近期，美國加州獨立系統運營商（CAISO）發布的幾項電量指標均破記錄：光伏發電量、凈出口電量及儲能充放電量達到有史以來的最高值；氣電發電量雖然沒有明顯高于過去幾年，但機組在午間時段的運行時間也大幅增加。

與之對應地，反映加州電力系統凈負荷的“鴨子曲線”（duck curve）正轉變為更加陡峭的“峽谷曲線”（canyon curve）。

圖1：2018年5月和2023年4月，美國加州電力系統凈負荷曲線

(資料圖片)

“峽谷”成因：系統供需短時變化劇烈

“鴨子曲線”源自美國加州電力系統模型，本質上是一天內發電所滿足的電力負荷的變化圖表，曲線因形似一只鴨子而得名。2008年，美國國家可再生能源實驗室 （NREL）首次發現，隨著光伏和其他可再生能源的增加，該曲線呈現出獨特的形狀。

短時間內供需難以平衡是曲線發生變化的主因之一。

“加州的光伏電量不斷增長，導致白天（鴨腹）凈需求減少，日落時急劇增加（鴨頸），腹部越來越深，頸部越來越陡，這一趨勢愈演愈烈”， 美國電力研究院（EPRI）的負責人曼蘇爾在社交媒體上發文表示。

過去5年，CAISO的光伏裝機容量增長了50%（6GW），光伏發電量也大幅增加；有時，可再生能源發電量供過于求，超過用戶所需電量。2023年，這一問題更加凸顯。

據曼蘇爾介紹，由于2023年春季天氣溫和，陽光明媚的日子較多，光伏出力大大增加，但此時加州氣溫還不高，空調等大負荷還沒廣泛使用，電力需求并未被推高，日間時段的供過于求導致凈負荷出現負值。

隨著風電、光伏的大規模部署，電力系統凈負荷短時大幅變化，未來加州的電力爬坡問題將更加突出。為維持系統功率平衡，常規電源需要在太陽升起時快速下線，在太陽落山時快速上線。這大大增加了加州電力系統對靈活性電源的需求，也對電力公司和電網提出新的挑戰。

亟需提升電力系統靈活性

“‘峽谷’變深，意味著電力系統需要更靈活的日內調節能力。在午間降低出力，傍晚迅速提升出力”，曼蘇爾指出。

由于系統運營商需要調節的功率變化幅度越來越大，此時，具備較強負荷調節速率的并網主體成為電網首選。這些機組可根據調度指令調整出力，提供爬坡服務。

對發電公司來說，在接近日落時，他們需要提前開啟無法快速爬坡出力的發電機組，以便在日落后能滿足負荷需求，但這會造成一定程度的資源浪費。隨著“鴨子曲線”頸部變得越陡峭（即日落時凈需求急劇上升），電力公司需要部署能夠更快響應的發電機組。

對于獨立系統運營商來說，凈負荷的急劇變化對系統調控造成了困難。功率如果不平衡，會引起系統頻率、電壓等指標波動，進而威脅電網安全穩定運行；一些容量不足區域的供電可靠性可能會受到影響。

如圖2所示，2023年4月16日中午12：20，CAISO運營范圍內的光伏大發，凈負荷跌至負值，達到-63MW。這時系統功率平衡的調節難度增大，運營商面臨艱難的選擇：要么關停不能快速重啟的常規電源，要么棄掉一部分可再生能源。由于光伏出力水平相對較難預測，關停常規電源有可能導致供應不足和限電風險。但如果棄掉可再生能源，由于常規能源發電機組的邊際成本要更高，可能會提高批發電價水平。

圖2：2023年4月16日加州電力系統凈負荷曲線

而太陽開始落山時，負荷需求達到峰值，系統運營商又要在幾小時內增加近16GW的發電量。這相當于要讓7個Diablo Canyon核電站（目前加州唯一運行的核電站）在3小時內將發電量從零迅速提高到滿負荷運行。

曼蘇爾指出，凈負荷下降時，為保障系統平衡，目前系統運營商主要通過減少氣電電量、啟用儲能電池充電等方式來調節電源出力。當凈負荷開始上升時，即便凈負荷當時仍處于谷底，運營商也會要求一些氣電機組必須隨時待命，在太陽落山時增加氣電出力，增加外來電源，啟用抽水蓄能，同時利用儲能電池放電。

圖3：2023年4月16日加州電力供應曲線

早年間，電力專家們曾希望通過增加靈活性資源來平抑“鴨子曲線”，但效果并不顯著。

2022年9月，加州通過了SB1020法案，設定了新的清潔能源發展目標，要求到2035年加州的清潔能源發電占比達到90%。此前加州的SB100法案要求，該州的可再生能源發電比例在2030年達到60%。預計“峽谷”趨勢將更加明顯。

“屆時，電網將越來越依賴于能快速啟停的靈活性資源。例如，在電源側利用新型儲能技術，并在需求側通過擴大峰谷電價差等措施，鼓勵用戶在深夜到中午的時段多用電”，曼蘇爾表示。

棄電量增加，批發電價降低

為保障系統平衡，加州獨立系統運營商也會棄掉一部分可再生能源。

目前，加州主要有兩種棄電形式。一種是在系統供過于求時在全系統范圍內棄電；另一種是在發生輸電阻塞時局部棄電。2023年3月和4月，加州全系統范圍內棄電電量在所有棄電情形中的比重均大幅增加，接近40%。

這兩種形式又按照棄電原因分為經濟棄電、自行安排的棄電和例外調度三類情況。

其中，經濟棄電通常發生在市場電價已降為低價或負價的時段。由于電力供過于求，市場會優先選擇成本最低的發電機組，在價格開始下跌時，可再生能源機組可以通過減少發電量的方式，參與投標競價，進入市場。經濟棄電是一種正常且健康的市場結果。

自行安排的棄電是指，發電商自行減少參與競價的發電量。這通常出現在電力供過于求或輸電阻塞時，運營商會發出指令呼吁發電機組調低輸出電量，進行局部棄電。這時發電機組會根據調度指令和電價等方面的考慮，自行安排棄電。

上述兩種棄電方式都屬于“基于市場原則”的棄電，CAISO的市場優化軟件會根據負荷需求自動調整系統的供電量。

如果“基于市場原則”的兩種棄電方式還不能緩解電力過剩，CAISO將人為干預機組出力，采用“例外調度”。這時，系統運營商會要求特定的可再生能源機組減少出力，避免系統出現可靠性風險。

由于例外調度并非出于經濟性考量，不能確保系統調用最低成本的電源，還可能降低可再生能源的投資積極性，因此，這種棄電方式并不是系統運營商的首選。

圖4：2023年4月16日CAISO棄電報告

圖4為2023年4月16日CAISO發布的棄電報告。由圖可見，白天光伏棄電量上升。在中午，當該州的凈負荷正式突破-63MW時，光伏棄電水平達到峰值，略高于1.7GW，棄電量達1.54GWh。

可再生能源發電量的增加也拉低了批發電價。美國能源信息署（EIA）的數據顯示，2023年3月，南加州現貨市場（SP15）的日前峰荷電價平均值下降了6%，為62.25美元/MWh，4月SP15日前峰荷電價平均值則進一步下降，達到48.95美元/MWh。

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