美國可再生能源激增，風電也要參加輔助服務了

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

美國能源信息管理局(EIA)表示，可再生能源發(fā)電增勢強勁，預計將在2045年超過氣電。這一預測引發(fā)了人們對可再生能源發(fā)電的間歇性、不穩(wěn)定性及其對美國電力供需與價格影響等問題的多重擔憂。

隨著可再生能源的快速增長，獨立系統(tǒng)運營商(ISO)不僅要棄風棄光保持系統(tǒng)供需平衡，還要解決低電價對未來電網(wǎng)發(fā)展的不利影響。

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

EIA預測，2021年可再生能源發(fā)電將超過核電和煤電，2045年將超過氣電?？稍偕茉窗l(fā)電比例預計將從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%，處于全國領(lǐng)先水平，在過去十年中翻了一近番。與此同時，2019年可再生能源棄電量同比增長了一倍多，同年5月創(chuàng)下月度棄電量223195 MWh的紀錄。

德克薩斯州電力可靠性委員會(ERCOT)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2020年底，風電裝機容量預計將同比增長40%，太陽能裝機將同比增長149%。由于新增可再生能源壓低電價，發(fā)電商投資建設新電廠動力不足，今年系統(tǒng)備用容量預計低至10.6%，連續(xù)三年低于目標13.75%。

加州CAISO：可再生能源棄電嚴重

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

2019年CAISO創(chuàng)下風電太陽能發(fā)電歷史新記錄，5月15日可再生能源發(fā)電比例高達80.3%，其中超過51%來自太陽能，近19%來自風能。8月8日，可再生能源發(fā)電峰值量為14766 MW，占比為41.8%，超過了8月6日13902 MW的記錄;7月2日太陽能發(fā)電峰值量達11473 MW，打破了6月29日10739 MW的記錄;6月8日風力發(fā)電峰值量為5309 MW，超過了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隨之帶來了一些負面影響，據(jù)統(tǒng)計，加州今年僅在4月1日當天的可再生能源棄電量就超過了17000MW。

加州太陽能產(chǎn)能過剩，中午時段發(fā)電量大多大于用電量，因此ISO須自動削減可再生能源發(fā)電以保障電網(wǎng)供需平衡。在極少數(shù)情況下，由于發(fā)電機組發(fā)電競標不足，ISO還須手動核減用電來維持供需平衡。

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

CAISO市場分析預測總監(jiān)吉列爾莫·鮑蒂斯塔·阿德雷特說：“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。”他還補充說，輸電阻塞是CAISO棄電的主因。

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

CAISO風電太陽能每日棄電報告指出，今年3月1日CAISO棄電量為300323 MWh，有78%(233,266 MWh)來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%。但隨著更多的太陽能光伏并網(wǎng)，這個問題將會變得更具挑戰(zhàn)性。為直接解決可再生能源棄電問題，要努力實現(xiàn)儲能與光伏發(fā)電的耦合。

CAISO目前電源耦合請求包括：14.5 GW的太陽能光伏電源，10.5 GW太陽能光伏電源以儲能作為第二電源，14.9 GW的儲能以太陽能光伏作為第二電源，16GW獨立儲能。

春季棄電增加

由于春季用電需求偏低，風電和太陽能發(fā)電增加，同時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：“在一年中某些特定時段如春季，棄電會相對更多。在此期間，太陽能發(fā)電增加，但由于氣候溫和負荷偏低，市場無法消納多發(fā)的可再生能源。”

CAISO高級公共信息官員安妮·岡薩雷斯稱ISO棄電是為了保持供需平衡，當可再生能源供過于求時，市場將自動進行核減。

ISO數(shù)據(jù)顯示，為保持供需平衡，2019年5月CAISO棄風、棄光量總計為223195 MWh，突破歷史新高，環(huán)比增長超過17%。據(jù)估計，2019年全年棄電量同比增長一倍多，過去五年內(nèi)年平均增長近97%。

格林伯格說：“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變少了。但是隨著風電和太陽能光伏發(fā)電的增長，我們?nèi)钥深A見與輸電阻塞相關(guān)的可再生能源棄電量同比將會上漲。

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

日前市場峰荷電價暴跌

隨著可再生能源發(fā)電的增加，棄風棄光現(xiàn)象日益加重，電價也極可能出現(xiàn)暴跌，甚至出現(xiàn)零電價或負電價。這對發(fā)電企業(yè)投資保障電網(wǎng)可靠性提出了挑戰(zhàn)，同時也突出了電網(wǎng)對大規(guī)模儲能的強烈需求。

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

4月1日，當CAISO棄電飆升至17,000 MW時，SP15日前市場峰荷價格僅為12.51美元/MWh，與前一天相比下降了27%;實時市場峰荷價格僅為6.02美元/MWh，下降了一半。

格林伯格指出，高棄電量與低電價間存在正聯(lián)系，因此預測棄電量將有助于進行市場評估。供過于求時段的棄電(零電價或負電價)需要其他時段的高電價來彌補投資成本，這個價差將最終涵蓋可調(diào)度的氣電或儲能成本。

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，而美國其他地區(qū)才剛剛開始認識到可再生能源的快速增長和及高市場滲透率所帶來的一系列挑戰(zhàn)。

ERCOT是全美風電裝機容量最大的地區(qū)，風電裝機近24 GW，并已開始推動太陽能發(fā)電，風電和太陽能發(fā)電預計今年將再次出現(xiàn)大幅增長。該州可再生能源的發(fā)展更多是由稅收抵免政策推動的，而非早已出臺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，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，風電裝機預計同比增長40%，約達33450 MW。根據(jù)ERCOT于1月份發(fā)布的《各類燃料裝機變化圖表》，今年底太陽能光伏裝機容量將同比增長149%，2021年將同比增長105%。

ERCOT數(shù)據(jù)顯示，儲能電池容量也在不斷增長，2020年預計新增262 MW，總?cè)萘窟_366 MW，2021年達568 MW。

與此同時，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風電發(fā)展帶來的低電價已大大減弱了發(fā)電商開發(fā)投資新電廠動力。由于新增電廠不足以補償報廢電廠和負荷增長，ERCOT系統(tǒng)備用容量越來越少，這引發(fā)了人們對未來夏季供電可靠性的擔憂。2020年夏將成為ERCOT備用容量低于13.75%目標的第三個夏季。

新增的廉價可再生能源不斷壓低市場電價。在過去七年中，隨著大規(guī)模風電發(fā)展和近期太陽能新增，德州西部樞紐的實時市場峰荷價格已有五年跌至負價。今年西部樞紐實時市場電價已經(jīng)跌破負3美分/MWh，而這一情況通常發(fā)生在今年晚些時候。2016年第四季度，西部樞紐實時市場價格低至負9.68美元/ MWh。

風電或亦可提供輔助服務

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

CAISO清楚地認識到，目前美國各州及世界各國都在研究大規(guī)模、高比例可再生能源并網(wǎng)規(guī)劃問題，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的增加和達成期限的臨近，這一點變得越來越重要。

阿德雷特談到發(fā)電變革和技術(shù)進步時說道：“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)電目標的邁進，清潔能源滲透率將進一步提高。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：“加州過于遵從目前的可再生能源配額目標和可再生能源稅收抵免措施。”他補充說，在光伏和光儲項目稅收抵免政策，地區(qū)負荷增長低于預期，2030年可再生能源配額制實現(xiàn)60%目標等多重因素下，加州的超額遵守使得當前可再生能源項目開發(fā)成本低。

CAISO首席執(zhí)行官史蒂夫·貝貝里希指出，預測是實現(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能發(fā)電爬坡問題時說，“這包括負荷預測、可再生能源發(fā)電預測和分布式電源發(fā)電預測。”他還補充說，提升發(fā)電靈活性以彌補潛在發(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、國家可再生能源實驗室和通用電氣合作完成了一項研究。該研究表明，帶有基于智能逆變控制器的商業(yè)風電場可提供上下調(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。目前這些穩(wěn)定電網(wǎng)的服務均由常規(guī)能源(如氣電)提供。

該新聞稿稱，通過一些相對簡單的電網(wǎng)運營升級和市場重新設計，幾乎所有的風力發(fā)電廠都可以提供輔助服務并獲得補償收益，這為可再生能源創(chuàng)造了除電能量市場外的新市場。

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