美国加州光伏发电创纪录 但“鸭子曲线”问题引担忧

最近被一则新闻刷屏，称“今年上半年我国光伏发电新增装机规模超预期，同比增3倍至20GW以上。”那你有没有想过如果这些光伏发电全部并网且没有发生“弃光”的话，电网该是怎样的情形?

也就在十几天前，加州独立系统运营商(CAISO)打破了自己曾创下的光伏发电记录。7月12日下午1点06分光伏发电出力8，030MW，超过2015年约6000MW的发电记录。这相当于200万户家庭的全部用电量。更让人激动的是这个发电记录还没有包括那些个人用户的离网型屋顶光伏发电系统。

不过，光伏发电渗透这么迅猛真的没问题么?

早在2013年，CAISO就预测，按照现在光伏发电的增长速度，到2020年，光伏发电就把火力发电踢下宝座，占领电力系统。可再生能源发电比例上升本该是件欢快的事情，但这却引起了加州独立系统运营商对“鸭子”的思考。

光伏发电和鸭子有什么关系?

想像一下光伏发电的情形。白天发电量会超过用电量，但在傍晚太阳能发电停止时，电力需求却急剧上升。这种现象就是“鸭子曲线”。

上图的“鸭子曲线”可以形象的表示出加州一天24小时中的电力净负荷情况，还有对不远的将来的预测。

按照之前的预测，到2020年，加州的“鸭子”便会出现“大肚腩”。尤其是春季，阳光充足，天气凉爽，因为不需要开空调使得电力需求急剧降低;再加上湿润和大风，水力发电和风力发电蜂拥加入到本已饱和的光伏发电大军当中。

加州电力系统运营商不仅担心“鸭子”肚子过大，也担心脖子太长(担心鸭子变天鹅?)，也真是操碎了心。白天太阳能发电能够满足很大一部分的电力需求，电力系统运营商只需调配小部分电力。但到了傍晚，没有了给力的光伏发电，在短短的几个小时内，净负荷蹭蹭蹭的就上去了。这就是为什么出现了一条又长又陡的线，想必这该是只傲气的“鸭子”吧。

加州的“鸭子”难题

加州对“鸭子”的担忧已经有几年了，那个时候加州的可再生能源发电比例标准还只是在2020年达到33%。如今，加州州长JerryBrown签署通过了新的法案，可再生能源发电比例将在2030年达到50%。估计也是因为这个“激动人心”的法案，最近又掀起了一波对“鸭子”的思考。之前CAISO的预测也算是八九不离十吧，至少知道会变成个“胖鸭子”。但CAISO小瞧了光伏发电比例增长速度，没有料到“鸭子”长胖的速度竟如此之快，简直是逆天的节奏。

不久前加州大学伯克利分校的助理教授MeredithFowlie写了一篇名为“鸭子着陆啦”的博客。她将加州2013到2016年每年3月28日到4月3日这几天每个小时的电力数据绘成了下图。2016年的数据构成的“鸭肚子”比前几年明显多了，而且竟然达到了之前对2020年的预测情况。

她在博客中这样写到：“我们白天的净负载跟预测值差不多，白天光伏发电降低了电力净负载。傍晚5点到8点这段时间电力需求的急速攀升比预期平缓一些。这或许是因为当初没有料想到需求侧能效提升的原因吧”。

加州电网的挑战

加州独立系统运营商(CAISO)目前提供的可再生能源电力占比25%，赞一个。这个结构将随着时间的推移更加的清洁和绿色。本就几乎不出力的煤电，也将彻彻底底的退出历史舞台。

2030年可再生能源发电比例标准(RPS)将达到50%，这意味着加州向“绿色天堂”进军的步伐将越来越快。短短几年中，如此多的可再生能源发电将并入电网，这样的变化对加州独立系统运营商(CAISO)来说是一个不小的挑战。

挑战一：来自暗处的“杀机”，需调配电力傻傻算不清

说起来这都是离网型发电系统惹的“祸”，房屋、办公楼、停车场、学校的屋顶上太阳能电池板随处可见。这些离网型发电系统一方面将减少火电出力，降低CAISO的净负载，减少电力公司的收入;另一方面，加州独立系统运营商并不能清楚的计算这些“嵌入式发电系统”的电力供应，CAISO仅能猜想他们需要调度多少电力。

挑战二：净负荷入天遁地，谁来拯救要折断的“鸭脖子”?

因为光伏发电的出力，CAISO需要调度的电力越来越少。但因为约束性合同，或者是操作上的问题，即使是在不需要的情况下，很多输出电源依旧全力产电。即使低谷刷下限，电力需求高峰仍在，而且可能更高!

就在今年二月，CAISO遭遇了在短短的3个小时内快速填补11GW电力需求的经历。上图也显示出，在4月24日的最低净负载约为12GW，这与之前对2020年的预测情况相似。一个要上天，一个要遁地，不知道CAISO会不会看懵逼?

挑战三：产能过剩时，拿什么保护可再生能源电力?

加州炎热的夏季也是电力需求高峰期，所有的可再生能源发电被充分利用。但在3月到6月间，不弃光显得有点困难。按照现阶段的法案，到2024年，如果可再生能源发电比例标准达到40%，将出现严重的电力过剩现象，甚至在某些日子，电力过剩将高达13-14GW。

在供过于求的日子里，怎么才能够避免弃光呢?

CAISO如何接招?

哎，放着这么多的可再生能源电力不用，看着都心疼。虽然现在“胖鸭子”也不算胖到不忍直视，CAISO勉勉强强还能应付。但就这惊人的增肥速度，CAISO怎能坐视不管?所以啊，加州独立系统运营商CAISO怎么打算的呢?

鼓励更多灵活的、快速出力的电源，能够快速填补激增需求

提高对抽水蓄能电站的依靠，同时也拓展其他储能方式

扩大CAISO能量失衡市场(EIM)的足迹，从而提高对区域网络容量的依靠性

设计更加精密的峰谷电价结构(如分时电价(TOU)和实时电价(RTP))，以此鼓励移峰填谷，达到削减需求的目的。

如果所有的手段都失败了，那么，弃风弃光将会是最坏的打算。不过，所有努力的成果将大部分取决于能量失衡市场扩张的命运。

许多专家相信，一个覆盖美国西部大部分区域的电力批发市场的出现是必然趋势，这只是时间问题。这个新的电力批发市场很可能拥有一个别样的名字和不同的组织架构，以获得包括更多人的支持。

但是，这需要一点时间，也需要耐心的等待。搞定所有的利益相关方需要花些功夫，毕竟这需要考虑美国各州的主权以及新生电力批发市场的核心管理等问题。相似的的解决方案在美国其他地区屡试不爽，相似的解决方案没有理由在加州会以失败告终。

中国的光伏发电装机和并网正在经历一个爆发式增长。加州的电网调峰和消纳经验或许能给我们提前上一课。