加州的网格极客:掌握动力

这独家六部分系列采取深入观察加州过渡到超过50%的可再生电力。面对特朗普总统对全球变暖的明显漠不关心，加州已经成为气候活动人士的希望灯塔。整个系列将会出现在这里。读第一部分,第二部分,第三部分和第四部分。

为了证实加州对绿色电网的追求，我采访了戴夫·奥尔森，他曾两次担任加州电网的州长，被称为加州独立系统运营商。请参阅第四部分来开始我们的谈话。

喝完咖啡后，我向奥尔森提出了其他驯化方法鸭子曲线“你也可以通过让电网变大来获得更多的灵活性……通过扩大它——增加州，”他回应道。例如，“你可以把加州早上的太阳能发电送到其他州，而怀俄明州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。”通过the CAISO’s estimates, consumers could save up to up to $1.5 billion by 2030.

奥尔森还提到了为15个州服务的中西部地区电网。“电网使爱荷华州有很高水平的风力发电,现在有时超过60%——他们希望85%——因为他们可以出售多余的风其他州,反过来,买化石力量当风休闲裤。”

我们吃完早餐，在自动唱机的背景下大声交谈(社交礼仪上必要的我把我们的谈话引到了我在拉霍亚提出的一个中心问题上。可再生能源真的能提供那些经常被遗忘的可靠性服务吗?

奥尔森回答说，并不是太阳能和风能发电厂不能提供这些支持服务。“风能和太阳能发电厂都产生直流电(DC能源)，它们有逆变器将电能转换并同步到电网使用的交流电(AC)。”

他犹豫了一下，显然是想谨慎一下自己的措辞。“还有一些研究和发展要做，但我们对ISO非常满意，如果我们向发电机发送信号，一个智能的、快速动作的逆变器可以帮助稳定电网，就像大型燃气发电厂做的那样。”That’s by increasing or reducing resistance, he explained, and by changing how much energy is provided.

“这不再是一个真正的技术问题，而是一个在电网上为这些服务定价的问题，或者当公用事业公司同意从大型太阳能或风力发电机那里购买电力时，将其写入合同的问题。”

当我们付账时，奥尔森建议我在本周晚些时候访问ISO的福尔森总部时再讨论可靠性服务的问题。“我们有很好的员工，你可以和他们谈很多细节。”

电网使爱荷华州有可能拥有高水平的风力发电…因为他们可以把多余的风能卖给其他州，在风力减弱时购买化石能源。

在去福尔松之前，我在旧金山停留了一下，再次了解了ISO面临的挑战E3该公司是加州电力市场的主要企业咨询集团。2013年，能源和环境经济学方面的简写机构E3首次深入探讨了将该州可再生能源发电比例提高到50%的可行性。这项为CEERT后来的研究提供帮助的行动，是由该州最大的公用事业公司承保的。

E3发现，是的，电网可以应对这一挑战。“没有技术问题……没有可靠性的问题。而且利率的影响是温和的，”负责建模工作的E3合伙人Arne Olson说。奥尔森在电力部门有超过20年的工作经验，他告诉我，“没有人曾经研究过如何才能运行如此水平的可再生能源……我们证明了你可以做到。但我们也发现，如果你没有合适的可再生能源，如果加州单打独斗，成本会高得多。

“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阵营。“让加州表现得像一座岛屿是没有道理的。如果我们有一个地区电网，这相当于可再生能源的水平提高了10%，成本也差不多。这很重要，”他告诉我。多州电网“还能让你的可再生能源比例超过50%，达到60%或更多。”没有它很难做到这一点。”

E3的建模工作也表明，国家可能不得不接受一些天然气发电的剩余使用。“我们从未设想过2050年没有某种程度的燃气能源，不管是10%还是15%。我们将需要它来填补应急缺口，并处理一些高峰，”Olson说。

奥尔森说，要把这一比例保持在较低水平，可再生能源必须变得更加通用。“我们现在每小时或15分钟就可以销售可再生能源。但是，当一个大型发电机退出系统时，瞬时响应又是怎样的呢?或者当能源过剩时，我们该怎么办，太阳能已经溢出了。发电机必须能够迅速退出，以提供平衡电网所需的‘向下调节’。”

尽管有这些警告，奥尔森还是很乐观。“有了50%的可再生能源，就可以实现温室气体减排的目标:电力比1990年的水平低40%。对整个经济来说，这并没有起到什么作用，但它仍然意义重大。”

从旧金山出发30分钟后，沿着80号州际公路往东行驶110英里到达福尔松，高速公路穿过起伏的丘陵，草地上点缀着橡树，树冠茂盛。牛在十一月斜斜的太阳下吃草。我走神了。然而，在地平线上，一长列巨大的电塔将景色一分为二，我的思绪回到了目的地。

加州ISO的控制室坐落在一个不起眼的郊区，就在眼前。尽管ISO已经成为该州经济的神经中枢(在这个依赖于插件、互联网的世界里，没有电，几乎所有东西很快就会被占用)，但这里却没有任何标识。穿过安全门后，这栋狭长的玻璃幕墙建筑被中庭隔开，看上去很像典型的硅谷企业园区。前面是一排排的太阳能光伏车库和电动汽车充电站，但看不到一条输电线。

让加州表现得像个岛屿是没有道理的。一个多州电网也能让你的可再生能源比例超过50%，达到60%甚至更多。

在气候目标开始重新确定国际标准化组织的优先事项之前，它被设计用来完成两项主要工作。最明显的是，它的任务是监督电力部门的核心基础设施，比如80号州际公路上的长串长距离输电线路，以及为当地电网降压的变压器开关场。

相对不那么明显，但同样重要的是ISO对全天候能源市场的管理。它将供应——750多家大型并网发电厂(间接地，几十万分布式屋顶太阳能和其他发电机)提供的能源——与3000多万用户的集体需求相匹配。

这个市场每年价值110亿美元，除非它能无缝运行，设定24小时的能源价格(对ISO来说，这意味着每五分钟、每小时以及未来一天)，电网就会冻结。发电机可能无法提供足够的电力来满足每个用户当前的需求。如果短缺严重，可能会出现轮流限电和停电。

因此，对于ISO来说，可靠性是第一位的。2000-2001年的加州电力市场危机导致数百万用户停电，帮助塑造了该组织的DNA。(1996年8月，该州的大部分地区也经历了停电，但原因完全不同。)

我在ISO的主人是Phil Pettingill，他负责ISO的区域扩展，和Clyde Loutan，一个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。

控制室的后墙上几乎全是一个巨大的、80英尺长、从地板到天花板的马赛克视频屏幕。起初，这似乎是一种干扰，一种公关手段，用来掩盖当前的电网技术转移之前在他们的工作岗位上所做的事情。但当我的眼睛调整好后，佩廷吉尔开始带着我浏览马赛克，我开始意识到，这些展览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式。

视频剪辑的左侧大部分被ISO的主传输链路和变压器示意图占据;下面的条形图突出了关键连接点的电压水平。就在我们看到的时候，屏幕上出现了红灯，然后随着电压的下降和正常化而闪烁。

为了保持电压稳定，ISO要求发电机提供伏安无功功率(VArs)。这是通过注射或吸收爆发力来实现的，就像慢跑者在速度不断变化的跑步机上用腿来保持稳定的步伐一样。

传统上，燃气发电厂和其他大型发电厂都是利用巨大旋转发电机产生的动力来提供这些无功服务。Loutan说，为了避免燃烧燃料和造成不必要的排放，即使发电机的转子自由旋转，通过将转子与通常通过磁铁旋转来发电的大型线圈解耦，也可以提供同样的动力。这意味着它“可以作为一个同步电容器”(一种电压控制设备)，并为此服务付费。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行。

在我的参观中，Loutan证实，如果把直流逆变器升级为交流逆变器，ISO也可以从可再生发电机获得这些无功服务。可再生能源发电机还必须愿意在满负荷运行，从而放弃一些能源销售(“他们需要空间来注入电力”)。

然后，鲁坦变得兴奋起来。他告诉我，国际标准化组织最近完成了对一个大型太阳能光伏电站的测试。令他吃惊的是，该公司发现，即使在只有其产能几个百分点的情况下，该工厂也能提供“超过1.2亿瓦”的产能。(你可以找到结果在这里。)

“这个系统可以以毫秒为单位进行非常快的传输，比典型的化石电厂还要快!”So that’s what it takes, I thought, to truly impress one of the state’s senior grid geeks: solar megaVArs.

我们继续到视频马赛克的中心部分，它显示频率数据。旁边的屏幕上镶嵌着一张图片，标题为“BAAL”，看起来就像雅达利(Atari)上世纪70年代的经典视频Pong游戏的客厅大小的显示屏;一个巨大的白色“球”在两个倒置的回飞棒形状的“桨”之间来回浮动。

Pettingill解释说，这个“游戏”是为了防止白色的球体移动过任何一个“球拍”，这两个“球拍”包含了电网上可接受的频率公差。它是由BAAL定义的，这是一个神秘的首字母缩写，指的是对网格频率的实时测量，在30分钟内不能超过预定义的限制。否则，电力服务可能会退化，相邻州的连接电网也可能受到影响。

对于ISO来说，可靠性是第一位的。2000-2001年的加州电力市场危机导致数百万用户停电，帮助塑造了该组织的DNA。

当总发电量下降时，电网的标准频率(60hz)趋向于下降，而随着总发电量的增加而上升。(有人告诉我，从技术上讲，频率的衰减与电网的总“惯性”成正比，后者反映了电网上发电机的总旋转质量。)这些通常是十分钟的变化通过即时连接或断开频率同步的备用发电机来实时修正(以免它们像滚雪球一样滚落)。因此，“BAAL pong”的展示不仅仅是一款游戏。

过去，闲置化石燃料或水力发电机(有时称为“旋转备用”)提供了所需频率响应服务的很大一部分。然而，今天，新的能源储存设施(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，市场已经挫败了多元化;ISO的可靠性服务价格很低。频率支持，例如，可能只收取10%的价格每小时支付的原始电力。这在一定程度上是由于传统发电商的报价过高，令新供应商(包括以电池为基础的新供应商和其他存储供应商)感到失望。

当我们看到ISO的大屏幕时，Pettingill指出，批发市场的频率标准是由北美可靠性公司(NERC)严格执行的，这是一个向联邦监管机构报告的非盈利实体。违反规定的罚款很高。Pettingill说:“如果没有达到NERC的标准，可能会损失数百万美元。”这使得ISO的极客们专注于他们面前的数据传输，即使一个技术违规可能完全被公众忽略。

“我老板问我的是，”Loutan说，“你有没有空投?或者，“我们需要宣布进入‘阶段性紧急状态’吗?”这样的声明可能会引发全州的电视新闻公告，呼吁消费者自愿断电。

Pettingill插话道:“尽管可再生能源达到了创纪录的水平，但我们还没有达到这个水平。”“服务一直是可靠的。”

大规模电网的管理者，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，FERC一般已经确保ISOs为新的可再生能源供应商建立公平的互联条款，并且不会低于电力节约或负瓦特的价格——这是加州气候计划的一个关键条款。值得注意的是，在2013年，FERC规定，ISOs必须向那些提供不使用1兆瓦能源的人(例如，通过快速减少需求而提供1兆瓦能源的人)支付相同金额的费用，这与提供1兆瓦能源的人相同。

FERC的这些举措支撑了ISO自身的努力，使电网更加灵活，抵御来自传统能源销售商的挑战，他们看到自己的市场份额在萎缩。事实上，CAISO经常督促FERC更加积极主动。例如，FERC最近命令所有的ISOs指导新的太阳能和风力发电机增加先进的逆变器(或类似的手段)来提供无功电力。国际标准化组织请求将旧设备和自动电压控制系统也包括进来。

CAISO还希望FERC尽快解决电力存储服务的基本规则，因为为电力存储的利益定价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。但是，考虑到FERC预期的领导更替，ISO担心关于储存(以及扩大电力节约销售的相关措施)的待定机构提案可能会改变或推迟。