美國得州2·15大停電事故分析及對中國電力發(fā)展的啟示
張玥, 謝光龍, 張全, 韓新陽, 朱瑞, 張鈞
國網能源研究院有限公司, 北京 102209
引言
2021年2月12日—17日，暴風雪席卷美國南部、中西部和東北部地區(qū)。美國得克薩斯州（下文簡稱得州）受極寒天氣影響，2月15日—19日發(fā)生大停電事故，最多影響人口達到450萬人。極端寒冷天氣導致電力取暖負荷急劇攀升，與此同時，因天然氣管道受凍冰堵、風機葉片覆冰凍結，大量燃氣和風電機組退出運行，甚至部分燃煤機組也退出運行，得州電網電力供需嚴重失衡。得州當地時間02-15T01:25，得州電力可靠性委員會（Energy Reliability Council of Texas，ERCOT），即得州電網調度機構，宣布啟動最高等級的三級緊急狀態(tài)，針對居民用戶和小型工商業(yè)用戶采取輪流停電措施，最大切負荷達2 000萬kW，實時市場價格超過9000美元/（MW·h），直到02-19T10:35才全面恢復正常供電。
一方面，受氣候變化影響，全球極端天氣發(fā)生頻率增加，對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的影響不可忽視；另一方面，在“碳達峰”“碳中和”目標下，高比例可再生能源電力系統(tǒng)是發(fā)展趨勢，更易受極端天氣影響。本文旨在梳理分析美國得州2·15大停電的原因，并總結其對中國電力發(fā)展的啟示。
1 美國及得州電網概況
1.1 美國電網概況
1.1.1 電網概況
自2000年以來，隨著美國“頁巖氣革命”的成功，美國電網的電源結構逐漸從以燃煤發(fā)電為主向以天然氣發(fā)電為主過渡。截至2020年年底，美國天然氣發(fā)電裝機容量達到4.8億kW。2020年天然氣發(fā)電量達到1.6萬億kW·h。2020年美國電源裝機和發(fā)電量結構[1]如圖1所示。
圖1 2020年美國電源裝機和發(fā)電量結構
Fig.1 Installed capacity and generation structure of U.S. in 2020
由于落基山脈地理特征和歷史原因，美國本土電網由西部聯合電網、東部聯合電網、得州電網三大電網構成，分別由66個電力調度機構保障電力系統(tǒng)的可靠性和實時平衡，電網和調度機構分布[2]如圖2所示。東、西部電網之間通過7回背靠背直流相連，得州電網與東部電網通過兩回直流相聯，未與西部電網聯網，與墨西哥通過3回直流相聯[3]。
圖2 美國電網分布
Fig.2 U.S. electric power grid regions
美國本土三大電網的電源結構各有特點，東部電網地區(qū)靠近煤炭及天然氣產地，以煤電和天然氣發(fā)電為主；西部電網依靠落基山脈的地勢，有相當規(guī)模的水電；位于美國南部的得克薩斯州處于美國頁巖氣主產區(qū)，以天然氣發(fā)電為主[4]。
1.1.2 管理概況
美國電力行業(yè)由三級機構構成。
第一級是北美電力可靠性委員會[5]（North American Electric Reliability Corporation，NERC），負責整個北美地區(qū)的強制性可靠性標準的發(fā)布、系統(tǒng)整體運行可靠性情況的預測和評估，以及市場參與者的注冊與培訓。
第二級是電力調度機構，負責各自區(qū)域的電力供需平衡，以保持電網穩(wěn)定。北美地區(qū)包括9家系統(tǒng)運營商（區(qū)域系統(tǒng)運營商（regional transmission organizations，RTO)、獨立系統(tǒng)運營商（independent system organizations，ISO）） [6]，如圖3所示，除負責各自轄區(qū)內的電網調度和電力實時平衡外，還負責該區(qū)域內的市場運營。
圖3 北美電網運營商分布
Fig.3 Grid operator distribution of North American Power Grid
第三級是區(qū)域電力公司，負責電網的規(guī)劃投資建設和電力客戶的運維服務，并接受區(qū)域調度機構的監(jiān)管。
電力行業(yè)監(jiān)管方面，美國能源監(jiān)管委員會（Federal Energy Reliability Council，FERC）負責美國除得州之外的其他區(qū)域，主要監(jiān)管州際間電力、天然氣和石油的傳輸、州級水電項目的審批、標準的審批、州際貿易中的電力傳輸和批發(fā)銷售的合規(guī)性、電力公司的并購和公司交易合規(guī)性等[7]。
1.2 得州電網概況
1.2.1 電網概況
得州位于美國南部，以頁巖氣為代表的能源資源非常豐富，基本上屬于溫帶氣候，南部部分地區(qū)為亞熱帶氣候。
得州電力系統(tǒng)主要為ERCOT調度區(qū)。ERCOT調度區(qū)覆蓋得州75%的地域面積和90%的負荷，區(qū)內第一大電源為天然氣發(fā)電機組，同時以風電為主的新能源發(fā)電裝機占比較高，但與外部地區(qū)的電力互聯薄弱，系統(tǒng)較為獨立。
裝機容量方面，天然氣發(fā)電機組占比接近一半。截至2020年年底，ERCOT調度區(qū)內總裝機容量約1.08億kW，其中天然氣發(fā)電機組占比47.45%，新能源發(fā)電占比34.50%，煤電12.50%，核電4.73%[8]。
發(fā)電量方面，天然氣發(fā)電量比重與裝機容量比重相當。2020年11月得州總發(fā)電量為344億kW·h，其中天然氣發(fā)電量占45%，非水可再生能源發(fā)電量占26%，燃煤發(fā)電量占19%[8]，如圖4所示。
圖4 美國得州2020年底電源裝機容量及2020年11月發(fā)電量
Fig.4 Installed capacity by the end of year 2020 and power generation in November 2020 of Texas
用電負荷方面，冬季高峰不及夏季高峰。歷史最大負荷為7482萬kW，出現在2019年夏季；最大冬季負荷為6592萬kW，出現在2018年。
外部互聯方面，輸電容量較小。ERCOT通過5回直流聯絡線同美國東部電網的西南電力池（Southwest Power Pool，SPP）和墨西哥電網相連，總容量為125萬kW。
1.2.2 管理概況
得州政府下設的得州公用事業(yè)委員會（PUCT）負責監(jiān)管ERCOT，管理范圍包括財務權、預算權和運營權，并由州立法機構進行監(jiān)督。
ERCOT負責組織電力批發(fā)交易，并維護電力批發(fā)市場的競爭性，保證電力系統(tǒng)的可靠性，確保電力輸電服務的開放性，保持零售市場競爭的充分性。
ERCOT負責管理的電力傳輸線路約74834 km。ERCOT市場參與者超過1400個，主要包括：授權計劃實體、負荷服務實體、輸電服務供應商、配電服務供應商、電源實體[9]。
2 大停電過程
2月12日—14日，受暴風雪影響，得州出現罕見低溫，用戶電采暖負荷快速上升。
2月14日，ERCOT發(fā)布公告稱，天然氣短缺和風機冰凍導致電力供應緊張，號召居民和商業(yè)用戶采取節(jié)電措施，當日19:00時用電負荷破冬季峰值記錄，達到6922萬kW。
2月15日凌晨01:25，由于大批發(fā)電機組被迫停運導致電力供應缺口較大，ERCOT宣布啟動最高等級的三級緊急狀態(tài)，針對居民用戶和小型工商業(yè)用戶采取輪流停電措施。1 h內限電負荷達1050萬kW，影響約200萬戶家庭。
2月15日全天，最高限電負荷達到2000萬kW，被迫停運機組容量最高達到5227萬kW，占總裝機容量的48.6%[10]，如圖5所示。天然氣發(fā)電機組被迫停運容量從1100萬kW驟升至2600萬kW左右，風電機組被迫停運容量從1500萬kW上升至1700萬kW左右。外部電力支援方面，最初階段，美國東部電網和墨西哥電網通過直流線路保持最大功率輸電，但07:00時許，墨西哥北部6個州也由于電力供應不足發(fā)生大規(guī)模停電，對得州的電力支援停止[11]，如圖6所示，外部電網最大輸電容量不足得州電力需求的2%。得州電力現貨市場各區(qū)域多時段電價升至8000美元/（MW·h）以上，最高觸及9000美元/（MW·h）的限價，約折合人民幣60元/（kW·h）。
圖5 2月14日—20日得州被迫停運機組容量變化
Fig.5 The shutdown generation capacity in Texas from 2/14 to 2/20
圖6 2月14日—16日得州與周邊電網電力交互情況
Fig.6 Electricity interchange of Texas with neighboring regions from 2/14 to 2/16
2月16日上午，得州氣溫降至近30年最低，屬于極度寒冷天氣，比如達拉斯為–19 ℃。停電人口最高達到450萬人，電力市場實時系統(tǒng)電價長時間保持在9000美元/（MW·h）的限價。
2月17日上午，得州氣溫逐漸回升，電力緩慢恢復，停電人口降至330萬人，限電負荷下降至1400萬kW。電力系統(tǒng)中被迫停運的機組仍有約5000萬kW，其中燃氣機組約2600萬kW，風電機組約1700萬kW[8]，如圖7所示。
圖7 2月14日—20日得州各類型機組被迫停運容量變化
Fig.7 The shutdown generation capacity of each type of unit in Texas from 2/14 to 2/20
2月17日晚間，ERCOT單日已恢復了約800萬kW負荷，相當于160萬戶家庭恢復供電，系統(tǒng)中被迫停運機組容量降至4300萬kW。
2月18日上午，停電人口降至48.6萬人，發(fā)電能力逐漸恢復[10]。圖8所示的得州電力需求變化，15日用電負荷達到高峰后采取輪流停電措施，17日開始負荷緩慢恢復。
圖8 2月12日—18日得州用電負荷變化
Fig.8 Change of electricity load in Texas from 2/12 to 2/18
2月19日上午，得州三級緊急狀態(tài)取消，停電人口降至19萬人，被迫停運機組降至3400萬kW。電力市場實時電價恢復至正常水平。
2月20日—21日，得州停電人口降至3.3萬人，電力供應進一步恢復。
3 停電原因分析
3.1 停電原因分析體系
經典安全管理理論和模型包括“人機環(huán)管”理論、事故致因“2-4”模型等，核心思想是將事故致因歸結為人、機、環(huán)境和管理的不安全因素，或不安全動作和不安全物態(tài)兩方面?；谝陨侠碚摚治?000年以來全球發(fā)生的100余起主要大停電事故[11-18]，歸納其直接誘因和深層原因，提出停電原因分析體系如圖9所示。
圖9 停電原因分析體系
Fig.9 Structure for power outage analysis
3.2 得州停電原因分析
自然災害為本次停電的直接誘因。2月12日—17日，暴風雪Uri和Viola接連席卷美國南部、中西部和東北部地區(qū)，得克薩斯州為重災區(qū)，不僅導致了大面積停電限電，也造成原油、天然氣等能源供應受阻?；谔岢龅耐ｋ娫蚍治鲶w系，以及美國能源部、ERCOT等機構公布的官方數據和報告，從物理基礎和機制模式兩方面剖析該大停電事故的深層次原因。
3.2.1 物理基礎方面
從物理基礎看，涉及電源、電網、負荷等多方面因素，用電負荷增長超預期，作為主力電源的天然氣發(fā)電、煤電和風力發(fā)電出力銳減，跨區(qū)電力緊急支援能力不足。
電源側，極端天氣導致大量機組停運。天然氣減產（得州在14日天然氣日均產量下降近半）、輸氣管道受凍冰堵，風電機組葉片覆冰，導致大量燃氣機組（約2600萬kW）、風電機組（約1700萬kW）、煤電機組（400萬~600萬kW）等停運。得州電力系統(tǒng)總裝機容量1.08億kW，被迫停運機組容量最高達到5227萬kW，占比48.6%。02-15T01:25，系統(tǒng)備用容量低于100萬kW，觸發(fā)了ERCOT三級緊急狀態(tài)，針對居民用戶和小型工商業(yè)用戶采取輪流停電措施。
電網側，跨區(qū)電力支援能力不足。得州電網相對孤立，僅通過5回直流與美國東部電網和墨西哥電網相聯，區(qū)外電力支援能力125萬kW，不足最大負荷的2%，緊急情況下無法提供有效支援。
負荷側，用電負荷增長超預期。極寒天氣導致電采暖負荷增長超出預期，2月14日最大負荷達到6922萬kW，比前幾日增長10%左右。停電限電期間，ERCOT預測負荷峰值（不切負荷）7682萬kW，最大切負荷達到2 000萬kW，停電持續(xù)時間70.5 h。
3.2.2 機制模式方面
從機制模式看，涉及應急機制、管理體制、市場機制等多方面因素，應急預案考慮不周，稀缺電價機制導致電力供需緊張時電價飛漲，電力行業(yè)主體分散難以有效協(xié)調。
應急機制方面，應急預案考慮不充分。ERCOT僅設計了電力缺口1300萬kW的應急預案，而實際缺口遠超應急預案考慮范圍，短時間內難以提出和實施科學有效的解決方案。
市場機制方面，稀缺定價機制導致電力供需失衡時電價飛漲。與加州、PJM等采用容量市場不同，得州采用單純電能量市場稀缺電價機制，通過供需緊張時的高電價來引導容量投資。2月14日—19日，ERCOT平均實時電價達到6579.59美元/（MW·h），最高超過9000美元/（MW·h），平均日前電價達到6612.23美元/（MW·h）。對比2020年2月，平均實時電價和日前電價分別僅為18.27美元/（MW·h）和17.74美元/（MW·h）。
管理體制方面，電力行業(yè)主體分散，難以高效協(xié)調。ERCOT僅負責系統(tǒng)調度和市場運行，發(fā)輸配售功能則分屬不同發(fā)電企業(yè)、輸配電企業(yè)、售電企業(yè)，數量超過1400個，ERCOT不具有發(fā)電設備、輸配電設備等的產權、運營權，緊急情況下難以高效統(tǒng)籌協(xié)調。
4 對中國電力發(fā)展的啟示
4.1 重視極端場景電力應急保障問題
極端天氣為本次得州大停電的外部直接誘因。近年來，由于全球氣候變化，厄爾尼諾、拉尼娜等現象發(fā)生間隔變短，極端天氣發(fā)生頻次越來越高，2000年以來全球發(fā)生的大停電事故，由極端天氣等自然災害引起的占比超過30%，極端場景電力應急保障問題不容忽視。
一是極端場景電力供應保障要涉及全產業(yè)鏈條。形成全鏈條全行業(yè)應急協(xié)調機制，不僅包括源-網-荷-儲各環(huán)節(jié)，而且延伸到電廠上游的燃料供應，確保應對科學有力、恢復快捷高效；二是應急預案要充分考慮多重偶發(fā)因素疊加下的極端場景，完善覆蓋范疇，確保有備無患。
4.2 構建適應“雙高”電力系統(tǒng)的多元供給體系
美國部分共和黨人士將本次大停電歸因于新能源供電不可靠，但實際上并非如此。聯合國秘書長古特雷斯認為，以得州遭遇寒流為代表的極端天氣頻現，恰恰說明了應對氣候變化的緊迫性。中國提出“碳達峰”“碳中和”目標，積極應對氣候變化，新能源快速發(fā)展是大勢所趨。新能源發(fā)電運行更易受極端天氣影響，為保障高比例新能源電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，需要構建多元供給體系，特別是需要對煤電機組妥善安排，中長期應考慮作為應急電源儲備隨時調用。
一是在大力促進新能源發(fā)展的同時，合理兼顧常規(guī)電源、靈活調節(jié)電源、應急電源的發(fā)展和柔性負荷的挖潛，確保高峰時段電力平衡；二是積極開展多場景下電網安全防控體系的理論研究和實踐探索，從規(guī)劃、設計、建設、運維、調控等重點環(huán)節(jié)增強電網在不同氣候條件下的適應能力。
4.3 筑牢能源電力安全物理基礎
物理基礎薄弱是本次得州停電的重要原因。得州電網相對獨立，區(qū)域互濟能力嚴重不足，州內電力供應困難時，無法獲得外部有效支援。得州電力基礎設施長期投入不足，設備對極端環(huán)境耐受性不強，加之服役年限較長，導致本次寒潮中大量機組故障，無法并網發(fā)電。因此，保障電力供應，提升電網安全水平，需要堅實的物理基礎。
一是電網具有重資產屬性，電力設備是電網本質安全的重要基礎，需要穩(wěn)定充足的建設改造投資，保障電力安全供應；二是建設跨區(qū)跨省交換能力強的全國大電網，是符合中國國情和電網客觀規(guī)律的戰(zhàn)略選擇，更是現實需要。
4.4 探索具有中國特色的電力市場模式
本次大停電期間得州電價飛漲是其市場模式的必然結果。得州采用單純電能量市場稀缺電價機制，而未建設容量市場，主要通過供需緊張時的高電價來補償發(fā)電商的容量成本[19-21]。該市場模式符合得州高度市場化的理念，但不適用于對高電價承受能力較弱的地區(qū)和用戶。實踐表明，單純的電能量市場價格難以有效引導長期投資，也缺乏對系統(tǒng)整體供應安全的統(tǒng)籌考慮，反而會明顯增加居民用電負擔。中國電力行業(yè)正處于由計劃向市場轉型的重要階段，需要結合國情和發(fā)展階段特點，充分考慮電力的基礎保障和普惠屬性，在保證供應安全和價格穩(wěn)定的基礎上，探索具有中國特色的電力市場模式。
一是在電力市場建設中及早實現容量支持機制，探索建立事前招標購買容量的制度，激勵電源科學投資，保障發(fā)電容量的充裕性；二是在市場化發(fā)展中明確緊急熔斷機制，即在應急情況下，退出市場機制，實施緊急調度和價格限定。
4.5 堅持“三統(tǒng)一”發(fā)揮體制優(yōu)勢
本次寒潮導致得州發(fā)生大面積停電，且持續(xù)時間較長，與其電力行業(yè)主體分散有關。電網管理體制分散、調度運行機制不暢，都會加大電力安全風險。利益和責任主體過于分散，難以實現電網統(tǒng)一規(guī)劃和資源統(tǒng)一調用，不利于統(tǒng)一管理和指揮，在事故應急中不能有效組織資源、恢復故障。
統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一調度、統(tǒng)一管理（簡稱“三統(tǒng)一”）是中國電網發(fā)展的重要特點和制度優(yōu)勢?！叭y(tǒng)一”的體制運作高效、反應快速、發(fā)展能力強，能夠實現各電壓等級電網的統(tǒng)籌規(guī)劃和全網協(xié)調運行，有力促進大范圍資源優(yōu)化配置，能夠實現各類事故的有效防范、快速處理、嚴防擴大，保障電網安全穩(wěn)定運行。
5 結語
本文分析本次得州大停電原因，主要是在極端天氣的直接外部誘因下，用電負荷超預期，作為主力電源的天然氣發(fā)電、煤電和風力發(fā)電出力銳減，跨區(qū)電力緊急支援不足，應急預案考慮不周，導致供需嚴重失衡，同時稀缺電價機制引發(fā)電力價格飛漲，行業(yè)主體分散難以有效協(xié)調。
中國電力發(fā)展應堅持發(fā)揮“三統(tǒng)一”體制優(yōu)勢，須重視極端場景電力應急保障問題，構建適應“雙高”電力系統(tǒng)的多元供給體系，筑牢能源電力安全物理基礎，探索具有中國特色的電力市場模式，保障“碳達峰”“碳中和”目標下電力穩(wěn)定可靠供應。
