看加州如何平衡光伏风电火电并网难题?

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看加州如何平衡光伏风电火电并网难题?

泡泡浅眠 2017-07-06 10:03:00 浏览992
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加州是美国第一个将可再生能源供电占比目标写进法律的州。2011年,时任州长Edmund G.Brown签署了SBX1-2,把到2020年加州可再生能源供电比例达到33%写进了法律。加州公用事业委员会(Public Utility Commission of California,CPUC)亦通过制定优惠政策和开展项目大力推动可再生能源发展。

自2003年以来,在法规的支持下,加州已经有8248MW的可再生能源达到商业级规模,2014年可再生能源装机量新增3529MW,成为历年之最。加州三大公用事业公司(PG&E、SDG&E和SCE)在其2013年所供应的电力中,22.7%来自可再生能源。

然而大规模的可再生能源并网让加州电力系统运营商压力陡增。根据CPUC政策要求,电网需要保证可再生能源接入,为此可再生能源入网竞价可以勾选“自安排”(self schedule)选项,系统默认分配其最低报价-150美元/MW,以保证其优先上网。而2014年可再生能源发展“再创新高”,市场数次出现供大于求的状况,因此出现多个负结算价区间。

这对其他传统机组以及CAISO影响非常大,核电以及无水坝的水电无法停止运行,火电需要提供辅助服务,CAISO为了平衡系统,可能不得不中断部分新能源,然而这又与加州政府的要求背道而驰,如果持续地不允许新能源上网,就无法达到2020年33%的法律目标。

加州常年阳光充裕,根据ISO的估算,总负荷约为20000MW,而每天由于可再生能源并网带来的超负荷供应会达到13000MW之多。

野心勃勃的可再生能源计划给加州电力系统运营带来的是异常严峻的考验,如何应对可能出现的严重过量发电?如何保证传统机组不蒙受损失的同时,推动可再生能源的发展? CAISO市场总设计师刘树成从运行角度探讨加州应对可再生能源的10个方法。

发挥ISO的主导作用

加州的可再生能源发展步伐远超预期,根据CAISO的估算,到2024年,如果可再生能源供电比例达到40%,2014年已经出现的供大于求的形势会更加严峻。

在2013年下半年以前,加州尚未面临严重的过量发电问题,加之社会对碳排放等环境因素并未十分敏感,包括灵活多样性容量(Flexible Variety Capacity)等很多方式以前并没有被CAISO应用,对于储能、分时电价,ISO也很少涉及。

随着动态数学模型的完善,ISO对未来十年可再生能源增长对系统的影响有了更精确的估算结果,加之过量发电已经给CAISO带来了压力,CAISO近期已经清楚地认识到,在可再生能源问题上,未来十年将要面临的问题和过去十年曾面临的容量不足问题是完全不同层面的。目前,CAISO已经将很大一部分重心转移到围绕可再生能源入网的市场设计上。

新能源的发展要并入电网,对ISO的运行有非常大的影响,在发电规划中,ISO有必要起到主导作用。

此外,CPUC是根据法律要求提出了针对新能源并网的设想,而5年后当可再生能源比例达到33%时,对于供需之间关系、负荷侧状态、可再生能源分布情况、其他资源充足性等问题,CPUC以及其他团体很难有一个细节的、准确的把握。因此,为了达到法律所设定的目标,解决可再生能源并网问题,CAISO和PUC等相关机构之间必须通力合作,保持一致。

先解决实时平衡

为了保证实时平衡,ISO对过量发电的部分只能叫停,减少上网电量。对于超出的部分,按机组报价,由低到高依次上网,报价最高的减少上网量,而对于报价相同的机组,只能采取均摊模式。

让机组关停,对于部分燃气机组不仅仅是发电成本的问题。燃气机组靠管道供气发电,依据长期合同和负荷预测,燃气机组通常都会有用气规划,并据此购买相应的天然气。然而一旦被叫停,燃气机组就必须想办法处理源源不断的管道气,如果储存起来就是燃料积压,对于机组而言又是一笔成本,这就又涉及补偿问题;如果长时间不允许其发电,储存能力有限,对于燃气电厂压力就非常大。此外,发电过量时,为了保证实时平衡,就需要依赖调度,调度在系统不平衡的时候就需要启用辅助服务,频繁启用辅助服务就会导致一些灵活的机组磨损较为严重,影响其效益,发电商对此亦有微词。

对此之前FERC曾要求各个ISO/RTO设计一个辅助服务出力补偿机制,除了前期支付辅助服务费、容量费,还要按出力再进行弥补。

但这就涉及辅助服务的成本问题。辅助服务如果不够,就会威胁可靠性,违背安全条例,所以市场需要一个强信号,因此辅助服务价格必须非常高。辅助服务价格高,而且还需要按出力进行弥补,这些成本应该由谁来承担?CAISO的设想是根据各个电力公司用电的多少,按比例分配,即某地因为当地情况需要更多的辅助服务备用,它应该承担更多的成本,MISO的设想是均摊。

规划中考虑电厂应变能力

CAISO现在做规划,不仅需要考虑有没有足够的发电,还要考虑电厂的应变能力,即灵活性。比如说,一个发电厂只有核电机组,它有足够的发电能力,但缺乏灵活性;燃气轮机虽然成本高,但非常灵活,可以在几分钟之内迅速启动。

容量机组也需要更灵活

CAISO有一个可靠性服务的标准,主要涉及发电基础灵活性以及和NERC标准耦合的问题。加州由于尚未形成公开市场,这一部分就不在FERC监管之下,而由CPUC监管。CPUC有一个“资源充足性标准”(Resource adequacy),规定每一个公用事业公司必须通过双边合同的形式购买峰荷的115%的容量。如果ISO认为短期内公用事业公司已有的容量合同不够用,ISO可以购买1-3个月的容量合同。

容量市场属于短期的规划问题,并不是一个直接的市场问题。以前CAISO只考虑容量的数量足够即可,但现在,可再生能源的间歇性让ISO意识到仅仅数量上达到要求还不能解决问题,难以即起即停的核电即便参与容量合同,也较难调用。现在ISO对容量有了新的“灵活性”标准,不局限于原有的“最大爬坡”要求,还得看爬坡率,看它达到稳定输出需要多久。

ISO会审核电力公司提交的容量合同,运用一套较为周密的数据模型确定其爬坡能力和爬坡率,严格到最小稳定输出后才纳入计算。此外,ISO不仅购买辅助服务以及短期容量合同,它还会购买灵活的多样容量,因为只有在可持续性不能保证之时才能启用辅助服务,但在非持续性问题上,ISO仍需要保证这部分容量在线,随时可调用。

可再生能源灵活性及风险补贴

除了让传统机组、容量机组有更多的灵活性,CAISO还希望新能源也能提供灵活性,在供大于求的时候可以暂停入网供电。

在加州,新能源不直接进入批发市场,而是和电力公司签订长期合同,这份合同是新能源发电商争取贷款的保障,合同签订之后,相应的发电量就会进入市场,为了保证太阳能、风能优先上网,持有可再生能源合同的电力公司会以负报价竞价,同时ISO系统也有“自安排”机制,符合要求的电量在进入市场时可自行勾选“自安排”项目,系统会自动分配-150美元/MW的最低报价。

一旦发电过剩,系统结算价格会在短时间内真正达到负结算,加州在去年已经多次出现负结算区间。负结算价格的出现对于传统机组和投资者而言并非积极的信号。然而,如果新能源达到15%-20%的可调节性,或将有助于保证资源充足。

加州可再生能源是受政策补贴的,一旦发电量被降,风场所能拿到的补贴就会少于合同电量应该得到的补贴,风场在参与调节上就会面临损失,就必然不愿意弃风。

在这方面就需要PUC的介入,允许公用事业公司去为风场提供赔偿或调节补偿,并将公用事业公司的这一部分支出按成本算入其每年预算,在次年可以从配电费等环节收回。

但如果公用事业公司上报的预算增加,最终会传导到居民身上,这是一个弊端。然而,如果可再生能源不可调,需要把核电关掉,用燃气轮机发电,批发市场成本就会增加,间接会体现在度电电价上。而且关停核电的成本更高。如果仅补贴风电,剩下的其他发电能力不受影响,所要付出的代价孰轻孰重便可知。

发展储能

CPUC在2013年曾出了一个决议,要求到2022年加州要增加1325MW的储能,超过50MW的抽水蓄能都不能算在其中。在储能技术上则没有限制,系统运营商和监管者对形式各样的可以有一定容量的储能方式持鼓励和欢迎态度,诸如封闭式抽水蓄能、压缩空气储能、冰冷蓄能、电池储能等。

如果可以在发电过量的时候把多余的电储存起来,不仅可以减轻CAISO的压力,也可以避免资源浪费。

加州的水电占比很大,然而50MW的抽水蓄能电站仅有圣地亚哥的两个机组,距离CPUC所设立的目标,加州在储能方面还需要投入更多建设。

州内创造需求

过量发电从另一个角度而言就是需求不足,就需要创造需求。

加州政府正在协调各方,比如交通方面,不仅大力推行小型电动汽车,也在公交、地铁等大型交通工具中推动以电作为动力。

电动交通工具的发展则又涉及储能,但这种意义上的储能旨在为了用能而储能,而非抽水蓄能等为了储能而储能。未来的发展可能会有两种方向,一是各自充电;二是电池标准化,形成“电池站”。

无论采用何种方式,如果形成集中储能、集中充电,负荷就会相当大,如果这种大型负荷可以参与需求响应,对价格信号做出反应甚至提供辅助服务,对于电网的潜在好处也非常明显。

延伸一点就是输配基础设施建设,无论未来分布式发电占比多大,电网都需保有相当规模的输配基础设施,因而可再生能源发展并不是一个单方面的增长问题,电网、系统运营商在其中的作用非常重要。

区域间合作 创造需求

FERC下的ISO电力市场通常是跨越州界的,北美电力可靠性委员会(NERC)下有多个可靠性区域,各个区域内部保证系统平衡,而非仅在州内保证供需平衡。

CAISO的市场参与者中亦有很多其他州的发电商,他们通常进的是日前市场,当确定好次日的出力之后,大部分不再参与次日的实时市场。因为根据日前竞价结果安排发电,对州外发电商而言相对容易,成本较低,也避免了实时市场的风险。然而,在实时状态下,需求突然降低或可再生能源过量发电,ISO迫切需要减少发电、减少进口,此时,州外电力公司在日前市场已经竞价完成的部分没办法叫停,因为他们多数不进入日前市场,这就给ISO带来很大负担。

州外参与者进来通常是只卖电、不买电,加州本身的过量发电就卖不出去。2013年加州出现负结算价格的几个小时里,进口的电力仍有3000MW左右。

CAISO市场的交易目前有西部WECC下11个州中7个州的参与者,CAISO希望将这些电力公司纳入为ISO的全市场成员(Full Member),既参与日前市场,也参与实时市场。但CAISO的全称是“加州独立系统运营商”,和PJM、SPP、MISO等区域系统运营商不同,纳入新成员除了需要经过FERC审批,还需州政府同意。这就是复杂所在,加州PUC的五个理事会成员由加州州长任命,州议会审批通过。一旦扩展到其他州,不仅加州州政府要统一,其他各州州政府也需要联合起来再去成立一个联合理事会,相当于将加州ISO向区域RTO过渡。

即便如此,我们也应该认识到,区域电力市场的优势很明显,范围扩大后,各个州气候条件不同,光照时间不同,比起仅仅局限在加州范围内,需求会更大,就有可能去冲抵供应过量。但扩张并非越大越好,WECC内部是强链接,而与东部或其他可靠性区域之间的链接都相当弱,过于广泛的区域链接在物理上亦不可行。

采用分段电价

另外现在加州正在考虑实时电价,已经尝试的是分段电价。加州智能电表普及程度非常高,实施实时电价的技术基础已经具备,进一步的推动则主要依赖于政策。如果要达到上述1325MW的储能,成本将非常高,如果实时电价的价差足够形成刺激,用户也有良好的响应意识,这样成本比储能成本低得多。

近年来,ISO、PUC和CEC联合起来在做这个事情。为什么ISO负责的是输电和批发市场,却要参与到终端电价设计中去?因为ISO需要让其他决策者、监管者了解市场中供需的严峻形势——现在已经有供大于求的现象发生。随着可再生能源继续发展,供需之间已经远远不是十年前人们的认知,ISO需要向PUC、CEC等反馈。这样才能有利于整体上推动可再生能源目标的实现。

ISO、PUC、CEC以及其他相关机构,在可再生能源问题上是相互协作的,政府不能直接干预市场,但市场的稳定发展又需要政策的引导和支持,这就必须要求这些机构之间的协作和沟通。

适当引导节能

节能是一个很重要的概念,但需要恰当的引导。当夜里或早晨,家家户户要注重节能,这对于系统而言非常有利。然而当白天太阳能发电能力非常强,工业用户、商业用户也都在寻求节能,这对于消纳过量发电有时候未必有积极作用。这就需要政策层面的一个引导,包括电价设计、补贴刺激等。

本文转自d1net(转载)

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