前车之鉴：看美国如何消纳可再生能源

近日，国家发改委出台了《关于开展可再生能源就近消纳试点的通知》(以下简称《通知》)，提出可再生能源在局域电网就近消纳、努力解决弃风和弃光问题、鼓励可再生能源参与直接交易等目标。随着近几年可再生能源在世界范围内的快速发展，如何对其进行有效的消纳不仅是中国面临的挑战，也是欧美等发达国家面临的挑战。本文主要分析美国在如何消纳可再生能源这一难题上所采取的措施以及取得的效果，期待对我国进行类似的改革起到一定的借鉴作用。

以风电和太阳能为代表的可再生能源在美国电力系统占据了重要的地位。在2014年美国的新增装机容量中，有一半是可再生能源。2014年风电和太阳能新增装机容量分别为4.7GW和7GW，使得截至2014年底美国风电和太阳能总装机容量分别达到64GW和20GW。

然而，大规模可再生能源的并网，使得系统如何消纳这些能源成为了严峻的问题。这些问题包括，输电容量的扩容往往落后于可再生能源发电容量的扩容，造成电力无法输送到需要的区域;风和太阳能等新能源受自然天气因素的影响较大，使得系统运行的不确定性增加;新能源独有的“反用电”规律(比如在半夜负荷很低时风电反而更多;晚上负荷高峰时期太阳能却无法发电)对系统内的其它传统机组的运行带来很大压力，等等。这些问题导致的一个重要不利结果，便是所谓的”弃风”和“弃光”现象。据美国中部地区最大的供电公司Xcel的一份研究报告表明，2013年其系统内弃风电量达到291GWh，对应的市场价值达1450万美元。从整个美国的范围来看，因无法消纳全部可再生能源带来的损失则更多。

美国没有统一的全国电网，在各个区域内电力系统的运行水平差别很大。不同的区域市场消纳可再生能源的措施也千差万别。本文选取了几个有代表性的区域，详细分析了它们的应对措施。在此之前，有必要先了解一下可再生能源的电力购买协议。

1、可再生能源的电力购买协议PPA

电力购买协议(Power Purchase Agreement， PPA) 实际上是买电方和卖电方签署的一项长期电力交易合同。在风电和太阳能发电机组的规划和建设过程中，PPA的作用显得尤为重要。这主要是因为它以长期合同(一般是20年)的方式签订了买卖电的价格，从而使得可再生能源发电商有稳定的收入来源从而规避了在电力市场中可再生能源的波动所带来的风险。美国大部分的风电和太阳能工程都是通过PPA来进行金融担保的。

交易价格是PPA内容的关键。在谈判的过程中，买卖双方会对可再生能源的出力水平、年平均运行小时数等指标进行详细地分析和评估，从而确定出合理的交易价格。然而，电力市场运行时“弃风”和“弃光”的不确定性，会给买卖双方带来经济上的损失。PPA一般会规定这种损失应该由哪一方来进行承担。大部分PPA都选择由购电方来承担损失(take-or-pay)，即购电方不仅要支付实际接收到的电力，还要支付被弃掉的风和太阳能原本可以产生的电力。

了解PPA的本质会对理解美国如何消纳可再生能源有重要的帮助。在竞争性的电力市场中，由于风电和太阳能的报价一般很低，它们往往会获得优先调度的权力。然而，由于系统安全或者线路阻塞等原因，市场中经常出现的“弃风”和“弃光”的现象会对可再生能源的消纳起到负面的影响。一般说来，美国电力系统消纳可再生能源主要有三个途径：一是市场机制的巧妙设计，二是合理的输电投资规划，三是尽量减少“弃风”和“弃光”的行为以及带来的损失。

2、美国不同区域消纳可再生能源的办法

美国电力工业的发展水平在不同地区差别很大。在七大独立系统运行商(ISO) 管辖的范围内，可再生能源通过参与市场交易来并网发电。在尚未成立ISO的区域内，由垂直一体化运营的公用事业服务公司(utilities)来消纳当地的可再生能源。本节分析了三个不同ISO (即中西部MISO，加州CAISO，德州ERCOT)以及一个垂直一体化运营的公用事业服务公司(即科罗拉多州公共服务公司Public Service Company of Colorado)之间各具特色的消纳可再生能源的办法。

MISO

MISO的能源构成中，煤和天然气占了绝大部分比例。可再生能源主要是风电，占总发电量的百分之七。太阳能和其他新能源的比例很小，基本可以忽略不计。MISO消纳风电的主要办法，就是于2011年6月1日引入DIR(dispatchable intermittent resource)机制。该机制把可再生能源(主要是风电)引入实时电力市场的经济调度中。MISO规定，运营时间晚于2005年4月的风电机组必须注册成为DIR，需在实时市场中提供报价和风电预测数据以参与调度算法SCED(security-constrained economic dispatch)。

在实施DIR机制以前，MISO的风电机组都是通过调度员手动来调度。需要弃风时，调度员通过打电话的方式通知风电机组关停。实施DIR机制之后，SCED算法综合考虑市场的运行状况和阻塞情况，所计算得到的风电机组关停信息更加准确，使得市场的经济性和灵活性(flexibility)都得到很大的提高。运行数据显示，在实行DIR机制之前，MISO区域内手动切除风电的比例为3.7% ;而最近的数据中这一比例则降为0.2%。

表1比较了三种机组在实时市场的运行机制。尚未注册为DIR的风电机组依旧采用手动调度的方式。它们没有市场报价，只能通过状态估计来得到其机组出力值。DIR机组需要提供报价和风电预测数据来参与市场竞争。

表1 MISO实时市场各种类型的机组比较

CAISO

CAISO的发展目标是到2020年，可再生能源比例占到总发电量的33%， 其中风电和电阳能分别达到18GW和20GW的装机容量;到2030年，可再生能源发电的比例占到50%。截止目前，加州的风电占比约为百分之七， 太阳能占比百分之五，生物能源占比百分之三，365betway 占比为百分之六，可再生能源发电的总体比例已经超过20%。大量的可再生能源并网也为CAISO电网的运行带来了挑战。

不断增长的可再生能源给CAISO带来的主要挑战是在夜间的产能过量以及太阳能在下午1点到3点之间达到发电高峰所带来的“反用电”特性。在下午这段时间，用电负荷相对不是很高而太阳能发电却很充足;等到下午五六点下班时间之后，负荷快速增长而太阳能发电量却急速减小。这就使得系统的净负荷(即实际用电负荷减去可再生能源发电量)在下午1到3点之间有一个大的凹陷，而在五六点之后又达到一个新的高峰，如图1所示。 随着2020年可再生能源比例的提高，这一挑战更加明显。在短短3个小时内，传统机组需要达到13， 000MW的爬坡速率(注意到2014年CAISO的负荷峰值才45， 089 MW) 。这为系统的运行带来的很大的风险。

图1. CAISO市场2012-2020年的净负荷变化(来源：CAISO)

在CAISO市场中可，再生能源可以注册为EIRs (Eligible Intermittent Resources)。EIRs可以选择自调用(self-schedule)，也可以选择提交市场报价来通过竞争的方式参与调度。它们的区别在于，自调用机组只能被动接受市场的价格，而提交市场报价则可以影响市场的价格。

既然CAISO消纳可再生能源的最大挑战是它们发电量过多(overgeneration)所导致的系统灵活性不够，CAISO对市场规则作了一些调整来应对这个挑战。首先，将市场报价的底限由-$30/MWh 调整到 -$150/MWh， 一年之后进一步调整到 -$300/MWh 。这样做的目的，是激励可再生能源机组和其他灵活性不高的传统机组更多的参与市场报价，而不是让它们仅仅简单地选择必须被调用(must-run)。例如，风电的政府补贴PTC恰好是略小于$30/MWh。即使市场出清价为-$30/MWh，风电的损失也不大。而如果把报价底限降为-$150/MWh，则理论上市场出清价则可能降低到-$150/MWh附近。如果风电机组继续选择必须被调用(而不关心市场价格)，则势必会造成巨大的损失。这就促使它们更愿意提交市场报价，由市场决定自己是否能被调用。

CAISO做出的另一个市场调整是在日前和(每5分钟的)实时调度市场之间，成立了15分钟前调度市场。在靠近实际运行时间之前，给可再生能源供应商多一个机会做出经济报价。此时的预测也更准确，可以更好的调整自己的发电计划，从而有助于减少实时产能过剩的问题，也有助于减少弃风和弃光现象，同时降低了运行隐患。

CAISO做出的第三个调整是和周边外围地区的PacifiCorp共同开发了一个新的实时能量不平衡市场EIM(Energy Imbalance Market)。EIM的一个好处就是有利于解决CAISO现有的人为弃风充光现象。通过和周围地区的相连，扩大服务的区域，可以在需要弃风弃光时，向外围增加电力输出，同时减少从外围区域的电力输入，从而减少弃风弃光现象的发生。

最后，CAISO正在引入一个新的市场产品，称之为机组灵活性爬坡服务市场 (Flexible ramping product)。通过建立一个爬坡服务市场，CAISO允许机组为爬坡服务提供经济报价，从而使系统能够获得足够多的爬坡能力。

ERCOT

德州电网是一个相对独立的电力系统。它与东部和西部的大电网(分别是Western Electricity Coordinating Council和Eastern Interconnection)互联都较弱。2014年ERCOT市场中风电装机容量的占总发电容量的比例为14%，风电净发电量占总用电量的比例也超过10%。太阳能和其他可再生能源的比例很小，约为1%。在2011年以前，ERCOT弃风的比例相对较高，平均约为8%左右。在2009年弃风比例甚至达到17%。然而，2011年之后，弃风的比例大大减少。2012年和2013年的弃风比例分别下降至4%和1.6%。出现这种情况主要有两个原因：对输电扩容的重视和新的市场设计。2005年德州立法机构通过了竞争性可再生能源区域(Competitive Renewable Energy Zone， CREZ)法案。该法案支持通过预测未来风电的发展情况(主要是德州西部地区)提前修建新的输电线路。该法案还提出德州应该修建足够多的输电容量以消纳18.5GW的风电装机容量。2014年初，耗资达68亿美元的数条高压输电线路的建成，起到连接风电资源较为丰富的德州西部地区与电力需求较大的东部经济中心(如休斯敦、达拉斯)的作用。这一线路的建成大大减少了德州尤其是其西部地区的弃风现象。

德州市场设计的改进也对消纳可再生能源起到积极的作用。这些改进包括从15分钟的区域市场变成5分钟的基于节点的调度市场，处理风电预测方式的转变，以及更加集中化的调度策略。风电和太阳能在市场中可以提交负的报价。在2015年的某些时段(一般是深夜)出现了电力供应过于充足的情况，导致全系统范围内出现负电价的情况。区域输电阻塞是导致ERCOT砍掉风电出力(dispatch down)的重要原因。这种砍风电出力的指令，可以通过调度软件自动完成，也可以通过调度员口头传达。

Public Service Company of Colorado (PSCO)

由于该地区尚未成立独立的市场交易中心，科罗拉多州公共服务公司PSCO为其管辖范围的用户提供垂直一体化的用电服务。在负荷高峰时期，风电可以提供30% 的电力供应。在2013年的某个时段，风电占总发电量的比例竟达到60%。系统要消纳如此高比例的风电，需面临很大的压力。尽管没有电力市场，PSCO对其系统的运行方式做了适当的调整以消纳高比例的风电。

主要的调整措施是提高风电预测的精度。PSCO与美国气象研究中心合作，开发出更准确的风电预测模型。风电预测水平的提高使得PSCO在风电比例比较高的时候，更加有信心关停传统能源机组，从而减少了弃风的现象。此外，预测水平的提高还减少了由传统机组爬坡能力不足所导致的弃风。

第二个措施是使提供基荷的机组保持离线旋转备用状态(offline cycling of baseload units)。在2010年以前，PSCO的调度政策是不对基荷机组进行旋转备用，它们只有在接到调度指令才启动。2010年之后，PSCO规定在风电充足的时段需保持基荷机组处于离线旋转备用的状态。由于燃气-蒸汽联合循环机组(combined-cycle gas units)的旋转备用成本要远小于燃煤机组，前者作为旋转备用机组的时间要远远大于后者。最近，PSCO作了一项研究来比较旋转基荷机组和弃风之间的成本。结果表明，这两者的成本基本相当。因此，作为一种折中方案，PSCO选择在晚间关停基荷机组，只在白天对其进行旋转备用。

最后一个措施，是PSCO为许多风电机组安装了自动发电控制(AGC)装置。它还要求所有新建的风机都必须安装AGC装置。早些年的时候，PSCO在弃风时是按照块状(in blocks)砍掉一定量的风电，比如100 MW，而用传统机组来平衡供需。现在，PSCO可以让传统机组运行在最小出力水平，而通过装有AGC的风电机组来平衡供需。装有AGC的风电机组可以为系统提供向下的辅助服务(regulation down)，而被砍掉的风电出力则可以当作向上的辅助服务(regulation up)。

采取这些措施取得的效果是很明显的。从2010年到2013年，PSCO总的风力发电量从370万兆瓦时增加到650兆瓦时，弃风的比例却从2.2% 降低至1.7%。

从长远规划来看，PSCO正在研究参与一个类似于加州的“能量不平衡电力市场(EIM)”的可能性。这带来的好处是可以通过与外部市场的连接来减轻自身平衡供需的压力，并为风电外送提供机会。PSCO还计划调整抽水蓄能电厂的使用规则。按目前的规则，抽水蓄能电站一般在夜间抽水而在负荷高峰期泻水发电。以后则可以在净负荷(等于实际负荷减去风电出力)较低的时段进行抽水从而减少弃风的发生。

PSCO对弃风的补偿机制是PPA合同重要考虑的内容。如果弃风是由PSCO无法控制的外力造成的，比如某输电条线路突然断开，则一般不对由此造成的弃风进行补偿。如果是PSCO在平衡供需的过程中造成的弃风，则不仅需要补偿“弃风”电量所对应的收益，还需要补偿这部分电量对应的政府补贴PTC。然而，PSCO与五个最大的风电商进行了一系列的谈判，争取到对自己有利的结果。谈判的结果是，PSCO每年可以有6000个免费弃风小时数。超过这个小时数的部分才需要进行补偿。弃风小时数在2018年则减少至3000个。到这个时候，PSCO计划会用大量运行更加灵活的燃气机组来取代现有的的燃煤机组。

3、总结

在国家发改委发布的《通知》中，提出了四点消纳可再生能源的具体办法：局域电网就近消纳，可再生能源直接交易，可再生能源优先发电权，以及其它的技术改造措施(如热电联产机组加装蓄水器、深度调峰、发挥抽水蓄能和储能设备的能力等)。美国消纳可再生能源的途径则复杂和多样化得多，有些措施(如改变抽水蓄能电站的调用方式)甚至与《通知》中的思路不谋而合。在成立了批发电力市场的区域，主要通过市场机制的巧妙设计和适当增加输电容量来消纳可再生能源。在尚未成立电力市场的区域，则主要通过提高预测精度、使提供基荷的机组保持离线旋转备用状态、为风电加装AGC装置等措施来消纳可再生能源。