个更有弹性的电网。
日前，加州电网运营商CAISO发布的一份规划文件提出，到2040年，加州向清洁电力转型将需要305亿美元的高压大容量输电基础设施投资，以将潜在的121GW新电池存储和可再生能源生产结合起来。
来源：美联社
01
斥巨资建设稳定电力系统
加州是美国清洁能源的领头羊，2020年的停电事件，有人认为是能源转型配套没跟上。
新能源转型，电力系统的结构日益复杂，规模也愈加庞大。充足的电力供应以确保安全可靠的电网功能是成功实施可再生能源驱动电网清洁转型的关键。
CAISO发布的这份文件名为《20年输电展望》（20 Year Transmission Outlook），也是这个机构首次发布20年展望。文件概述了加州实现清洁能源目标的长期基础设施需求。
“加州电网迫切需要更积极、更长期的输电规划和协调。” CAISO首席执行官 Elliot Mainzer表示。
这份规划文件表示，为实现2045年100%清洁供电的目标，要求加州增加53.2GW的公用事业太阳能，而2020年约为14GW；来自怀俄明州等其他州的37GW电池存储和12GW风能。
其他2040年规划包括来自加州中部和北部沿海项目的10GW浮动海上风电、4GW 长期储能、2.3GW 地热和 2.2GW 内陆风电。
该规划指出，连接这些新资源将涉及“重大”重型传输开发。考虑到这些设施所需的交付时间，主要是由于获得通行权和环境许可的要求，这使得加州机构的长期规划更加重要。
《20年输电展望》指出，加州在未来10到20年内面临着对新的可再生资源的前所未有的需求。
02
激进的可再生能源政策影响加州电网的可靠性
图说：加州主要输电线路分布
来源：[1]
加州电网北部与俄勒冈州电网互联，南部与亚利桑那州、墨西哥等电网互联。其电网输电系统主要包括 500、345、220kV等若干个电压等级，由多家电网公司共同运营，其中最大的电网公司为太平洋煤气与电力公司(PG&E)，运营范围覆盖加州全网80%以上。
图说：2020加州电力系统按能源分类发电量
来源：California Energy Commission
2020年，加州电网总发电量达19万GWh，其中燃气机组发电达9万GWh，处于电网发电首位，占比48%。光伏发电占比16%次之，水电为11%，位列整个发电系统第三。其次是核能，风电，地热能等。
2018年9月，时任加州州长杰里ꞏ布朗签署了名为《California Renewables Portfolio Standard Program：emissions of greenhouse gases》的清洁能源法案(SB100法案)。该法案目标力求到2026年可再生能源发电量将占全州发电量的50%；到2030年该比例提高到60%；到2045 年实现100%可再生能源和零碳电力供应。
图说：加州可再生能源发电量占比发展趋势
来源：[1]
与此同时，加州还提前停运或报废了一些核电和燃气机组。在基本负荷天然气和核电计划退役的情况下，迫切需要拥有替代资源来维持电网的可靠性。
电网的不稳定体现在持续高温的出现导致用电量激增。加州持续出现了较为严重的电力短缺情况。
燃气机组的成本高于可再生能源电站，加州发电商认为如果没有容量市场的补贴，投资燃气电厂将难以盈利。缺乏容量市场等激励机制，加州发电商缺少增加天然气机组装机容量的动力。燃气机组容量不足限制了 CAISO 应对短时间内可再生能源大幅波动的能力。
CAISO发布的该公司2021年度夏季负荷和资源评估调查报告指出，加州电网的能源安全状况在夏季得到改善，其中一个因素是部署的电池储能系统的装机容量将会迅速增长，而在夏季的极端热浪期间，电网仍然容易受到供电压力影响。
03
不断增加的光伏-“鸭子曲线”
加州素有“阳光之州”的美誉，拥有丰富的太阳能资源。太阳辐射强，日照时间长，平均日照峰时超过五小时。也正是由于可再生能源的快速增长，加州一天当中的电力净负荷情况变成了“鸭子曲线”。
图说：加州一天24小时中的热电厂净负荷情况
来源：GE
由于太阳能发电在中午达到高峰，随着太阳的下山而逐渐降低。使得电网内其他热电厂在白天则基本较空闲，而到傍晚时分就迅速增加发电量。这就形成了一个“鸭子”形基本负荷曲线。
可再生能源生产高峰期过度发电的风险很高，而当光照停止时，发电需求会在几个小时内发生巨大变化。
“鸭子曲线”产生的主要因素是光伏发电量在中午时达到最大，在傍晚没有太阳能时消失，但此时的电力需求却急剧上升。而此时光伏发电无法满足这种需求。“鸭子曲线”源自美国加州电力系统模型，是指加州电网内热电厂一天的净负荷曲线，因曲线形似一只鸭子而得名。
加州不断增加的光伏使电力净需求曲线为典型的“鸭子曲线”，所以需要大量灵活的机组来维持实时电力供需平衡。
极端高温、风电出力减少、初期的弹性警报效果不佳、激进的可再生能源政策、电网灵活性资源不足、灵活性调节产品失效、加州电网总装机容量不足、加州电网难以与其他电网互济以及加州电力市场机制问题。
随着可再生能源技术价格的稳步下降，越来越多的国家和地区开始实施积极的可再生能源组合标准(RPS)目标，要求增加供应电力需求的可再生资源数量。
实现100%可再生能源供给过程实现传统能源、可再生能源和储能协调发展尤为重要。
未来高比例新能源接入将对电网灵活调节能力提出极高的要求，因此需要在评估电力系统安全性及新能源接入承载力的基础上，合理优化电源结构，建设必要规模的常规电源，配置足够的灵活性调节电源，提升新能源消纳能力，推动实现能源绿色低碳转型。
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参考资料：
[1]何剑,屠竞哲,孙为民,冀鲁豫,张一驰,张晓涵,周勤勇.美国加州“8·14”、“8·15”停电事件初步分析及启示[J].电网技术,2020,44(12):4471-4478.DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.2020.1586.
[2]GE:酷暑驾到，“鸭”力很大？：看黑科技出招，驾驭“鸭子曲线”
[3]Headley, Alexander J., and David A. Copp. "Energy storage sizing for grid compatibility of intermittent renewable resources: A California case study." Energy 198 (2020): 117310.
[4]California Energy Commission: 2020 Total System Electric Generation
[5]胡秦然,丁昊晖,陈心宜,陈涛,丁一原,李扬.美国加州2020年轮流停电事故分析及其对中国电网的启示[J].电力系统自动化,2020,44(24):11-18.
[6] 美国加州德州的电力系统怎么就这么脆弱？| 观
[7]https://www.rechargenews.com/energy-transition/california-scopes-30bn-grid-plan-in-face-of-unprecedented-green-power-demand/2-1-1165980
END
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