近期，美国加州独立系统运营商（CAISO）发布的几项电量指标均破记录：光伏发电量、净出口电量及储能充放电量达到有史以来的最高值；气电发电量虽然没有明显高于过去几年，但机组在午间时段的运行时间也大幅增加。
与之对应地，反映加州电力系统净负荷的“鸭子曲线”（duck curve）正转变为更加陡峭的“峡谷曲线”（canyon curve）。
图1：2018年5月和2023年4月，美国加州电力系统净负荷曲线
“峡谷”成因：系统供需短时变化剧烈
“鸭子曲线”源自美国加州电力系统模型，本质上是一天内发电所满足的电力负荷的变化图表，曲线因形似一只鸭子而得名。2008年，美国国家可再生能源实验室 （NREL）首次发现，随着光伏和其他可再生能源的增加，该曲线呈现出独特的形状。
短时间内供需难以平衡是曲线发生变化的主因之一。
“加州的光伏电量不断增长，导致白天（鸭腹）净需求减少，日落时急剧增加（鸭颈），腹部越来越深，颈部越来越陡，这一趋势愈演愈烈”， 美国电力研究院（EPRI）的负责人曼苏尔在社交媒体上发文表示。
过去5年，CAISO的光伏装机容量增长了50%（6GW），光伏发电量也大幅增加；有时，可再生能源发电量供过于求，超过用户所需电量。2023年，这一问题更加凸显。
据曼苏尔介绍，由于2023年春季天气温和，阳光明媚的日子较多，光伏出力大大增加，但此时加州气温还不高，空调等大负荷还没广泛使用，电力需求并未被推高，日间时段的供过于求导致净负荷出现负值。
随着风电、光伏的大规模部署，电力系统净负荷短时大幅变化，未来加州的电力爬坡问题将更加突出。为维持系统功率平衡，常规电源需要在太阳升起时快速下线，在太阳落山时快速上线。这大大增加了加州电力系统对灵活性电源的需求，也对电力公司和电网提出新的挑战。
亟需提升电力系统灵活性
“‘峡谷’变深，意味着电力系统需要更灵活的日内调节能力。在午间降低出力，傍晚迅速提升出力”，曼苏尔指出。
由于系统运营商需要调节的功率变化幅度越来越大，此时，具备较强负荷调节速率的并网主体成为电网首选。这些机组可根据调度指令调整出力，提供爬坡服务。
对发电公司来说，在接近日落时，他们需要提前开启无法快速爬坡出力的发电机组，以便在日落后能满足负荷需求，但这会造成一定程度的资源浪费。随着“鸭子曲线”颈部变得越陡峭（即日落时净需求急剧上升），电力公司需要部署能够更快响应的发电机组。
对于独立系统运营商来说，净负荷的急剧变化对系统调控造成了困难。功率如果不平衡，会引起系统频率、电压等指标波动，进而威胁电网安全稳定运行；一些容量不足区域的供电可靠性可能会受到影响。
如图2所示，2023年4月16日中午12：20，CAISO运营范围内的光伏大发，净负荷跌至负值，达到-63MW。这时系统功率平衡的调节难度增大，运营商面临艰难的选择：要么关停不能快速重启的常规电源，要么弃掉一部分可再生能源。由于光伏出力水平相对较难预测，关停常规电源有可能导致供应不足和限电风险。但如果弃掉可再生能源，由于常规能源发电机组的边际成本要更高，可能会提高批发电价水平。
图2：2023年4月16日加州电力系统净负荷曲线
而太阳开始落山时，负荷需求达到峰值，系统运营商又要在几小时内增加近16GW的发电量。这相当于要让7个Diablo Canyon核电站（目前加州唯一运行的核电站）在3小时内将发电量从零迅速提高到满负荷运行。
曼苏尔指出，净负荷下降时，为保障系统平衡，目前系统运营商主要通过减少气电电量、启用储能电池充电等方式来调节电源出力。当净负荷开始上升时，即便净负荷当时仍处于谷底，运营商也会要求一些气电机组必须随时待命，在太阳落山时增加气电出力，增加外来电源，启用抽水蓄能，同时利用储能电池放电。
图3：2023年4月16日加州电力供应曲线
早年间，电力专家们曾希望通过增加灵活性资源来平抑“鸭子曲线”，但效果并不显著。
2022年9月，加州通过了SB1020法案，设定了新的清洁能源发展目标，要求到2035年加州的清洁能源发电占比达到90%。此前加州的SB100法案要求，该州的可再生能源发电比例在2030年达到60%。预计“峡谷”趋势将更加明显。
“届时，电网将越来越依赖于能快速启停的灵活性资源。例如，在电源侧利用新型储能技术，并在需求侧通过扩大峰谷电价差等措施，鼓励用户在深夜到中午的时段多用电”，曼苏尔表示。
弃电量增加，批发电价降低
为保障系统平衡，加州独立系统运营商也会弃掉一部分可再生能源。
目前，加州主要有两种弃电形式。一种是在系统供过于求时在全系统范围内弃电；另一种是在发生输电阻塞时局部弃电。2023年3月和4月，加州全系统范围内弃电电量在所有弃电情形中的比重均大幅增加，接近40%。
这两种形式又按照弃电原因分为经济弃电、自行安排的弃电和例外调度三类情况。
其中，经济弃电通常发生在市场电价已降为低价或负价的时段。由于电力供过于求，市场会优先选择成本最低的发电机组，在价格开始下跌时，可再生能源机组可以通过减少发电量的方式，参与投标竞价，进入市场。经济弃电是一种正常且健康的市场结果。
自行安排的弃电是指，发电商自行减少参与竞价的发电量。这通常出现在电力供过于求或输电阻塞时，运营商会发出指令呼吁发电机组调低输出电量，进行局部弃电。这时发电机组会根据调度指令和电价等方面的考虑，自行安排弃电。
上述两种弃电方式都属于“基于市场原则”的弃电，CAISO的市场优化软件会根据负荷需求自动调整系统的供电量。
如果“基于市场原则”的两种弃电方式还不能缓解电力过剩，CAISO将人为干预机组出力，采用“例外调度”。这时，系统运营商会要求特定的可再生能源机组减少出力，避免系统出现可靠性风险。
由于例外调度并非出于经济性考量，不能确保系统调用最低成本的电源，还可能降低可再生能源的投资积极性，因此，这种弃电方式并不是系统运营商的首选。
图4：2023年4月16日CAISO弃电报告
图4为2023年4月16日CAISO发布的弃电报告。由图可见，白天光伏弃电量上升。在中午，当该州的净负荷正式突破-63MW时，光伏弃电水平达到峰值，略高于1.7GW，弃电量达1.54GWh。
可再生能源发电量的增加也拉低了批发电价。美国能源信息署（EIA）的数据显示，2023年3月，南加州现货市场（SP15）的日前峰荷电价平均值下降了6%，为62.25美元/MWh，4月SP15日前峰荷电价平均值则进一步下降，达到48.95美元/MWh。
