一份致州长的《停电根本原因分析》——美国加州电力故事连载2

上一篇《被误会的“限电危机”——美国加州电力故事连载1》证实，今年8月份加州限电和涨价， 并不是在 复制 20年前的“安然危机”（电力市场人为操作），而 是 因电力运行备用不足而引发的系统操作， 于是，有人剑指——这都是加州激进的可再生能源整合计划惹的祸。此处又将牵扯出两个新的概念——净负荷需求、容量采购机制。

2020年8月14日，也就是加州发生轮流停电那天，当天的负荷需求最高峰关键时刻16:55分，全网负荷达当天46721兆瓦。

这里要提到一个“净负荷需求”的概念，即总负荷需求减去太阳能和风电发电资源的净负荷需求。

看上方 浅蓝色 的加州电力负荷需求曲线，16:55分负荷达峰，但如果看下方的 深蓝色 的净负荷需求曲线，最高峰则发生在18:55分左右，是42240兆瓦。

上一篇提到过，8月14日CAISO发布第三级紧急状况警告的时间，是在18:38分，正是在净负荷高峰前，而不是全网负荷高峰前。

如上图1，这是8月14日加州电力能源供应结构曲线，从这图可以看出，在高峰负荷时，有10032MW的电力由可再生能源（ 绿线 ）提供。

但到了19:30时，只有3094MW的电力由可再生能源（ 绿线 ）提供。这是由于在17:00-19:30这段时间，随着太阳的落山，将近10000兆瓦的可再生能源快速消失，就在17:05时，还有7454兆瓦。

为了弥补这失去的近10,000兆瓦，保证可靠的电力供应，CAISO不但必须准备足够多的运行备用容量，而且提供这些运行备用容量的资源必须具有快速启动和爬坡的能力，这些运行备用容量一般由燃气机组来提供。

但加州采取严格的水质规定，要求所有的燃气电厂，以及该州的两个大型核电站，停止使用一次通过冷却系统（Once-Through Cooling,OTC)。

8月14日下午，时逢一台500兆瓦的电厂突然故障，另一台停机备用（非旋转备用）的750兆瓦的机组不能及时启动。 故障的正是两台燃机。

同时，西部的其他地方的气温也高于正常水平，使得能够支援加州的电力供应量减少，在这短短的两小时内，CAISO未能找到合适的资源来补充这些短缺的运行备用——净负荷需求高峰时期，运行备用严重不足，才不得不实施轮流停电。

事实上，8月14日当天的46502兆瓦并不是加州历史上最高的。

历史上最高的峰值负荷50270兆瓦，发生在2006年7月24日，当时无需停电，因为当年加州可再生能源在总能源供应的占比不到10%，而太阳能还不到1%，不存在鸭子曲线问题，运行备用主要由燃气电厂提供。

历史上第二个负荷高峰在2017年9月1日，也是因为高温天气。虽然当年加州可再生能源在总能源供应的占比已超过25%，其中太阳能占一半以上，但由于得有来自州外的备用容量支持，避免了停电现像发生。

整件事情看下来，加州这次轮流停电事件似乎和加州能源转型和可再生能源整合计划有关。因为加州有着全美国，甚至全世界的最激进的可再生能源整合计划。

刚才也提到过，加州采取严格的水质规定， 要求所有的燃气电厂，以及该州的两个大型核电站，停止使用一次通过冷却系统。 自2010年以来的10年间，已由7个电厂共有7700兆瓦发电容量的燃气电厂决定退休而不改建。2013年，南加州的圣奥诺弗雷（San Onofre）核电站奉命关闭，失去了2台1127兆瓦的发电容量。

近几年来加州总的发电能力基本不变，核能和燃气发电能力显著地减少。虽然这些失去的发电容量已由新建的可再生能源，主要是太阳能和风能所补充，但是由于可再生能源固有的间断性和不确定性，它们的可靠性和可控制性赶不上传统的燃气电厂和核电厂。

有媒体批评加州不应该这样快地关闭燃气电厂和核电厂，但燃气电厂和核电厂在酷热条件下，也面临着运行上的困难，主要是给冷却系统带来更大的挑战。

根据上述三个单位给加州州长纽森的“2020年8月美国加州轮流停电根本原因的初步分析”报告，停电没有单一的根本原因，而是一系列因素结合在一起导致了CAISO需要引导其管控区域内的公用事业公司采取轮流停。

计划协调员（SC, Schedule Coordinator）代表LSEs在日前能量市场所作的需求计划报价不足，其高峰时期的能源需求计划于8月14日和15日比实际峰值需求分别低了3，386兆瓦和3，434兆瓦，如上图所示，在净需求峰值时期，8月14日及15日需求计划不足分别为1，792兆瓦及3，219兆瓦。

还有一个因素是日前市场市场收敛或虚拟（Convergence/Virtual Bid）报价的参与。 正如名称建议的那样，在正常情况下，收敛报价会导致日前和实时市场之间的价格收敛或适度缓和。 当供应充足时，收敛报价对第二天的负荷和资源的匹配起着重要作用。 然而，在8月14日和15日，负荷报价不足和收敛报价导致日前市场出清有净供应的剩余，从而误导可以支持更多的出口。 在8月16日CAISO观察了8月17日交易日结果后，确定了这种相互作用，所以从8月18日至8月21日的交易日，收敛报价被暂时中止。

CAISO具有一个剩余机组组合（RUC，Residual Unit Commitment）的流程，该流程根据CAISO的负荷预测对调度协调员所提供的所有供应和需求计划的报价（但不包括收敛报价）提供额外的可靠性检查。在对8月14日事件进行审查后，发现之前的一个市场改进功能无意中导致CAISO的RUC流程没能揭示负荷计划不足和供应侧收敛报价的效应，反而强化了支持更多出口的信号。虽然这种市场改进功能是其他市场流程中的必要功能，但基于可靠性的RUC流程並不需要这种功能。因此，CAISO从2020年9月5日开始，在日前市场中停止对RUC流程应用这项改进功能，通过把与CAISO的负荷预测相比是否负荷计划不足的问题内部化，并且忽略收敛报价的影响，从而允许RUC进行适当的可靠性检查。

由于紧急状况，实际供求情况继续偏离市场，即使增加了实时进口，在8月14日及15日净需求高峰接近时， CAISO 仍无法维持所需的应急储备。

电网 上存在超过530 兆瓦的分布式电池，这足以弥补加州集中式电网的单点故障。如果所有这些电池都被鼓励放电到电网，完全可以代替发生故障的燃气机组。 在这次 8 月中旬的停电事件中，灵活性负荷或需求响应计划发挥了一定的作用，但由于市场结构的原因，补偿机制不是很合理，以致于该计划没有得到充分的利用。

高比例的可再生能源投入，给加州电力市场的运行和电网调度带来的挑战是可以克服 的。 通过将灵活性负荷，太阳能和电池等更具弹性的分布式资源整合到加州的批发电力市场，可以使加州的电网更强大。 如果分布式资源被广泛用于支持家庭，商业和学校，发挥其最佳功能，它们可以成为社区和电网所有用户可依赖的真正安全电源。

现在是让灵活荷负载和电池引领发展的时候，构建合理的能源市场，提高灵活性负荷和电池资源利用水平，才是应对可再生能源整合给电力市场和电网运行带来的挑战的正确方向，不能再依赖燃气机组提供应急备用的资源。

20年前的“安然危机”，差点毁了加州的电力工业，是因为什么“致命”的原因？加州从危机中吸取了哪些教训，这十多年来，市场设计者陆续做了哪些新的布局？

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