「超級日全食」對美國電力系統的影響丨圖解世界

　　作者：第一財經研究院

　　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，位於月球本影範圍內的地區則可以看到日全食。這條寬約113公裡的本影區於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

來源：美國能源信息署

　　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，只有極少數大型光伏電站位於日全食的影響範圍內，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，約佔全美太陽能的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。在部分時段內，太陽能可以滿足CAISO全網30-40%的負荷。除太陽能外，CAISO內還包括火電（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）

數據來源：CAISO

　　圖2顯示了日食發生的前一周（8月14-18日），CAISO內各類能源的輸出功率在一天之內的平均變化情況。早9點至晚5點之間，太陽能的出力佔據較大部分，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，網內的太陽能出力隨著日食的出現而減小；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，太陽能也開始恢復正常運行。

　　圖3 CAISO太陽能輸出功率曲線（MW）

數據來源：CAISO

　　此次日食並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內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，太陽能出力逐漸恢復，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）

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將減少4.2 GW，分布式光伏將減少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與區域內的電力公司、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）遠高於正常水平，若處置不當，電力供需的不均衡將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，位於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，州內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佔據的比重較小，當地的電力公司也採取了應對措施，日食並未對該州電力系統的穩定性造成負面影響。