近年来随着可再生能源的快速发展，美国部分地区的电网无法消纳新增可再生能源的现象屡见不鲜。
美国能源信息管理局(EIA)表示，可再生能源发电增势强劲，预计将在2045年超过气电。这一预测引发了人们对可再生能源发电的间歇性、不稳定性及其对美国电力供需与价格影响等问题的多重担忧。
随着可再生能源的快速增长，独立系统运营商(ISO)不仅要弃风弃光保持系统供需平衡，还要解决低电价对未来电网发展的不利影响。
标普全球普氏能源资讯北美电力分析高级经理莫里斯·格林伯格说，可再生能源发电的间歇性和不稳定性给电网运行中的额外备用要求和需求侧响应等资源的充足性带来了更多的不确定性。
EIA预测，2021年可再生能源发电将超过核电和煤电，2045年将超过气电。可再生能源发电比例预计将从2019年的19%增加到2050年的38%。
根据加州电力调度中心(CAISO)的数据，可再生能源发电比例约为40%，处于全国领先水平，在过去十年中翻了一近番。与此同时，2019年可再生能源弃电量同比增长了一倍多，同年5月创下月度弃电量223195 MWh的纪录。
德克萨斯州电力可靠性委员会(ERCOT)相关数据显示，2020年底，风电装机容量预计将同比增长40%，太阳能装机将同比增长149%。由于新增可再生能源压低电价，发电商投资建设新电厂动力不足，今年系统备用容量预计低至10.6%，连续三年低于目标13.75%。
加州CAISO：可再生能源弃电严重
加州一直是美国可再生能源发展的引领者，也是太阳能光伏发电比例最高的州，装机容量约为13 GW。
2019年CAISO创下风电太阳能发电历史新记录，5月15日可再生能源发电比例高达80.3%，其中超过51%来自太阳能，近19%来自风能。8月8日，可再生能源发电峰值量为14766 MW，占比为41.8%，超过了8月6日13902 MW的记录;7月2日太阳能发电峰值量达11473 MW，打破了6月29日10739 MW的记录;6月8日风力发电峰值量为5309 MW，超过了5月8日5193 MW的记录。
输电阻塞为弃电主因
可再生能源快速增长随之带来了一些负面影响，据统计，加州今年仅在4月1日当天的可再生能源弃电量就超过了17000MW。
加州太阳能产能过剩，中午时段发电量大多大于用电量，因此ISO须自动削减可再生能源发电以保障电网供需平衡。在极少数情况下，由于发电机组发电竞标不足，ISO还须手动核减用电来维持供需平衡。
目前有两种形式的弃电方式：一是供过于求时进行全系统范围内弃电;二是输电阻塞时进行局部弃电。
CAISO市场分析预测总监吉列尔莫·鲍蒂斯塔·阿德雷特说：“规划可再生能源传输线路可能是解决输电阻塞最有效的方法。”他还补充说，输电阻塞是CAISO弃电的主因。
ISO发布的每日报告中细分了一天中各小时的电量削减类型。1月数据表明由输电阻塞导致的弃电占比很高，累计弃电138,002 MWh，环比增长近100%，超过近五年1月弃电量总和。阿德雷特表示，该月南部区域的停电导致了局部弃电。
CAISO风电太阳能每日弃电报告指出，今年3月1日CAISO弃电量为300323 MWh，有78%(233,266 MWh)来自拥堵管理和局部弃电。
阿德雷特表示，从理性角度看，目前可再生能源弃电量只占可再生能源总发电量的2-3%。但随着更多的太阳能光伏并网，这个问题将会变得更具挑战性。为直接解决可再生能源弃电问题，要努力实现储能与光伏发电的耦合。
CAISO目前电源耦合请求包括：14.5 GW的太阳能光伏电源，10.5 GW太阳能光伏电源以储能作为第二电源，14.9 GW的储能以太阳能光伏作为第二电源，16GW独立储能。
春季弃电增加
由于春季用电需求偏低，风电和太阳能发电增加，同时受到春冬换季水电增发的影响，CAISO可再生能源季节性弃电增多。
格林伯格说：“在一年中某些特定时段如春季，弃电会相对更多。在此期间，太阳能发电增加，但由于气候温和负荷偏低，市场无法消纳多发的可再生能源。”
CAISO高级公共信息官员安妮·冈萨雷斯称ISO弃电是为了保持供需平衡，当可再生能源供过于求时，市场将自动进行核减。
ISO数据显示，为保持供需平衡，2019年5月CAISO弃风、弃光量总计为223195 MWh，突破历史新高，环比增长超过17%。据估计，2019年全年弃电量同比增长一倍多，过去五年内年平均增长近97%。
格林伯格说：“今年春季可再生能源弃电受限的原因之一是加州的水电供应变少了。但是随着风电和太阳能光伏发电的增长，我们仍可预见与输电阻塞相关的可再生能源弃电量同比将会上涨。
由ISO数据可知，今年加州水电占比为7.1%，远低于2019年第一季度的13.2%。根据加利福尼亚州内华达河沿岸预报中心的数据，该州的水文晴雨表莎士达水坝目前水量为4-7月丰水季正常水平的63%，这也代表了加州水库的总体趋势。
日前市场峰荷电价暴跌
随着可再生能源发电的增加，弃风弃光现象日益加重，电价也极可能出现暴跌，甚至出现零电价或负电价。这对发电企业投资保障电网可靠性提出了挑战，同时也突出了电网对大规模储能的强烈需求。
据ISO数据显示，2019年CAISO的弃电量同比增长了一倍多，但SP15日前市场峰荷价格却同比下降了近22%。
4月1日，当CAISO弃电飙升至17,000 MW时，SP15日前市场峰荷价格仅为12.51美元/MWh，与前一天相比下降了27%;实时市场峰荷价格仅为6.02美元/MWh，下降了一半。
格林伯格指出，高弃电量与低电价间存在正联系，因此预测弃电量将有助于进行市场评估。供过于求时段的弃电(零电价或负电价)需要其他时段的高电价来弥补投资成本，这个价差将最终涵盖可调度的气电或储能成本。
德州ERCOT：系统备用容量紧缺
加州已成为研究可再生能源转型的典型案例，而美国其他地区才刚刚开始认识到可再生能源的快速增长和及高市场渗透率所带来的一系列挑战。
ERCOT是全美风电装机容量最大的地区，风电装机近24 GW，并已开始推动太阳能发电，风电和太阳能发电预计今年将再次出现大幅增长。该州可再生能源的发展更多是由税收抵免政策推动的，而非早已出台的各州可再生能源配额制。
随着税收抵免逐步降低，输电阻塞压低电价，可再生能源发电增速已放缓。但若所有已签署协议均照常执行，至2020年底，风电装机预计同比增长40%，约达33450 MW。根据ERCOT于1月份发布的《各类燃料装机变化图表》，今年底太阳能光伏装机容量将同比增长149%，2021年将同比增长105%。
ERCOT数据显示，储能电池容量也在不断增长，2020年预计新增262 MW，总容量达366 MW，2021年达568 MW。
与此同时，可再生能源弃电量也在增加。根据ERCOT数据，该区1月份电力供过于求，弃电近500MW，与上月相比增加了87%，约为一年前的三倍。
ERCOT风电发展带来的低电价已大大减弱了发电商开发投资新电厂动力。由于新增电厂不足以补偿报废电厂和负荷增长，ERCOT系统备用容量越来越少，这引发了人们对未来夏季供电可靠性的担忧。2020年夏将成为ERCOT备用容量低于13.75%目标的第三个夏季。
新增的廉价可再生能源不断压低市场电价。在过去七年中，随着大规模风电发展和近期太阳能新增，德州西部枢纽的实时市场峰荷价格已有五年跌至负价。今年西部枢纽实时市场电价已经跌破负3美分/MWh，而这一情况通常发生在今年晚些时候。2016年第四季度，西部枢纽实时市场价格低至负9.68美元/ MWh。
风电或亦可提供辅助服务
以上各州案例揭示了美国各州要在未来几十年后达到80%-100%零排放发电目标所面临的挑战。
CAISO清楚地认识到，目前美国各州及世界各国都在研究大规模、高比例可再生能源并网规划问题，很多州都以加州作为典型案例。随着各州可再生能源配额目标的增加和达成期限的临近，这一点变得越来越重要。
阿德雷特谈到发电变革和技术进步时说道：“一切发展如此之快。随着加州向2024年可再生能源占比44%和2045年100%零碳发电目标的迈进，清洁能源渗透率将进一步提高。发电技术组合和地理资源配置的多样性将起到至关重要的作用。”
格林伯格说：“加州过于遵从目前的可再生能源配额目标和可再生能源税收抵免措施。”他补充说，在光伏和光储项目税收抵免政策，地区负荷增长低于预期，2030年可再生能源配额制实现60%目标等多重因素下，加州的超额遵守使得当前可再生能源项目开发成本低。
CAISO首席执行官史蒂夫·贝贝里希指出，预测是实现高比例可再生能源并网的关键因素。贝贝里希在谈及可再生能源可靠性和太阳能发电爬坡问题时说，“这包括负荷预测、可再生能源发电预测和分布式电源发电预测。”他还补充说，提升发电灵活性以弥补潜在发电差距是非常重要的。
ISO发布新闻称，CAISO近期与阿凡格瑞德新能源、国家可再生能源实验室和通用电气合作完成了一项研究。该研究表明，带有基于智能逆变控制器的商业风电场可提供上下调节发电，电压调节控制，有功功率控制和频率调整等服务。目前这些稳定电网的服务均由常规能源(如气电)提供。
该新闻稿称，通过一些相对简单的电网运营升级和市场重新设计，几乎所有的风力发电厂都可以提供辅助服务并获得补偿收益，这为可再生能源创造了除电能量市场外的新市场。
贝贝里希表示：“我们还没有实现100%零排放的方案。”他补充说，多样化的储能将成为至关重要的一环，此外发挥地理资源配置优势也将在平衡发电方面扮演重要角色。
