加州电网极客:可再生能源成为好“电网公民”

这个独家的六部分系列深入了解加州过渡到超过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。整个系列将会出现在这里。读我一部分和第二部分在这里。

正如社会包容已经成为加州气候法案的新口号一样，区域化也同样如此。对于电力来说，这意味着要设计一个更大、更具地理包容性的电网——一个包括多个相邻州的电网。

这是由能源效率和可再生技术中心(CEERT)倡导的低碳电网研究的主要信息之一。“你需要这样做，”CEERT执行董事v·约翰·怀特(V. John White)说，“才能得到我们想要的平衡投资组合。”The key is to let California trade more green electricity with neighboring states (and vice versa) by expanding the reach of the existing wholesale market.

该企业现在由加州独立系统运营商(CAISO)运营。它成立于1998年，当时国家对电力部门进行了重组，要求公用事业公司将其长距离输电设施的运营控制权交给新的独立系统运营商(ISO)，并将其发电厂与当地变电站和为当地客户服务的电线分开。

除了管理从俄勒冈州边境到墨西哥绵延26000英里的高压输电网络外，CAISO还负责提供足够的能源，以满足该州80%以上居民的全天候需求。现在，它也被列入了该州的气候战中。

将CAISO从一个州范围的网格转换为一个区域网格——一个西部ISO (WISO)——已经被证明是一项艰巨的任务。治理是一个主要问题;ISO的五人委员会完全由加州州长挑选;这对于区域性ISO来说是站不住脚的。迄今为止，一个可行的多国解决方案尚未出现，但CEERT仍抱有希望，并已帮助推动了一个新的解决方案“修复电网”运动——增强公众对改革的支持。

在等待政治解决方案之前，国际标准化组织已经采取行动，在自愿的基础上连接州外的发电机，由伯克希尔哈撒韦公司(Berkshire Hathaway)的子公司PacifiCorp牵头。PacifiCorp在西部的其他几个州也生产电力。在会议上，伯克希尔哈撒韦公司(Berkshire Hathaway)高管、前CEERT联席主席乔纳森•威斯格尔(Jonathan Weisgall)指出，由此导致的批发发电商之间电力交易的“能源失衡市场”，已经使PacifiCorp的燃煤发电业务多元化。它还有助于降低加州消费者购买绿色能源的成本。

你得想办法…对于可再生能源来说，不仅仅是提供能源。可再生能源必须是良好的电网公民。他们不能只是搭便车。

白旗从中心的网格研究的最后拿走。“你不能忽视这一点，”他在不同的谈话中告诉我。“当你开始主要依靠可再生能源运行电网时，你没有天然气或核电站做大部分工作，那么你必须找到一种方法——你可能需要这种方法——因为可再生能源不仅仅是提供能源。他们必须接管支持服务，这是电网需要的第二件事。可再生能源必须是良好的电网公民。他们不能只是搭便车。”

怀特提到的辅助服务，通常被电网管理人员称为“可靠性”服务，可以在任何给定的时刻匹配电力供应和需求，弥补小的不足或迅速削减能源以平衡需求。在实践中，这也涉及到在美国保持电网频率在一定范围内以每秒60圈的电流为中心

可靠性服务还有助于在数千英里的区域传输电缆、开关站和本地连接点上保持电压稳定。这是通过一种叫做“无功功率”的东西来实现的;它是以VArs，即伏特-无功单位来测量的。除非电网能在瞬间接入无功功率，否则变压器可能会断线;一些消费类设备也可能会被“炒鱿鱼”。

将网格描绘成一个大型社区水库。

除了CEERT这群人之外，我们或许可以有把握地假设，很少有电力用户对VArs或上面列出的任何其他可靠性服务有多少了解。因此，为了更好地理解它们的重要性，打断当前的叙述并仔细研究一下可能会有所帮助。一个类比可能会有所帮助。

把电网想象成一个大型社区水库——一个通过数百个测量水管保持充满，每个水管由一个单独的水源供应(包括河流系统、湖泊、泉水和地下蓄水层)。有些水源的水流是很容易预测的。

然而，对于其他许多人来说，只能得到粗略的预测(比如风能)。流量和流速在每天和每周都有很大的变化。即便如此，水库的管理者必须在一年365天的每时每刻都将水位保持在同一水平。

但这还不是全部。当社区里的每个人需要多少水就取出多少水的时候，水位必须得到控制。许多用户连接小水管，其他人连接大水管，每天的用水模式都在变化。添加新管道并断开一些连接。所有这些活动都使管理者的任务变得复杂，即立即保持水位“平衡”。

这一挑战是可控的，但它会影响整个体系。

为了进一步进行类比，设想发现了一种奇妙的新水源。这个特殊的水源——也许是由一个巨大的冰川提供的——每天只流动大约8个小时，但它每天都在流动。这是可以预测的，更便宜，更环保，但是流量波动很大，从涓涓细流到全力流动需要不到两个小时。

只要增加的水量只占总水量的一小部分，管理新水源就很容易。(记住，整个储层系统必须在任何时候都保持流入和流出的平衡。)但是，当这种“全有或全无”的水流突然每天喷出的水量足以满足整个系统四分之一的用水需求时，会发生什么情况呢?

欢迎来到加州新兴的电网。2010年，太阳能光伏发电仅占全州电力供应的0.5%以下。到2020年，太阳能光伏可能在某些下午提供多达25%的电力。这一挑战是可控的，但它会影响整个体系。稍后将对此进行详细介绍。

直到最近，控制电网的频率和电压，比如管理能源的逐时变化以平衡需求和供应，几乎都是由几百个主要以化石燃料为燃料的中央电站提供的。这些电站的设备在技术设计上不仅提供能源，而且提供无功功率和频率响应服务。

然而，正如拉霍亚会议明确指出的那样，太阳能和风能发电将很快提供加州至少三分之一的能源，这一数字可能在十年内翻倍。如果你不想继续依靠天然气发电厂来填补空白——这是CEERT的一个关键目标——可再生能源必须承担更多的工作，来平衡能源供应(找平水源)，以及使频率和电压(压力和温度)正常化。