中國儲能網(wǎng)訊：2024年4月8日，北美多地出現(xiàn)日全食。日全食首先出現(xiàn)在南太平洋上空的墨西哥，再進入美國得克薩斯州（以下簡稱“得州”），隨后向東北方向移動，從緬因州進入加拿大。
日食發(fā)生時，到達地面的太陽總輻射會衰減，從而影響光伏出力。當月球完全擋住太陽光時會出現(xiàn)日全食，日全食一般在途經(jīng)的地方持續(xù)幾分鐘，日偏食則可能持續(xù)幾小時。
日食所引發(fā)的光伏出力異常波動可能威脅電網(wǎng)可靠運行。為應對此次日全食，北美各地電網(wǎng)提前準備，日食期間未發(fā)生停電或其他故障。
日食期間美國電力系統(tǒng)經(jīng)歷了什么
美國能源信息署（EIA）的數(shù)據(jù)顯示，此次日全食期間美國超過6.5吉瓦集中式光伏電站無法出力。美國全境經(jīng)歷了不同程度的日照限制，全國約84.8吉瓦（集中式和分布式）的光伏全部或部分受到影響。
分區(qū)域看，得州電網(wǎng)受日全食影響最顯著。EIA在日食前估算了美國各地集中式光伏電站的電量損失，結(jié)果顯示，得州的光伏電站受影響最大，約17吉瓦，損失的電量比重高達90%—99%。加州大部分地區(qū)都處于部分遮擋范圍內(nèi)，光伏發(fā)電量減少40%—59%，但加州的集中式和分布式裝機規(guī)模都很大，因此對電網(wǎng)沖擊也較大。PJM電網(wǎng)將約有4.8吉瓦集中式光伏受到影響，美國中西部大陸電網(wǎng)（MISO）受日食影響可能相對較小，僅4吉瓦集中式光伏有發(fā)電量損失。
得州電力可靠性委員會（ERCOT）的網(wǎng)站顯示，4月8日得州天氣晴朗，美國中部時間下午12：20到1：25之間，日全食出現(xiàn)，光伏發(fā)電出力陡然下降，集中式光伏出力從13.5吉瓦暴跌至1.3吉瓦。電力供需不均衡會危及電網(wǎng)穩(wěn)定運行，凈負荷（凈負荷=實際負荷－可再生能源出力）的迅速變化給系統(tǒng)帶來了巨大的爬坡壓力。
日食期間，屋頂光伏用戶也無法自給自足，系統(tǒng)總負荷相應增加。下午3：07日食結(jié)束時，電網(wǎng)恢復了正常運行，但這時光伏電量猛增。ERCOT數(shù)據(jù)顯示，當日下午4點光伏出力反彈至平均每小時12吉瓦，系統(tǒng)總負荷也相應下降。
最初，ERCOT調(diào)用了約2.5吉瓦儲能滿足系統(tǒng)需求，隨后又增加氣電機組。氣電出力水平從19吉瓦升至27吉瓦，是調(diào)峰的主力電源。核電和煤電出力基本維持穩(wěn)定，略低于11吉瓦，其余電量由風電、水電等其他電源提供。為保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，儲能和部分聯(lián)合循環(huán)氣電機組還為系統(tǒng)提供了調(diào)頻和運行備用等輔助服務。
圖1：得州電力可靠性委員會事前對4月8日全食光伏出力情況預測
來源：ERCOT
日食期間系統(tǒng)凈負荷迅速變化，令得州電力現(xiàn)貨市場實時價格波動明顯。如圖2所示，日食前實時電價為50美元/兆瓦時。隨著光伏發(fā)電量的下降，系統(tǒng)轉(zhuǎn)而調(diào)用其他邊際價格較高的電源，日食期間電價迅速飆升至870美元/兆瓦時，隨后下降到500美元/兆瓦時。日食結(jié)束后電價恢復至平時的水平。
圖2：4月8日得州電力現(xiàn)貨市場價格波動
來源：ERCOT
如何預判日全食的影響
據(jù)北美電力行業(yè)資深專家介紹，評估日食對電力系統(tǒng)的影響時，既要考慮當?shù)毓夥l(fā)電的占比，還要考慮日食當天的天氣狀況。在光伏占比高的地區(qū)，日食對電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響較大。天氣晴朗時，日食對光伏出力影響較為明顯；陰天時則影響較小。
以加拿大某省為例，光伏發(fā)電僅占該省發(fā)電量的1%。該省天氣晴朗時的光伏出力約4000兆瓦。據(jù)當?shù)仉娏臉I(yè)者介紹，由于該省日全食當天是陰天，光伏出力僅1700兆瓦，日全食則進一步將光伏出力水平減少至400兆瓦。而在美國得州，集中式光伏裝機容量達22258兆瓦，是得州的第二大電力來源，僅次于天然氣發(fā)電，日全食前光伏發(fā)電量占該地區(qū)總發(fā)電量約25%。EIA的數(shù)據(jù)顯示日全食當天得州天氣晴朗，光伏出力較往常減少約8900兆瓦。
前述專家認為，一般來說，天氣陰晴比日食對電力系統(tǒng)的影響更大更長久。這是由于日食的發(fā)生時間和經(jīng)過路徑通常提前幾年便可預測，且預測精準度很高，因此，日食期間光伏出力預測的準確率也相對較高，系統(tǒng)運營商有充足的時間做預案。而傳統(tǒng)氣象預測偏差大，尤其是陰晴不定的天氣對光伏出力預測的準確率影響很大。
另外，日食持續(xù)時間短，對電網(wǎng)的影響遠遠小于持續(xù)時間更長、破壞性更強和更難預測的冰凍、雨雪等極端天氣對電網(wǎng)的影響。
分布式光伏占比也是一項考慮因素，占比高的地區(qū)受影響更大。首先，日食期間分布式光伏電量銳減，自發(fā)自用的戶用分布式光伏用戶對主網(wǎng)的用電需求增加，電網(wǎng)運營商需要調(diào)用其他機組保障電力供應。待日全食結(jié)束，光伏很快又能發(fā)電，這類用戶對主網(wǎng)的用電需求下降，這時大量集中式光伏也具備發(fā)電條件，電網(wǎng)運營商需要快速關(guān)停部分機組，避免大量光伏發(fā)電涌入系統(tǒng)影響系統(tǒng)平穩(wěn)運行。
“如果某地多是集中式光伏，電網(wǎng)可提前安排受日食影響較重地區(qū)的光伏電站停運或降低功率運行，避免光伏發(fā)電大規(guī)?？焖俨▌印５娋W(wǎng)無法調(diào)控位于表后的分布式光伏，戶用光伏通常應發(fā)盡發(fā)”，上述專家解釋。
不過他同時指出，未來隨著儲能的增加，戶用分布式光伏發(fā)電對電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊會減小。目前北美多地都計劃大規(guī)模部署儲能，儲能是目前應對短時間供電不足和快速爬坡需求最好的手段。例如，美國紐約州計劃到2030年部署6吉瓦儲能，提高系統(tǒng)靈活性。而且，與戶用光伏配套的儲能也在快速擴張，日食期間儲能放電亦可供應至少兩小時電力，減小電網(wǎng)平衡壓力。
電網(wǎng)如何提前應對
為了應對日食期間光伏出力迅速下降和提升，電網(wǎng)通常提前十幾天開始準備預案抵御沖擊，并在日食臨近前幾天根據(jù)天氣預報進行具體部署。
據(jù)電力系統(tǒng)相關(guān)專家介紹，北美電網(wǎng)應對日食的預案通常包含6種方式。
首先是增加運行備用。在北美，運行備用通常是指事故備用，分為旋轉(zhuǎn)備用和非旋轉(zhuǎn)備用，是為了應對系統(tǒng)出現(xiàn)一些預期之外的變化（如某些機組突然出現(xiàn)故障無法出力）而預留的發(fā)電空間，可有效管理小型瞬時供需失衡和涉及供需的大型意外突發(fā)事件。同時，因為運行備用的增加，備用和能量的聯(lián)合優(yōu)化也可以產(chǎn)生更多的機組組合方案，為電網(wǎng)的實時運行提供更多的爬坡能力。
第二是增加調(diào)頻服務。如果機組出力無法跟上電網(wǎng)負荷的增長，系統(tǒng)頻率就會偏離正常值，系統(tǒng)運營商通過調(diào)速系統(tǒng)、自動功率控制等方式，調(diào)整有功出力減少頻率偏差，應對瞬時故障等異常情況。
第三是保證快速啟動機組及時調(diào)動?？焖賳訖C組是指可在5分鐘到半小時內(nèi)能并網(wǎng)運行的機組，如電池儲能、抽水蓄能、單循環(huán)燃氣機組，可在系統(tǒng)需要時隨時上線。
第四是提前調(diào)度慢啟動機組。如燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組需要提前70—90分鐘預熱才能讓機組達到最小出力水平，屬于慢啟動機組，需要電網(wǎng)提前下發(fā)調(diào)度指令。
第五是調(diào)度集中式光伏發(fā)電。提前安排受影響較重地區(qū)的大型光伏電站停運或降低功率運行，避免光伏發(fā)電功率的大規(guī)模快速波動。
第六是減少負荷，如通過需求側(cè)響應和降低聯(lián)絡線外送功率等方式，減小電網(wǎng)壓力，提高電力系統(tǒng)抵御沖擊的能力。
這次日全食期間，各地的負荷和發(fā)電預測水平普遍較高，沒有發(fā)生停電或其他故障。
根據(jù)測算，2026年8月12日還將發(fā)生一次日全食，屆時將經(jīng)過格陵蘭島、冰島、西班牙、俄羅斯和葡萄牙的一小部分地區(qū)，而歐洲、非洲和北美的部分地區(qū)將經(jīng)歷日偏食。未來兩年西班牙、葡萄牙光伏裝機增長迅猛（兩國2030年的光伏裝機目標分別為76吉瓦、20.4吉瓦），預計8月的日偏食將對兩地電力系統(tǒng)運行造成較大影響。
