加州电网极客:掌握动力

这个独家六集系列深入探讨了加州向超过50%的可再生电力的过渡。面对特朗普总统对全球变暖明显漠不关心的态度，该州已成为气候活动人士的希望灯塔。整个系列都会出现这里．读第I部分，第二部分，第三部分和第四部分．

为了保持加州对绿色电网的追求，我采访了戴夫·奥尔森(Dave Olsen)，他是加州庞大电网的两任州长，该电网被称为加州独立系统运营商(CAISO)。我们的对话开始于第四部分。

当我们完成咖啡时，我按下Olsen在其他选择驯服方面鸭子曲线“你也可以通过扩大网格来获得更大的灵活性……通过扩大它——增加国家，”他回应道。例如，“你可以把加州早上的太阳能送到其他州，而怀俄明州当天晚些时候产生的风能可以用来满足加州的需求。”这将降低每个人的成本。”根据CAISO的估计，到2030年，消费者最多可以节省15亿美元。

Olsen还指出了中西部地区的区域网格，为15个州提供。“这种电网使爱荷华州实现了很高的风力，现在有超过60％ - 他们期望有85％ - 因为它们可以向其他国家销售多余的风，而且反过来，又购买化石力量当风懈怠时。“

当我们吃完早餐，对着背景自动点唱机大声交谈时社交礼仪上必要的在晚餐，似乎），我对我在La Jolla提出的核心问题之一来对谈话引导。可再生能源是达到提供那些忘记的可靠性服务的任务吗？

奥尔森回答说，并不是太阳能和风力发电场不能提供这些支持服务。“风能和太阳能发电厂都能产生直流电，它们都有逆变器将电能转换并同步为电网所使用的交流电。”

他犹豫了一下，明白想要小心他如何把它。“仍有一些研发来完成，但我们对ISO非常满意，如果我们向发电机发送信号，智能，快速作用的逆变器可以帮助稳定网格的方式大型燃气植物。“他解释说，这是通过增加或降低阻力，并通过改变提供了多少能量。

“这并不是一个真正的技术问题，而且还没有关于网格上的这些服务的问题，或者将他们写入公用事业公司同意从大型太阳能发电机购买电力的合同。”

当我们支付支票时，奥尔森建议我在本周晚些时候访问ISO的Folsom总部时，我会在可靠性服务问题上进行另一次运行。“我们有一个很好的员工，你和他们一样多的细节。”

该网格使爱荷华州拥有非常高的风力级别......因为它们可以将多余的风销售给其他州，并在风休闲时购买化石力量。

在去Folsom之前，我在旧金山停下来了解iso面临的挑战的第二次阅读E3.，加州电力市场的进入企业咨询集团。2013年，它是E3，一个用于能源和环境经济学的简短，第一次深入了解将国家可再生能力的可行性增加到50％。帮助塑造CEERT后来研究的练习被国家最大的公用事业所承保。

E3发现，是的，电网可以处理挑战。“没有技术问题......没有可靠性问题。并且速度影响是谦虚的，”艾恩奥尔森，艾恩奥尔森，领导建模工作。奥尔森，在电力领域拥有超过20年的经验，告诉我，“没有人通过如何运行这种级别的可再生能源......而且我们展示了你可以做到这一点。但我们也发现成本很多higher if you don’t have the right kind of renewables, and if California was to go it alone.

“这里始终是一个斗争之间,这是在一个全球的背景下,致力于解决气候问题,希望与所有的邻国和让他们,和那些想保持独立的选项——加州本身采取行动。”

奥尔森本人显然属于第一个阵营。“加州像个岛一样行事没有任何意义。如果我们有一个区域电网，这相当于可再生能源水平提高10%，成本也差不多。这很重要，”他告诉我。一个多州电网“也能让你超越50%的水平，达到60%或更多的可再生能源。没有它很难做到这一点。”

E3的建模工作还表明，政府可能不得不接受一些天然气发电的剩余用途。“到2050年，我们还没有出现过天然气发电不足的情况，无论是10%还是15%。我们将需要这些资金来填补应急缺口，并应对一些峰值。”

为了保持低价的百分比，Olson表示，可再生能源必须变得更加多样化。“我们可以每小时或15分钟派遣，销售可再生能源。但是当大发电机退出系统时瞬间响应呢？或者当能量太多时，我们在溢出时会做什么时。发电机必须能够快速退缩，以提供平衡网格所需的“向下调节”。“

尽管有这些警告，但奥尔森很乐观。“凭借50％的可再生能源，您可以满足温室气体减少目标：40％低于1990年的电力水平。它并不为整个经济，但它仍然很重要。”

距离旧金山的三十分钟路程，位于80号州际公路上的110英里的东部，高速公路通过带有大型传播檐篷的现场橡树点缀的草地滚动丘陵。牛在倾斜11月的阳光下放牧。我的思绪徘徊。然而，在地平线上，长线巨大的力量塔转向景观，我的思绪转回了目的地。

加利福尼亚iso的控制室坐落在一个不明智的郊区，隐藏在透明的视线中。虽然ISO已成为国家经济的功能性神经中心（在我们的插头依赖，互联网注入世界中，几乎一切都很快就会抓住电力）没有标牌。一旦经过安全门，长长的玻璃朝侧建筑物除以中央庭院，看起来很像典型的硅谷公司校园。它是由太阳能光伏车道和EV充电站的行，但是在视线中的电力线。

让加州像个孤岛一样运作是没有道理的。一个多州电网还可以让你超过50%的水平，达到60%或更多的可再生能源。

在气候目标开始延续ISO的优先事项之前，它旨在开展两个主要工作。最明显的是，它是负责监督电力部门的核心基础设施，例如沿州际电路板的长距离传输线的串 - 以及充满变压器的开关码，为本地网格逐步下降。

不那么明显但同样重要的是，ISO对全天候能源市场的管理。它将超过750个大型并网电厂(以及间接的几十万分布式屋顶太阳能和其他发电机)的能源供应与超过3000万用户的集体需求相匹配。

这个市场每年价值110亿美元，除非它无缝函数，否则为能源设置圆形价格（对于ISO，这意味着每五分钟，每小时和未来一天），网格可以冻结。发电机可能无法提供足够的电源来满足每个用户的当前需求。如果短缺严重，可能会有滚动堵塞和停电。

因此，对于ISO来说，可靠性是首先是。加州电气市场的2000-2001危机导致了数百万用户的停电，帮助塑造了组织的DNA。（大部分国家在1996年8月也遭受了停电，而是由于业务的原因完全不同。）

在ISO会议上接待我的是菲尔·佩廷吉尔(Phil petingill)和克莱德·卢坦(Clyde Loutan)，后者负责指导ISO的区域扩张，后者是整合可再生能源的高级技术顾问。我们从二楼的会议室开始，可以俯瞰ISO的大型内部控制室。

控制室的后墙几乎完全被一个巨大的80英尺长的马赛克视频屏幕所占据。起初，这似乎是一种分散注意力的手段，一种公关手段，用来掩盖目前电网技术人员在其之前的工作站正在做什么。但随着我的眼睛逐渐适应，佩廷吉尔开始带我浏览马赛克，我开始意识到，这些展示为我在拉霍亚和文图拉提出的几个问题提供了一个很好的方法。

视频蒙太奇的大部分左侧部分由ISO的主要传输链路和变压器的示意图占用;下面的条形图突出了键连接点处的电压电平。我们看着，红灯越过屏幕，然后闪烁，因为电压蘸电压然后被标准化。

为了保持电压稳定，ISO在发电机上呼叫以提供Volt-Ampere无功功率（vars）。这是通过注入或吸收力量的爆发来完成的，就像慢跑者使用她的腿在跑步机上保持稳定的速度，这是不断变化的速度。

传统上，燃气和其他大型发电厂利用巨大的旋转发电机产生的动能来提供这些反应式服务。娄坦表示，为了避免燃烧燃料和产生不必要的排放，即使发电机的转子自由旋转，也可以产生同样的动能，方法是将转子与通常通过磁铁旋转来发电的大线圈分离。这意味着它“可以作为同步电容器工作”(电压控制设备)，而且只需为此服务付费。CEERT和其他环保组织希望所有的天然气工厂都能以这种方式运作。

在我的巡回赛期间，Loutan证实，ISO还可以从可再生发电机中获得这些反应性服务，如果它已经进入AC逆变器。可再生的发电机也必须愿意以低于全部能力，所以有些能量销售（“他们需要余地注入电源”）。

然后娄坦兴奋起来。他告诉我，ISO最近已经完成了对一个大型太阳能光伏发电厂的测试。令他惊讶的是，该设施即使以其容量的几个百分点运行，也能提供“超过1.2兆vars”。(你可以找到结果这里．)

“该系统可以快速地提供，以毫秒为单位，比典型的化石工厂更快！”因此，我认为，真正留下了国家的高级电网极客之一：太阳能巨型队的需要。

我们搬到了视频马赛克的中央部分，显示了频率数据。Inset在相邻的屏幕上，标题为“Baal”是一个看起来像Atari经典的20世纪70年代视频Pong游戏的客厅大小的图像;一个大白的“球”来回漂浮在两个倒转旋转形状的“桨”之间。

佩廷吉尔解释说，这个“游戏”是为了防止白色球体越过网格上可接受的频率公差范围内的“挡板”。它是由BAAL定义的，这是一个神秘的首字母缩写词，指的是网格频率的实时测量，超过预定义的限制不得超过30分钟。否则，电力服务可能会下降，连接的电网(在相邻的状态)也可能受到影响。

对于ISO，可靠性首先是。加州电气市场的2000-2001危机导致了数百万用户的停电，帮助塑造了组织的DNA。

电网的标准频率(60 Hz)随着总发电量的下降而下降，随着总发电量的增加而上升。(我被告知，从技术上讲，频率衰减与电网的总“惯性”成比例，后者反映了电网上发电机的总旋转质量。)通过立即连接或断开与频率同步的备用发电机，这些通常只需要几分钟的变化就会被实时修正(以免像滚雪球一样滚雪球)。因此，“BAAL pong”的展示远远不止是一场游戏。

在过去，闲置的化石燃料或水力发电机(有时被称为“旋转备用发电机”)提供了所需的大部分频率响应服务。然而，如今，新的储能设施(电池、飞轮)和可再生发电机可以提供类似的服务。

但到目前为止，市场的多样化令人沮丧;ISO可靠性服务的价格令人沮丧。例如，频率支持可能仅取10％的原始电力的价格。这部分是由于遗留生成器提供的遗传发电机提供的中潮，这些提供者包括新的提供商，包括新的基于电池和其他存储提供商。

当我们观看ISO的大屏幕时，Pettingill指出，北美可靠性公司（NERC）严格执行批发市场的频率标准，是向联邦监管机构的非营利实体报告。不合规的罚款很高。“错过了NERC标准可以达到数百万美元，”Pettingill说。这使得ISO的极客专注于他们面前的数据源，即使技术违规可能完全被公众透明地忽视。

“我的老板问我这是这样的，”拉天说，“你是不是装载了？'或者，'我们是否需要宣布“暂存的紧急情况”？“”那种宣言可能会触发全局呼吁消费者自愿电力削减的电视新闻公告。

“尽管如此，我们还没有记录可再生能源水平，”Pettingill接触。“服务一直很可靠。”

批发电网的管理者，如CAISO，也受到联邦能源管理委员会(FERC)的监督。它的功能很像市场裁判。在奥巴马总统的领导下，联邦能源监管委员会通常会确保ISOs为新的可再生能源供应商建立公平的互联条款，并且不会低估电力保护或负电的价格——这是加州气候计划的一个关键支柱。值得注意的是，在2013年，FERC规定，ISOs必须向那些提出不使用一兆瓦能源的人(例如，通过迅速减少需求提供负瓦)支付与提出生产一兆瓦能源的人相同的金额。

这些FERC倡议支持了ISO自身的努力，使网格更加灵活，抵御遗产能源卖家的挑战，他们认为其市场份额萎缩。事实上，Caiso经常有刺激的FERC更加积极主动。例如，FERC最近订购了所有ISO，直接指示新的太阳能发电机，以添加高级逆变器（或类似方式）以提供无功功率。ISO请将其申请包括较旧的设施以及自动化电压控制系统。

CAISO还希望看到FERC迅速解决电力存储服务的基本规则，因为全面定价存储的好处将有助于该部门在加州和其他地区电网中发挥更大的作用。然而，考虑到FERC预期的领导层变动，ISO担心正在审议的机构关于存储(以及扩大节电销售的相关措施)的建议可能会被改变或推迟。