美国加州在推动电力系统转型方面积累了不少经验，尤其是在太阳能等新能源发展方面引领美国。本文在分析加州电力发展概况的基础上，以“解剖麻雀”的方式深入分析研究，掌握加州电力系统的实际情况，总结其新能源发展的政策机制、实践经验和启示，为我国政策制定者和电力企业发展提供参考借鉴。

电力系统概况

加州电力系统主要由加州输电系统运行商（CAISO）、西部电力协调委员会（WECC）和北美电力可靠性公司（NERC）三家机构管理。CAISO是加州电力市场的运营主体和加州电网的调度中心，同时还负责评估及审批加州电网的扩展计划，管理加州80%的电力。

（1）可再生能源和新能源发展情况

2020年底，CAISO系统电源装机为8080万千瓦，其中气电装机3941万千瓦，约占电源总装机的49%，煤电/油电装机占0.6%，核电装机占3%；可再生能源装机3806万千瓦，占47%，储能容量49万千瓦。CAISO电源装机及结构见图1。

可再生能源中，水电装机1404万千瓦，公共事业级太阳能发电装机1399万千瓦，均占电源总装机的17%。若再考虑接入配电网的太阳能，太阳能发电实际上已成为为加州第一大可再生能源，在全部电源中排第二位。风电装机598万千瓦，占电源总装机的7.4%，生物质、地热和废热装机404万千瓦，占电源总装机的5%。风光装机合计1997万千瓦，占电源总装机的25%。

图1 CAISO电源装机及结构

（2）电源装机容量充裕度

2020年底，CAISO系统传统电源装机5629万千瓦，约占电源总装机的70%。若以风光装机为基数进行比较，传统电源装机是风光装机的2.8倍，其中气电装机为2.0倍，水电装机为0.7倍，核电装机为0.12倍。

（3）灵活性电源情况

2020年底，CAISO系统灵活性电源装机4477万千瓦，占传统电源装机的80%。灵活性电源装机为风光装机的2.3倍，意味着CAISO系统中每1万千瓦风光装机，相应配备有2.3万千瓦的灵活性电源作为配合。

（4）电力供应充裕度

2020年CAISO最大负荷为4712万千瓦。若以最大负荷为基数进行比较，州内传统电源装机为最大负荷的1.2倍，进口电力峰值约1000万千瓦，约为最大负荷的0.21倍。传统电源加上进口电力的支撑比最大负荷高41%，是系统安全可靠运行的重要基础。

图2 CAISO电源配置和最大负荷对比情况

如果规划高比例新能源电力系统

（1）可再生能源配额制和激励性政策

加州政策制定者设定可再生能源发展的中长期目标，实施可再生能源配额制（RPS），并出台配套机制协助电力公司完成目标。2002年州法案规定，到2017年公用事业公司（大型电力公司）提供的电力20%以上来自可再生能源；2006年州法案目标改为2010年占比20%；2011年目标改为到2030年占比33%；2018年规定到2026年可再生能源占比50%，2030年前提高到60%，到2045年底100%来自可再生能源和零碳能源。基于可再生能源配额制，加州建立了绿色证书市场，RPS与绿证市场相互配合、协调运行。加州公用事业委员会（CPUC）和加州能源委员会（CEC）负责RPS政策制定和实施。太阳能自发自用项目可获得政府补贴或税收抵免的优惠，这些激励支持性政策有力地促进了太阳能发电的发展。

图3 不同年份可再生能源电量占比目标

数据来源：张钦《美国加州可再生能源发展经验与实践》及公开资料。

表1 州政府能源主管部门的职责分工

（2）电力系统资源充足性规划机制

CAISO电网规划研究部门根据RPS目标，研究未来10年左右电力系统需接入的新能源规模和出力特性，预测出净负荷曲线（净负荷=负荷-风光发电出力）将变为“鸭子”曲线（见图4），进而确定所需的上行调节和下行调节备用。

图4 CAISO“鸭子”曲线

加州能源管理部门与CAISO合作制定电力系统资源充足性规划和要求，并为各平衡区域的所有负荷服务商（LSE）制定资源充足性采购义务。资源充足性规划包括发电容量需求和灵活性容量需求规划。灵活性容量需求研究基于：历史运行数据，负荷服务商（LSE）提供合同承诺的新能源出力数据，加州能源委员会（CEC）提供每小时的负荷预测、新能源的预期出力和安装信息。CAISO据此预测：下一年每分钟净负荷曲线、每月三小时爬坡净负荷斜率、应急储备需求等，计算总灵活性容量需求及各负荷服务商（LSE）对该需求的相对贡献，并将灵活性容量需求分配给各地方监管机构（LRA）。各平衡区域都要接受资源充足性评估，各地方监管机构（LRA）负责平衡所在区域的负荷。资源充足性规划职责分工和基本流程见图5所示。

图5 资源充足性规划职责分工和基本流程

资源充足性规划体系下，各责任主体职责分工明晰，沟通协调高效有序。电力系统资源充足性项目的实施可确保系统有足够的能力可靠运行电网，并为新资源的选址和建设提供激励。

如何运行高比例新能源电力系统

（1）新能源出力特性

CAISO太阳能发电年利用小时在2000-2300h，与我国新疆、内蒙古地区相当。图6为夏季和春季典型日风电、太阳能出力曲线。太阳能日间出力在11时-13时达到最大，夏季峰值能达到装机容量的80%，春季峰值为装机容量的70%左右。从季节来看，夏季出力维持在峰值附近的时长大于春季。从太阳能出力占负荷的比例看，2020年3月太阳能出力峰值接近1000万千瓦，约占负荷的48%，夏季出力峰值约占负荷的39%。

风电日间出力在22时-23时达到最大，夏季峰值能达到装机容量的54%，春季峰值为装机容量的62%。春季出力峰值为360万千瓦。地热和生物质发电日间出力较稳定，约为170万千瓦。

图6  2020年CAISO新能源日出力曲线（3月和8月）

（2）负荷特性

由于屋顶光伏不断增长抵消了部分负荷，近年来CAISO负荷峰值未明显增长。图7为各季节负荷曲线。年度负荷峰值出现在夏季，2020年夏季峰值为4712万千瓦，其余季节约3000万千瓦。日间负荷在16-20时达到最大，日峰谷差约2000万千瓦（夏季）、1100万千瓦（非夏季）。

图7 2020年CAISO各季节负荷曲线

（3）净负荷特性与灵活性电源作用的发挥

图8-a为春季典型日负荷、净负荷曲线。日净负荷曲线有早、晚两个高峰，14时为低谷，春季峰谷差为1400万千瓦，系统需大量的灵活机组来维持实时电力供需平衡。图8-b为电源出力曲线。在太阳能不发电的时段，气电、进口电力和水电等电源提供基础负荷，在太阳能发电时则减少出力以平衡电力供需波动，气电、进口电力担当着加州电网“稳定器”的角色。

图8  2020年春季典型日负荷和电源出力曲线

a)  负荷与净负荷

b)  电源出力

图9为2020年各月最大3小时净负荷斜坡，可以发现，夏季3小时斜坡低于其他季节，原因与夏季高峰负荷时刻前移至下午，光伏发电具有一定的正调峰特性有关。12月最大3小时净负荷斜坡为1600万千瓦，与全部太阳能出力峰值相当。总体来说，充裕灵活的发电能力是CAISO系统可靠运行的其中一大关键。

图9 2020年各月最大3小时净负荷斜坡

加州电网的隐忧

尽管目前传统电源装机容量相对充裕，但也存在电力短缺的隐忧。

（1）常规电源的多元化发展面临挑战

水电受干旱、限制发展政策等因素影响正在耗尽，核电2025年退出后尚无其他可靠的方案弥补缺口，短期来看只能依靠增加电力进口、气电出力来支撑系统。

（2）气电逐渐退役，供电稳定性面临挑战

作为主力电源的气电属于化石能源，发电成本高，生存空间受到新能源的挤压，又承担着为系统提供灵活性的任务，角色尴尬。且由于缺乏容量市场等激励机制，发电商增加气电装机容量的动力不足，部分机组可能将提前停运，气电发电能力不足将削弱系统应对短时间内供需大幅波动的能力，降低电网运行可靠性。

（3）电力进口存在较大不确定性

受输电网拥塞、西部电网负荷走高等因素影响，加州可进口的电力资源存在不确定性。

结论和建议

（1）充裕灵活的发电能力是新型电力系统安全可靠运行的关键

一是传统电源应保持足够的顶峰支撑能力。加州的传统电源和进口电力的发电能力是年度最大负荷的1.4倍，是系统安全可靠运行的重要基础。我国用电规模体量大，安全可靠供电对维持经济发展的重要性不言而喻。基于新能源反调峰特性特别是极端天气情况下置信容量低的特点，并考虑一定备用，建议传统电源发电能力应不小于最大负荷的120%。二是灵活性电源配置应与净负荷爬坡需求相适应。加州风电日出力波动性不强、占负荷的比例低，最大净负荷爬坡容量与太阳能出力峰值相当。我国不同地区净负荷特性不尽相同，需要根据对象本身的特点进行分析确定。应基于净负荷的最大爬坡容量需求及小时级别变化率，考虑一定的储备来配置灵活性电源，灵活性电源调节能力应至少不小于太阳能发电的有效容量。

（2）提高可再生能源占比的同时，推动传统电源多元化发展

加州激进的减碳政策和排斥核电、水电的政策使得传统电源多元化发展面临挑战，加大了电力短缺的隐忧。鉴于加州、德国转型的经验教训，建议我国在构建多元化电力供应体系，在提升新能源占比的同时，提高对传统电源多元化发展的重视，将各类型传统电源装机比例控制在均衡合理的范围，提升电力系统抗风险能力。

（3）加强可再生能源发展消纳政策机制研究

不同于加州RPS政策可再生能源消纳目标的长期指引性和约束力特征，我国目前实施的可再生能源电力消纳保障机制设定的是近期消纳目标，本质上是以消纳定发展的思路，随着新能源大规模发展，新能源并网和消纳矛盾将更加凸显，建议加强配套政策机制研究，完善配套政策机制。

（4）加强电力系统资源规划及机制研究

电力系统资源充足性规划是一项具有战略意义的工作，是新型电力系统安全稳定可靠运行和高比例消纳新能源的重要保障。加州电力系统规划体系下各责任主体职责分工明晰，沟通协调高效有序，电力系统资源充足性项目的实施可确保系统有足够的能力可靠运行电网。目前我国电力系统规划在实践中存在约束性和指导作用偏弱，系统性有待加强，协调管理力量薄弱等问题。新型电力系统的规划转向以灵活性资源供需平衡为核心，现有规划机制难以适应电力系统转型发展的需要。建议大型电网企业借鉴国际经验，并结合我国的具体国情，加强中长期资源充足性规划研究，完善规划机制。

（图片来源：veer图库）