【干货】光伏发电系统电力需求“鸭型曲线”现象改善方法

因分散型光伏发电系统的大量导入，出现了白天发电量超过用电量，但在傍晚太阳能发电停止时，电力需求却急剧上升的现象。不久的将来填补这种巨大的供需缺口会变得困难——加利福尼亚州几年前就开始有了这种担忧。

高峰需求在傍晚至夜间

这种现象被称为“鸭型曲线”。2013年至2020年间，加利福尼亚州的分时“实际电力需求”与“供给量”的曲线图变化就呈现出这种现象（图1）。这里的“供给量”是指电力公司的大规模集中型发电站供给的电力量；“实际电力需求”是指，整体用电量减去与消费者侧的配电网并网的分散型光伏及风力等发电量之后的电力需求。

图1：加利福尼亚州的实际电力需求变化（出处：CaliforniaIn dependent System Operator）

表示电力需求的曲线图原本是从早上至中午为缓慢上升的，形成从鸭子尾巴到背部那样的曲线。但随着分散型光伏发电的导入量增加，鸭子的背部曲线将变成腹部曲线。导入光伏发电等分散型发电后，家庭的电力需求由光伏电力就能满足，从电力公司的购电量将减少。就是说，随着分散型光伏发电的大量导入，白天的“实际电力需求”会大幅降低，这时就开始要担心电力公司供给的电力过剩了。

教给鸭子飞翔的方法

问题之一是，光伏发电的输出高峰与需求高峰不是一致的。在加利福尼亚州，光伏发电系统的发电量在中午至下午2点期间是高峰。而需求高峰则出线下午更晚一些时候，为傍晚5点至晚上8点左右。就是说，供给和需求会有缺口。

另一个问题是，需求高峰急剧上升。虽然白天利用光伏发电将实际需求降到了最低水平，但在光伏发电不再输出电力的傍晚，“真正”的电力需求高峰却到来了。预计到2020年，将必须要在3个小时的短时间内快速填补约13GW的需求。

因鸭型曲线现象，估计白天将不得不减少原本不是用来调节的基础电源的供给量，并且，为了填补比傍晚时更大的需求差，就可能需要作使火力发电设备等现有设备待机，以便进行急剧提高输出电力等控制。

鸭型曲线的问题是，白天电力公司的供给超过需求，和傍晚以后急剧上升的高峰需求要在短时间内满足。形象地说，就是教给肚子浮在水面上、为了呼吸而伸长脖子的鸭子“飞翔的方法”，使鸭子的身体伸展至水平线上。即缩小供需曲线的差距，减少变动（图2）。

图2：“教给鸭子飞翔方法”成为系统运行战略（出处：Regulatory Assistance Project）

克服鸭型曲线的10个战略

Regulatory Assistance Project（RAP）综合了上述想法，以“教给鸭子飞翔方法”为题提出了报告。该团体是由促进能源产业的经济及环境长期可持续发展的政策及法规专家组成的特定非营利活动法人。作为使供需平衡的鸭型曲线改善对策，报告的作者JimLazer提出了10项战略（图3）。其中，除了利用蓄电池抑制光伏发电系统的输出变动外，还有能为送配电网的稳定作贡献、节能和节电、需求响应（DR）以及灵活利用水和热的方法等。

图3：在避免输出抑制和稳定供应之间取得平衡的10项运行战略

这里重要的是，为不抑制能对地球变暖对策和地区经济活性化等做出巨大贡献的可再生能源的输出，并在今后进一步增加导入，而促进白天光伏发电电力的使用。即，把以前鼓励的夜间电力消费“转移”到光伏发电量最大的白天，从而最大限度利用光伏电力，从而缓解傍晚开始出现的需求高峰。

Lazer指出，“虽然鸭型曲线的概念是在光伏发电导入量最大的加利福尼亚州诞生的，但其在光伏发电渗透率非常高的夏威夷州和德国已经成为严重的问题”。进而作为10项战略政策中保持电力供需平衡最重要的政策，Lazer还提出了（4）系统并网型电热水器、（5）冰蓄热空调系统、（6）电费制度及（8）需求响应（DR）计划等四项对策。

利用“水”、“热”、“冰”的节电和储藏

通过控制水的使用方法，能为电力供求平衡做出巨大贡献。据称自来水局要消费全美总用电量的7％。自来水设施在抽水、蓄水、导水、净水和送配水过程中要使用水泵，会消耗大量电力。在光伏发电高峰期有剩余电力时可利用水泵抽水及蓄水，在电力需求急剧上升的傍晚时段减少水泵的使用。抽水蓄能电站利用剩余电力，将下游水库的水抽到上游的水库中，在傍晚至夜间的用电需求高峰时用抽上来的水发电。水利局也可以这样利用水来储藏能源。

据称目前全美使用着约4500万台电热水器（图4），且热水器占一个家庭总用电量的9％。热水器的使用集中在使用淋浴的早上和晚上。白天可利用光伏电力将水烧开存储在储水槽中，在之外的时段供应热水。这样，就能利用热水器储藏能源。

图4：美国各地区的电热水器导入率。夏威夷州的导入率为美国最高（出处：Regulatory Assistance Project）

夏威夷州的电热水器渗透率为全美最高，达到60％。该州导入了利用光伏发电“蓄热”，以削减高峰电力需求的试点计划。根据Lazer的分析，热水器年均消耗4522kWh电力。这相当于约2.2kW的光伏发电设备的年发电量。这一数值乘以4500万台电热水器的数量，理论上用电量将达到约100万MW（100GW）。就是说，只要灵活利用电热水器，就能吸收这么多的光伏发电装机容量。

与电热水器一样，也可以利用冰蓄热空调系统，使用白天的光伏电力缓和夜间的用电高峰：白天制造制冷用冰，避开用电高峰时的电力消费。Lazer认为，利用电热水器和冰蓄热空调系统的能源储藏要比蓄电池性价比更高。

将电力消费移到白天

日本以核电的运转为前提，设定有“深夜优惠”等资费方式，对夜间的过剩电力定价较低，而夏威夷州部分地区已经出台了与光伏发电高峰时相应的“白天优惠”措施。并且，为了缓和傍晚至夜间急剧上升的电力需求，还出现了通过将电力消费需求由傍晚移到其他时间，并改良电费制度和制定需求响应（DR）计划，以促进消费者多用包含可再生能源在内的新电源的动向。

顺便一提，通过导入并实践10项战略得知，能将最高需求与最低需求的差由1800MW降至一半以下的660MW，负载率（LoadFactor）由73.6％上升至86.5％，能够更加充分地利用电力设备的能力（图5）。

图5：上为导入战略前的曲线（蓝线：总需求，绿线：实际需求）。下为利用战略使实际需求与采取战略前的总需求达到相同水平时。绿线的实际需求接近平缓（出处：Regulatory Assistance Project）