2017年的超级日全食对美国电力系统的影响-上海上继科技有限公司

        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

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**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)

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**，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)

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)

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。