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2017年的超级日全食对美国电力系统的影响究竟有多大

来源:北极星电力网   作者:上继    发布时间: 2017-08-30 10:45   浏览:

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2017年的超级日全食对美国电力系统的影响究竟有多大

        月球遮挡日光会造就奇观,同时也会削减太阳能发电的输出功率。在加州,此次“超级日全食”一度造成太阳能的输出锐减了5.5 GW。

       时隔38年,日全食再次出现在美国上空。8月21日上午,整个北美地区都可以在不同程度上观测到日食现象,位于月球本影范围内的地区则可以看到日全食。这条宽约113公里的本影区于美国西北部的俄勒冈州登陆,横贯14个州后,在东南部的南卡罗来纳州进入大西洋(图1)。日全食的持续时间为2分钟左右,整场日食持续了近3个小时。

图1 美国大型光伏电站分布以及日光遮挡比例

美国大型光伏电站分布以及日光遮挡比例图

数据来源:CAISO

         月球遮挡日光会造就奇观,同时也会削减太阳能发电的输出功率。如图1所示,只有极少数大型光伏电站位于日全食的影响范围内,但在一些太阳能装机较为密集的地区,日偏食也会造成较大影响。加利福尼亚州是美国太阳能装机容量最大的州,此次日食中,加州60—80%的日光都被遮挡。在北卡罗来纳州,日光被遮挡的比例超过90%。为了保障电力系统的稳定性,日食引起的太阳能发电缺口需要通过其他手段来弥补。

        截至2016年底,加州的太阳能装机(包括光热发电、大型光伏电站和分布式光伏)接近14 GW,约占全美太阳能的40%。加州独立系统运营商(California ISO,以下简称CAISO)负责加州大部分地区的电力市场和电网的运行,其太阳能装机约为10 GW。在部分时段内,太阳能可以满足CAISO全网30-40%的负荷。除太阳能外,CAISO内还包括火电(以燃气发电为主)、核电、风电、水电以及生物质能、地热能等其他可再生能源,同时也从附近的地区进口部分电力。在保证稳定性的前提下对各类能源进行经济调度是CAISO的主要任务之一。

图2 CAISO各类能源的日均输出功率,8月14-18日(MW)

各类能源的日均输出功率图

数据来源:CAISO

       图2显示了日食发生的前一周(8月14-18日),CAISO内各类能源的输出功率在一天之内的平均变化情况。早9点至晚5点之间,太阳能的出力占据较大部分,整个系统的灵活性由燃气、水力发电等方式提供,而核电始终保持稳定的输出。

        8月21日的日食使CAISO的太阳能输出发生较大变化(图3)。早晨9点,网内的太阳能出力随着日食的出现而减小;11点左右,太阳能的输出降至最低,此时与前一周平均水平之间的差距达到5.5 GW;此后,日光被遮挡的比例逐渐降低,太阳能也开始恢复正常运行。

图3 CAISO太阳能输出功率曲线(MW)

太阳能输出功率曲线图

数据来源:CAISO

       此次日食并未对加州电力系统的运行造成影响。图4显示了8月21日CAISO内各类能源的出力情况。对比图2和图4可以发现,早9点至11点之间,燃气发电、水电的输出功率以及进口电力的比重增加,弥补了日食引起的供电缺口;11点至下午1点,太阳能出力逐渐恢复,燃气发电等的输出功率也出现回落,用电需求和系统的稳定性得到保障。

图4 8月21日CAISO各类能源的输出功率(MW)

各类能源的输出功率图

数据来源:CAISO

       事实上,CAISO在2016年就已经针对此次日食开展了准备工作。根据日食发生前的预测,大型光伏电站的输出功率将减少4.2 GW,分布式光伏将减少1.4 GW,其他种类的能源需要在日食期间额外提供约6 GW的负荷。为此,CAISO与区域内的电力公司、燃气公司和发电厂合作,提前准备好燃气、水力发电机组等灵活性较高的备用容量。另一方面,日食期间太阳能的爬坡率(ramp rate)远高于正常水平,若处置不当,电力供需的不均衡将危及电网的稳定运行。通过与美国西部多个电力公司建立“能源不平衡市场”(Energy Imbalance Market),CAISO可以与其他地区进行实时电力交易,为系统提供了额外的灵活性。此外,加州能源委员会(California Energy Commission)也对电力需求侧提出倡议,呼吁用户在日食期间提升能效,减少电力消费。

        除加州之外,位于月球本影区边缘的北卡罗来纳州也受到日食的影响。北卡罗来纳州的太阳能装机容量在全美排名第二,日食期间,州内的太阳能输出功率由正常情况下的1.8 GW降低至0.1 GW。但太阳能在北卡罗来纳州的电力结构中占据的比重较小,当地的电力公司也采取了应对措施,日食并未对该州电力系统的稳定性造成负面影响。


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