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2017年的超級日全食對美國電力系統的影響究竟有多大

來源:北極星電力網   作者:上繼    發布時間: 2017-08-30 10:45   浏覽:

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2017年的超級日全食對美國電力系統的影響究竟有多大

        月球遮擋日光會造就奇觀,同時也會削減太陽能發電的輸出功率。在加州,此次“超級日全食”一度造成太陽能的輸出銳減了5.5 GW。

       時隔38年,日全食再次出現在美國上空。8月21日上午,整個北美地區都可以在不同程度上觀測到日食現象,位于月球本影範圍内的地區則可以看到日全食。這條寬約113公裡的本影區于美國西北部的俄勒岡州登陸,橫貫14個州後,在東南部的南卡羅來納州進入大西洋(圖1)。日全食的持續時間為2分鐘左右,整場日食持續了近3個小時。

圖1 美國大型光伏電站分布以及日光遮擋比例

美國大型光伏電站分布以及日光遮擋比例圖

數據來源:CAISO

         月球遮擋日光會造就奇觀,同時也會削減太陽能發電的輸出功率。如圖1所示,隻有極少數大型光伏電站位于日全食的影響範圍内,但在一些太陽能裝機較為密集的地區,日偏食也會造成較大影響。加利福尼亞州是美國太陽能裝機容量最大的州,此次日食中,加州60—80%的日光都被遮擋。在北卡羅來納州,日光被遮擋的比例超過90%。為了保障電力系統的穩定性,日食引起的太陽能發電缺口需要通過其他手段來彌補。

        截至2016年底,加州的太陽能裝機(包括光熱發電、大型光伏電站和分布式光伏)接近14 GW,約占全美太陽能的40%。加州獨立系統運營商(California ISO,以下簡稱CAISO)負責加州大部分地區的電力市場和電網的運行,其太陽能裝機約為10 GW。在部分時段内,太陽能可以滿足CAISO全網30-40%的負荷。除太陽能外,CAISO内還包括火電(以燃氣發電為主)、核電、風電、水電以及生物質能、地熱能等其他可再生能源,同時也從附近的地區進口部分電力。在保證穩定性的前提下對各類能源進行經濟調度是CAISO的主要任務之一。

圖2 CAISO各類能源的日均輸出功率,8月14-18日(MW)

各類能源的日均輸出功率圖

數據來源:CAISO

       圖2顯示了日食發生的前一周(8月14-18日),CAISO内各類能源的輸出功率在一天之内的平均變化情況。早9點至晚5點之間,太陽能的出力占據較大部分,整個系統的靈活性由燃氣、水力發電等方式提供,而核電始終保持穩定的輸出。

        8月21日的日食使CAISO的太陽能輸出發生較大變化(圖3)。早晨9點,網内的太陽能出力随着日食的出現而減小;11點左右,太陽能的輸出降至最低,此時與前一周平均水平之間的差距達到5.5 GW;此後,日光被遮擋的比例逐漸降低,太陽能也開始恢複正常運行。

圖3 CAISO太陽能輸出功率曲線(MW)

太陽能輸出功率曲線圖

數據來源:CAISO

       此次日食并未對加州電力系統的運行造成影響。圖4顯示了8月21日CAISO内各類能源的出力情況。對比圖2和圖4可以發現,早9點至11點之間,燃氣發電、水電的輸出功率以及進口電力的比重增加,彌補了日食引起的供電缺口;11點至下午1點,太陽能出力逐漸恢複,燃氣發電等的輸出功率也出現回落,用電需求和系統的穩定性得到保障。

圖4 8月21日CAISO各類能源的輸出功率(MW)

各類能源的輸出功率圖

數據來源:CAISO

       事實上,CAISO在2016年就已經針對此次日食開展了準備工作。根據日食發生前的預測,大型光伏電站的輸出功率将減少4.2 GW,分布式光伏将減少1.4 GW,其他種類的能源需要在日食期間額外提供約6 GW的負荷。為此,CAISO與區域内的電力公司、燃氣公司和發電廠合作,提前準備好燃氣、水力發電機組等靈活性較高的備用容量。另一方面,日食期間太陽能的爬坡率(ramp rate)遠高于正常水平,若處置不當,電力供需的不均衡将危及電網的穩定運行。通過與美國西部多個電力公司建立“能源不平衡市場”(Energy Imbalance Market),CAISO可以與其他地區進行實時電力交易,為系統提供了額外的靈活性。此外,加州能源委員會(California Energy Commission)也對電力需求側提出倡議,呼籲用戶在日食期間提升能效,減少電力消費。

        除加州之外,位于月球本影區邊緣的北卡羅來納州也受到日食的影響。北卡羅來納州的太陽能裝機容量在全美排名第二,日食期間,州内的太陽能輸出功率由正常情況下的1.8 GW降低至0.1 GW。但太陽能在北卡羅來納州的電力結構中占據的比重較小,當地的電力公司也采取了應對措施,日食并未對該州電力系統的穩定性造成負面影響。


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