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美国德州2020年寒潮轮流停电事件及ERCOT CEO采访介绍

北极星售电网  来源:走进电力市场  作者:刘泽扬,陈柏柯等  2021/2/22 8:40:03  我要投稿  
所属频道: 国外经验   关键词: 电力市场 电价 电力供应

北极星售电网讯:摘要:美国德克萨斯州(简称“德州”)2021年2月中旬经历了一次大的寒潮,全州254个县同时受到暴风雪的警告。暴风雪导致了大量发电设置无法正常工作。为了保证德州大电网的安全,避免不可控的大面积的停电事故,德州电力可靠性委员会(ERCOT,负责电网运行和管理电力批发市场调度)建议公共事业公司对用户实施轮流停电方案。德州约有400万家庭在严寒中失去了电力供应,许多家庭连续停电50小时以上。德州停电事件引起了很多关注,尤其是在我国电力领域。虽然到周五(2月19日)晚,德州已经取消了轮流停电,供电逐步恢复了正常,但正确看待本次事件、吸取相关经验教训,对我国电力系统建设、电力市场发展都有重要意义。首先简要介绍本次停电事件的主要情况、相关背景及各方的主要观点,然后重点对ERCOT CEO接受记者采访的情况进行稍微详细的介绍。

(来源:微信公众号“走进电力市场”ID:PowerMarket翻译/编辑:刘泽扬:华南理工大学电力学院研究生陈柏柯:华南理工大学电力学院研究生容语霞:华南理工大学电力学院研究生季天瑶:华南理工大学电力学院副教授荆朝霞:华南理工大学电力学院教授)

第一部分 事件概况

【停电基本情况】

近日,美国德克萨斯州受极端严寒天气影响,负责电网运行的独立系统运营商ERCOT(Electric Reliability Council of Texas)在当地时间2月15日宣布进入紧急状态,并在所辖范围内开始轮流停电。ERCOT在历史上只有3次启动过全州范围内的轮流停电,分别是1989年的12月22日,2006年4月17日以及2011年2月2日。

根据PowerOutage.US数据,2月16日~18日该州停电状况如下图所示:

图1(a)2月16日停电图

图1(b)2月17日停电图

图1(c)2月18日停电图

美东时间2月16日10:45AM,德克萨斯州超过450万用户停电,因停电造成的伤亡事故频发;此外,交通瘫痪致使疫苗运输及存储受阻,加重了灾情。在2月14日收到ERCOT的请愿书后,美国能源部根据《联邦电力法》发出紧急命令,授权允许ERCOT调度二氧化硫、氮氧化物、汞、一氧化碳、废水排放超过限值的发电机组,以满足2月14日至2月19日的电力需求。随着各种措施的实施及气温的回暖,截至2月19日,德州恢复了峰值停电规模中96%的供电。

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图2 德州停电用户数量趋势图

【德州电力系统概况】

德州为全美最大能源生产、消费州。根据美国能源信息署(Energy Information Administration, EIA)的统计,德州的发电量在全美排行第一,约为排行第二的佛罗里达州发电量的2倍。可再生能源方面,德州引领了全美的风力发电发展,2019年,全美28%的风力发电量来自德州。如图3所示,风电的发电市场份额逐年递增,2019年度占比接近20%;煤电市场份额持续下降,其减少的出力被天然气发电取代,2019年天然气占比47%。

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图3德州发电结构

美国能源部的报告指出,ERCOT2021年1月份实际发电量中,火电(气电、煤电、核电)约占比72%,可再生能源发电(风电、太阳能发电)约占比27%。

【德州电力市场概况】

德州电力市场是典型的“Energy-Only”市场,2010年以后,由于可再生能源并网增加,导致批发市场价格走低,资源充足性面临挑战。德州曾考虑引入容量市场,但最终被推翻,决定以稀缺定价的方式吸引新容量投资。本次停电事件中,在大量机组停运的情况下,系统备用稀缺,稀缺定价机制也发挥作用:本周早些时候,德州批发电价一度突破了1万美元/兆瓦时,相当于每千瓦时超过10美元,65元人民币一度电,与平日电价相比增长近200倍。关于稀缺定价的评判分为明显的两派:一部分人认为高电价表明德州电力市场的失败或不合理,推高了用电成本;另一部分人则认为缺电情况下的高电价起到激励需求响应的作用,降低负荷,而由于没有容量市场,长期看电力用户的用电成本比其他采用容量市场的州更低。

【各方对停电原因的分析】

德州停电事件不仅引起德州、美国相关方的关注,也引起了我国相关专家的热烈讨论。关于停电的原因和责任有一些不同的看法,总结起来主要有以下方面:

(1)极寒天气使冬季电力负荷激增。这个是引起停电事件的客观原因,各方面都没有什么异议。如图5所示,通常,德州的电力负荷高峰出现在夏季,ERCOT历史最高负荷大约在74-75GW,而在2月14日,德州历史上第一次254个县同时启动暴风雪预警,德州大约60%的家庭使用电制热设备,使冬季电力负荷高达69GW。

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图5德州电力需求曲线图

(2)大量发电机组停运,电力供应短缺。2月18日,美国德州农工大学的Thomas Overbye院士接受采访时指出,德州大部分发电设施有良好的设计以应对夏季酷暑高温,但却没有很好的设计以应对极端严寒天气。是否为发电机组加装防冰冻设施取决于发电机组所有者,德州没有任何法律要求发电机组加装此类设施。2月14日以来,由于油井冻结,天然气供应减少;由于涡轮机结冰,风力发电减少。ERCOT报告指出,截至美国东部时间2月17日,德州43000MW发电容量被迫离线,其中26500MW火电,17000MW为风电+太阳能;截至2月19日,34000MW发电容量被迫离线,其中接近20000MW火电,其余为风电+太阳能。发电机停运的一个重要原因是德州由于处于南方,按历史经验冬季不会太冷,发电机等设备的设计未考虑类似本次事件中的极端寒冷情况。

(3)德州电网较为独立,难以从外部获得援助。ERCOT是较为独立的电网(如图6),仅通过2条容量总计820MW的直流联络线与西南电力库SPP(Southwest Power Pool)相连、3条容量总计430MW的直流联络线与和墨西哥相连。图7展示了2011-2019年ERCOT进出口电力的数据,其中进口电力主要来自SPP。在暴风雪以及严寒天气的影响下,主要负责中西部多州的SPP也在当地时间2月15日开始,对从北达科他州到俄克拉荷马州等美国的14个州进行轮流停电,在这种情况下,德州难以获取外部进口电能的援助。

图6德州-独立电网

图7 ERCOT进出口电力

参考文献:

[1]IMM forERCOT.2019 STATE OF THE MARKET REPORT FOR THE ERCOT ELECTRICITY MARKETS[R].2020-05.

[2]US Department of Energy. Extreme Cold & Winter Weather | Update #4[R].2021-02-19

[3]US Department of Energy. Extreme Cold & Winter Weather | Update #3[R].2021-02-18

[4]US Department of Energy. Extreme Cold & Winter Weather | Update #2[R].2021-02-17

[5]US Department of Energy. Extreme Cold & Winter Weather | Update #1[R].2021-02-16

[6]惠海龙,于兴斌,李永刚.美国德州电力市场综述[R].2014

[7]Climate Denial Crock of the Week. Texas’ Freeze[EB/OL].[2020-02-16]

https://climatecrocks.com/2021/02/16/texas-freeze-well-beyond-the-design-parameters/

第二部分 ERCOT CEO关于德州停电事件的采访

星期二上午,ERCOT首席执行官Bill Magness在奥斯汀东北部电网控制室(the control room in northeast Austin that oversees the Texas electric grid)接受了20分钟的采访,讨论了德克萨斯州面临的电力危机。本文对该次采访的主要内容进行介绍。为了帮助大家理解,在一些内容后面增加了一些背景、解释性的内容,用括号中的下划线斜体字表示(如德州2021年2月停电事件)。

Q1:德克萨斯州的停电何时结束?

Magness:目前委员会中每个人的头号工作是重新为人们恢复电力供应。当大家都在使用空调时,冬天最高用电需求跟夏天时几乎是相当的(正常情况下南方冬季负荷低于夏季,电力负荷高峰期在夏季。但当出现极端寒冷天气时,冬季电力需求甚至会超过夏季)。老实说,我们极少在德州经历“寒潮”。寒潮使用电需求急剧上升,同时其也让电力供应变得更加艰难。无论是风力涡轮机冻结,还是天然气供应紧张,抑或是由于云层和大雪而无法生产的太阳能发电厂,都使维持供需平衡受到了挑战。(一方面是需求增加,一方面是供给减少。本次事件中减少发电的不仅仅是风电及太阳能发电,火电机组供给能力的减少也起了很大的作用。)

Whitely:目前来看,星期四气温会超过零度,至少在德克萨斯州北部的部分地区是这样。停电有没有可能在星期四或星期五结束,还是说停电会持续到周末呢?

Magness:我们正在努力恢复电力供应服务。我们昨天对电网进行了检修。现在的挑战是,在寒潮气候下,若恢复电力供应会给电网供需平衡和稳定运行带来负面影响(大电网的稳定运行是首要考虑的问题),那我们只能再次中断电力供应以维护电力系统安全。但我们正致力于逐步恢复全州电力供应,并在确保电网安全可靠的前提下尽可能快地恢复人们的照明,这样就不会出现更糟糕的状况。我知道停电是一个可怕的问题,但我们不希望其会持续很长时间。我们预测在本周内会逐步恢复电力供应,但具体情况还得取决于气候变化,以及我们能确保多少安全的供应量。

Q2:德克萨斯州目前有多少个发电机组无法正常运行?

Magness:我认为在全州约680座发电厂中,约有70至80座无法正常工作,装机容量大约为45000MW。正如您所说,这是一个很高的数字,几乎涵盖了从煤炭和天然气到太阳能和风能的几乎所有类型的发电资源,其中许多机组是受寒潮的影响而停运,我们正在试图对其进行抢修。(本次事件与新能源发电没有太多直接的关系,各种类型的机组都出现了问题。根据ERCOT的报道,周三时,损失发电能力的60%由火电造成,40%由风电和太阳能发电造成。)

Whitely:我们周一从ERCOT获悉,停运机组装机容量为34000MW。现在(周二)是45000MW。从数字来看,情况似乎正在恶化。

Magness:好吧,这是我们今天更新的数据。在我看来,情况其实并没有持续恶化。部分机组受寒潮影响不得不停运,而部分机组经过抢修后已恢复正常运行。但是如您所见,我们关闭了一些发电机组,其中部分机组将很快恢复运行,部分可能是因被冻结而无法工作的风力发电机组。我认为这种情况不会持续恶化,但我们目前确实还有许多需要处理的问题。

Q3:德克萨斯州的停电情况稳定了吗?

Whitely:您能描述一下我们目前的状况吗?您说您认为情况不会继续恶化。那我们目前是否处于稳定点?

Magness:好的,有两个关键点。其一是气候转暖,尽管本周晚些时候天气依然较为寒冷,但相较前些日子有所缓和,气候转暖将降低用电需求,有助于恢复电力供应;其二是使发电机组恢复正常运行,目前委员会实际上24小时都与发电厂一起奋战一线,随着发电机组逐步恢复工作,电力供应将逐渐稳定。昨天,我们恢复了数十万用户的电力供应,但是,当傍晚情况恶化时,我们又不得不重新停止部分发电机组的运行。我们的目标始终是维护电网的安全运行,为用户提供稳定电力供应,所以我们时时刻刻都希望能恢复更多用户的电力服务。

Q4:为什么德克萨斯州的一些人没有电,而他们的邻居却有电?

Whitely:您能为人们提供一些更为详细的信息吗,为什么有些人家里没电时,他们的邻居却有电?

Magness:是的,我的家人就面临这种状况。我们家从星期天晚上开始停电,因此在一年中最冷的时候,我们不得不在没有电的情况下生活,我们完全理解这其中的困难。至于停电的分布,为了保持系统平衡,避免灾难性的停电,ERCOT要求像Oncor这样的电网运营商适当裁减负荷,所有输电供应商根据他们的停电规模对停电范围进行了分配。电网运营商首先将其管理范围进行了划分,然后再制定计划决定如何合理裁减负荷,以保障某些关键用户的长期电力供应。电网运营商的停电计划以及他们对本地区的了解决定了停电范围,ERCOT没有任何权威说明这些计划具体的工作原理。(实施分层管理:ERCOT根据系统安全和可靠性要求确定各电网运营商管辖范围内应该裁减的总负荷的量,每个电网运营商根据自己的原则确定具体裁减的方法。不同的电网运营商的停电方案不一样。由于硬件、软件条件的限制,实际可能很难实现真正的轮流停电,结果是有些地方连续停电,有些地方一直没有停。警察、消防、医院等负荷是必须保证的,与这些负荷在一起供电的用户更大可能不会遭受停电,其他负荷可能会遭受长时间的停电。如果电网结构、供电方式、负荷分布进行优化的设计,也许可以通过更广泛的停电、真正的轮流停电来减少具体每个用户连续停电的时间,进而避免水管破裂等现象的发生。但这些需要优化需要增加投入。)

Q5:德州会经历不受控制的停电吗?

Whitely:我们会经历不受控制的停电吗?

Magness:我们目前正在逐步对停电事故进行控制,因此电力供应仍然能够保持在一个安全的裕度。在星期天晚上,天气出现严峻状况时,部分发电机组运行艰难,此时我们已初步进入停电状态。除非我们担心电力系统进入高风险状态,否则我们不要求用户断开与电网的连接,电力系统进入高风险状态是我们要求人们做出牺牲的唯一情况。

Q6:为何德州电力系统没有经过防寒并为这次寒潮做好预防的准备?将来如何预防这种情况再次发生?

Whitely:能源专家和政府官员承认没有做好发电机组越冬的准备。即使发电厂认为自己已经做好应对严寒的准备,但实际并非如此。到底该怎么做才能防止这种情况再次发生?立法机关是否需要介入?

Magness:过去几年中,我们见证了德克萨斯州电厂应对严寒的改进,上次德州轮流停电事件是已是2011年,期间我们看见了很多进步。2018年的冬季也十分寒冷,通过那次的情况,我们看到了发电机组抵御严寒天气的出色表现。我认为我们确实在机组抗寒准备方面取得了一些进展。但这场风暴的严重程度超出了人们的想象。我们看到大量机组因天气的原因而无法供电。毫无疑问,机组的冬季抗寒是需要不断研究的问题。我们每年都会就此问题与发电厂以及其他市场成员进行交流,以确保电力系统在此方面不断发展。经历这次寒潮以后,人们希望就此展开讨论,以确保如果遭遇另一个像这样的历史性寒潮,我们不会再看见这类问题(电荒)的发生。(认为电厂已经做了应该做的工作,机组御寒的能力已经通过2011年、2018年的冬季事件有了提高,但本次的天气的严重程度超出了预期。主要原因是出现了超出预期的天气情况,设备的设计未考虑这种情况。)

Whitely:我们报道了2011年的情况。美国联邦能源管理委员会的报告说,防寒确实是关键,这与1989年的停电情况相同。但看起来,导致2021年事故的是另外的因素。无论是从立法机关还是发电商的角度,都缺少激励措施促进其提高相关设备的抗寒能力,但目前来看,这种行为是很有必要的。

Magness:我们鼓励任何提供正确激励的措施和提高系统抗寒能力的做法,以确保电力系统的安全稳定运行。我们会一直与市场团队合作,研究电力系统是否在为夏季做好准备,为冬季做好准备,为极端天气情况做好准备。这就是我们需要做的事情。当在类似这样的情况下我们无法为人们供电时,我们努力寻找为德州人民恢复充足供电的方法。

Q7:谁应该为德克萨斯州的停电事故负责?

Whitely:谁应该为德克萨斯州此次的停电事故负责?

Magness:您希望人们为突发事件做好充分的准备,但是这种暴风、暴雪、冻雨、低温天气的恶劣程度在历史上也是罕见的。它对电力系统的损害程度远远超过了我们过去对任何极端天气的预测。我们需要根据对本次寒潮系统的观察来重新校准我们的预测系统。(主要原因是出现了没有预料到的天气情况,进而导致未预料的高负荷需求,以及未预料的高比例的电厂停运。)

Whitely:在我看来,出现这样的情况应是发电机、发电厂的责任。尽管他们已经做了很多准备工作,但他们所做的努力似乎还不够。

Magness:所有市场中的发电厂都有充足的激励做好抵御极端情况的准备。我们也看到他们采取了一些手段。例如,在2019年夏天,我们天气非常炎热,电力系统供应紧张。我们也挺了过来。我认为我们已经十分努力并试图解决我们遇到的问题。但是在这段时间里,他们和德州的许多其他人一样面临着灾难性的状况。(主要由于德州处于南方,一般气温不会太低,电厂主要考虑的是防御高温情况,对低温情况考虑的不足。)

Q8:德克萨斯州可以从其他电网获得电力吗?

Whitely:我们从墨西哥获得了多少电力?我们能够从美国的东西方电网获得电力吗?

Magness:在天气好的情况下,墨西哥能够提供约450MW的电力。在这个恶劣天气期间,我们从墨西哥进口了许多电量,但后来由于天气的恶化导致输电中断。目前,我们也无法从美国东部电网得到电力支援,因为今天早晨他们也处于停电状态,东部电网同样受到恶劣天气的影响。(德州并不是完全孤立的电网,与墨西哥和美国东部电网有连接,只不过这种情况下外部电网、传输通道也会发生问题,无法给与太大帮助。)

Q9:德州是否应该加入区域电网组织?

Whitely:经过这两三天的电荒,德州因为其孤立电网受到了重大打击。在2011年以及今年事故后,德州现在是否考虑加入一个区域性输电组织,与美国两岸的东部或西部电网相接?

Magness:我认为德州具有鲜明的优势。其中一个原因就是我们从未有过(不受控制的)停电事故。2003年美国东北地区突发的大停电事故,使人们处于电荒状态,影响了从加拿大到俄亥俄州再到纽约的无数人。美国一些大城市也经历了比我们更严重的停电事故。因此,与区域电网相连也可能会带来不利影响,一方面它们可以互相帮助,另一方面也可能导致更严重的问题。我认为德州拥有独立的电网,并能够自主管理我们的能源系统,给德州人带来了很多好处,例如日常用电成本(较低)等方面。(认为德州电网保持相对独立的好处大于坏处。好处包括:电网独立,减少大电网连锁故障造成不可控的大停电的可能,用电成本低等。)

(IdeaSmiths LLC能源咨询公司的创始合伙人、德克萨斯大学奥斯汀分校的研究助理Rhodes在接受另外一个采访时提到:可以通过加强电网基础设置的投入增强其抵抗极端天气的能力,但其需要花费更多的钱。我们需要考虑的是,我们愿意承担多大的风险,愿意为降低风险付出什么样的代价,需要进行成本效益分析。对从来没有遇到过的极端天气,没有能够支持其的基础设施不足为奇。)

原标题:美国德州2020年寒潮轮流停电事件及ERCOT CEO采访介绍

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