得州大停电启示录:怎样的电网才真正坚强可靠?

被称为“孤星之州”的美国得克萨斯州在风雪中成了一颗真正的“孤星”。

  当地时间2月15日起,极寒天气横扫美国南部,导致覆盖14州的西南部地区电网出现故障,其中受影响最严重的是几乎从不下雪的得州——限电1650万千瓦,450多万用户被迫停水停电,17人因极寒天气罹难。目前得州电力供应正在逐步恢复。

  一周时间过去了,停电的“来龙去脉”逐渐清晰,各方观点集中在风机叶片结冰导致出力骤降、天然气管道冰堵致使供应短缺、电网“孤立”无法统一调剂余缺、设施老旧供电可靠性不高、电力产业结构复杂缺乏整体性考虑等方面。

  事故终将过去,但在追踪分析之后,还可以进一步思考,我们还能从中获得什么启发。

“孤网”扛不住重大风险

  得州电网是名副其实的“孤网”。它独立于美国联邦电网体系,长期以来“自给自足”,外来电占比极低。难以通过跨州输电的方式接受“外援”,曾在一定程度上让这场“停电危机”迟迟不能结束。

  但即便电网互联互通,也不意味着得州就能逃过此劫。不然,在刚刚过去的2020年,美国西部互联电网中外来电占比较高的加州电网,就不会因极端高温天气出现电力短缺,导致300多万家庭轮流停电。

  顺着这条线往上看,据不完全统计,在近30年来全世界影响范围超过10万人、停电持续1小时以上的停电事故中,除自然灾害等不可抗力因素外(约占54.5%),最主要的原因是电网管理体制松散(占比约33%)。

  电网管理体制松散是病因,“症状”则体现在电网缺乏统一规划、电网调度体系分散、私有化带来产权主体众多等诸多方面。更严重的是,它具有全局性、系统性影响,不仅埋下了大停电事故的“祸根”,而且一旦发生事故,往往波及范围广、影响层次深,很难及时止损,甚至威胁到整个国家和地区的能源安全和社会稳定。

  “如果联网,并实现统一调度,得州停电的严重程度能得到较大缓解。这是一种重要的托底作用。”厦门大学中国能源政策研究院院长林伯强说。

  “从本质上讲,实施集中管理才能解决问题。”直流输电领域专家陶瑜认为,“尤其是在应对重大风险、重大危机时,电网集中管理体制优势明显。坚持统一规划、统一调度、统一管理,是确保电网安全和供电可靠的根本,是应对能源安全风险的制胜法宝。”

  之所以是“法宝”,原因有三。其一,统一规划从源头上规避了网架薄弱、电网弹性和安全裕度差等问题,引领推动源网荷储协调发展。其二,统一调度是带有“救急”性质的科学手段,能最大限度发挥错峰、调峰、事故备用、事故支援等作用,将事故影响降至最低。其三,统一管理能构建一套完备的标准流程体系,有章可循地提升跨省跨区电网建设效率,降低建设运行成本。

  这也是为什么我国建设了“全国一张网”,并尽可能地将这张统一大电网做大做强,在更大范围内优化配置能源资源,增强抵御系统性风险的能力。在今年年初我国南方地区大范围寒潮中,国家电网跨省跨区输送电力达到8399万千瓦,充分发挥大电网优势,有力保障了电力可靠供应。国家电网也是近20多年来全球唯一未发生大面积停电的特大型电网。

  往后看,未来我国电网规模、电力系统复杂性都将与现在大不相同。往外看,国际形势错综复杂,国家能源安全愈发重要。我国电网始终坚持统一规划、统一调度、统一管理,以保障电力输送和供应安全可靠为基础前提,极端情况下,保民生更是第一要义。

  市场很有用,怎么用好是关键

  电停了,电价却一路飙升。当地时间2月15日,得州电网批发电价暴涨了100倍以上,实时批发市场价格攀升至11美元/千瓦时,而平时还不到0.1美元/千瓦时。事实上,2019年和2020年夏季,得州都曾出现过类似的“天价”电价。

  2020年8月中旬,美国西部的加州连续数日在高峰时段限电,同样导致电价大幅上涨,部分时点电力批发价格超过1.3美元/千瓦时,相当于约9元人民币一度电。

  停电事故带来了电价畸形,尽管每次的诱因不尽相同,比如需求增加叠加电力市场投机,电力供需结构性、时段性失衡等,但短时间内频频发生,足以说明其电力市场存在深层次问题。

  如何从电力市场建设的角度出发,应对电力供应短缺危机?还是以得州为例。得州电力市场是一个典型的只有买电卖电的能量市场(Energy only),没有容量市场。而作为一种经济激励机制,电力容量市场能使发电厂获得额外的稳定收入,鼓励他们多建机组多发电,从而保证足够容量。容量市场缺位,一旦发电机组容量过低而用电需求飙升,不仅稳供应难,在无调控的情况下也极易造成电价不受控制地暴涨,带来市场风险。

  从国际经验看,为保障长期电力供给安全,目前英国、美国PJM等成熟市场都建立了配套的容量市场机制。“整体上看,引入容量市场有利于保障发电容量长期充裕度。”国网能源研究院企业战略研究所改革与市场研究室主任张凡说。考虑到当前我国电力市场建设不断深入推进,未来一段时间用电需求还将保持增长,他进一步建议,探索建立与我国国情相适应的容量市场机制,充分发挥市场在资源配置中的决定性作用,有效引导电源投资,确保电力供应长期稳定可靠。目前,山东、广东等地已经在容量补偿机制方面开展了有益尝试。

  从电力市场建设的角度来缓解缺电局面,华南理工大学电力经济与电力市场研究所教授陈皓勇的观点是:完善市场环境下的分时电价机制,通过峰谷电价的价格信号来引导用户合理用电,达到削峰填谷、平衡负荷的目的。事实上,在我国多个省份的夏冬用电高峰,这一举措已经发挥了作用。

  我国江西省所处的纬度与得州相近,同样存在煤电建设滞后、跨省跨区通道输送能力不足的情况,未来全省电力供需形势趋紧。去年电网度夏期间,江西电网最大受、送电能力分别仅为260万千瓦和160万千瓦,高峰期存在200万千瓦的电力缺口。江西的解决办法是,探索建立分时段电力市场化交易。简单来说,就是把一份电量按照尖峰、高峰、平段、低谷等不同时段分成几份,分别组织开展交易结算,利用电价“杠杆作用”缓解供需紧张局面,有效应对电力缺口。未来,雅中—江西等在建重点输电通道的投运,将为更多外电入赣创造条件,奠定更大规模电力交易的基础。

  清洁发展和可靠供电,必须兼顾

  在得州,风电是仅次于天然气发电的第二大电源。风力强盛的夏天,得州风电甚至可供给60%左右的电量。习惯了暖冬的得州似乎并没有预料到可能出现的极寒天气。风电机组缺乏防冻处理,寒潮导致风机叶片结冰,约4000万千瓦机组“掉了链子”,风力发电占比从42%骤降至8%。这也是得州停电的重要原因之一。

  看看近年来国外发生的多起大范围停电事故,很多都与新能源接入直接相关。比如2016年和2017年的南澳大停电,2019年的英国大停电以及去年的美国加州大停电,都是由于高比例新能源短时出力下降,系统备用容量不足,从而导致电力供应短缺的。

  从世界范围看,在能源清洁低碳转型的大舞台上,新能源已经唱起了主角。而大规模、高比例新能源接入与电网安全稳定运行之间的“矛盾”,已成为共性问题。

  不同的是,西方发达国家已经走过了高速发展阶段,在电力需求饱和后再开启清洁低碳转型,重点是调整能源电力供应结构,通过提升可再生能源占比来实现清洁发展。而我国则要在满足未来能源消费需求增长的同时,一体推动能源电力转型升级。这意味着必须统筹兼顾“保增长”和“调结构”的双重要求,清洁发展与安全保供,两手都要抓、两手都要硬。

  眼下,不只是新能源发电,新能源汽车、分布式能源、储能等越来越多的“新伙伴”接入了电力系统。而且,用电需求出现了冬、夏两个高峰,且峰谷差不断拉大,北方冬季高峰负荷接近或赶超夏季。当“伙伴”更多样化,社会需求更大,安全保供难度也随之加大。

  我国的电网发展始终立足国情。解决思路一是增强“托底能力”,优化电源结构,统筹推进各类电源有序发展,在大力发展新能源的同时合理发展常规电源,充分发挥常规电源保安全、稳供应的“压舱石”作用;二是增强“救援能力”,加强大电网电力互济互供,建设畅通的电力外送“高速公路”,完善多种能源的联合调度;三是增强“防御能力”,提高运行控制技术以及并网运行安全防控水平,优化大电网安全防御体系。

  安全保供,也给电网智慧化提出了更高要求。正如中国工程院院士、全球能源互联网研究院院长汤广福所说,随着能源转型的发展,电网的智能化控制水平需要大幅度提升,必须开展基础性支撑技术的研发,开发更多的新器件、新装备。打造“更聪明”的电网,不仅是清洁发展与安全保供的现实需要,也是在复杂形势中抢占先机、赢得未来的必然要求。国家电网已将更多目光投向了“智慧赋能”,新技术、新产业、新业态、新模式正在衍生、延展,也将为电网安全可持续发展注入新的能量。(国家电网报)

2021年2月23日 09:41
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