您当前的位置:北极星售电网 > 国外经验 > 正文

美国得州电力危机原因剖析及启示

北极星售电网  来源:能源研究俱乐部  作者:苗中泉 菅泳仿  2021/3/16 8:36:46  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:美国得州电力危机原因剖析及启示

(来源:微信公众号“能源研究俱乐部” ID:nyqbyj 作者:国网能源研究院能源互联网所 苗中泉 菅泳仿)

2月10日和13日,北美大陆先后出现两股强冷气流,造成美国四分之三的国土出现长时间低温、冰冻、降雪天气,其中得克萨斯州北部在2月16日达到了-19℃。受此影响,自2月15日至20日,美国和墨西哥接近1000万人用电中断(其中大约500万集中在美国得克萨斯州及其近邻地带),交通失序,事故核心地区得克萨斯州(以下简称“得州”)政府及能源机构应对乏力,长时间断电加剧了极寒天气下市政供水、供暖、医疗、生活物资供应等一系列困难,级联后果不断放大,经济社会陷入紊乱,国内外称之为“2021年得克萨斯电力危机(2021 Texas Power Crisis)”。本文结合事态发展过程和得州能源电力发展历史,对引发电力危机的直接原因和深层因素进行系统分析,并就深化体制改革、完善市场建设、强化研究工作等提出了启示建议。

一、得州电力危机基本情况

事件回顾。2月14日,面对持续极寒天气,得州州长Greg Abbott向公众和能源机构发出警告,要做好极度持续低温下电力短暂中断的心理准备;当天,得州电网负荷达到69150MW,较近年来冬季峰值高出3200MW1;当晚,美国能源部授权得州电力可靠性委员会2(Energy Reliability Council of Texas,ERCOT)在14~19日期间调动一切备用电厂增加电力供应。2月15日凌晨2:25,ERCOT宣布进入三级紧急状态3,采取有序限电方式削减用电负荷。从17日开始,得州电力系统缓慢恢复,供需矛盾开始缓解。19日上午11:00,ERCOT宣布紧急状态降至一级,当晚未出现新的断电情况。20日上午9:30,供电恢复并保持正常。

表1 得州电力危机期间断电与恢复进度

31.png

注:该表依据美国能源部应急管理局公开信息绘制;*表示该数据暂缺。

危机产生了殊为严重的级联后果。除了引人注目的电价飞涨4外,电力中断还引发了严重的级联后果:一是人员伤亡。截至2月19日,至少有32人在此次电力危机中死亡5。二是市政供水系统中断。供水管道冻裂,供应严重不足,断电致使清洁水设备无法运转,反过来加剧市政供水短缺。2月19日,得州官方称至少有160个县的1180个公共供水点陷入瘫痪,波及约1460万人(占得州总人口的一半)。三是市政交通紊乱。路面积雪及冻冰直接影响行车,大停电造成各处交通信号系统中断,交通事故率激增。四是市政供暖系统停摆。天然气生产、压缩设备因极寒和停电大量停摆,供应严重不足;地面配气管道被冻裂,应急修复力量捉襟见肘。五是食品短缺。大多数商场、超市最迟从2月17日开始出现普遍物资短缺,食物类商品价格飞涨,供给极度缺乏。此外,医院、学校等公共服务机构也受到严重影响,尤其是新冠疫情防控医院,供电同样出现危机,自备电源已无法应对如此长时间、大范围的停电。

危机期间美国联邦及能源部门的作用有限。在本次电力危机期间,美国联邦政府及能源部门总体出力有限。能源部的主要作用是事中授权与协调。为应对危机,能源部主要采取了5个方面的措施:一是授权ERCOT得以最大限度增加电力供应;二是与南方电力公司、陆军工程局协调,向得州调配尽可能多的水电;三是暂停能源部在得州的工厂以减少用电负荷;四是与电力、油气行业伙伴加强沟通,以尽快恢复能源供应;五是与能源信息署(EIA)强化合作以监测短期能源断供的市场影响。联邦能源监管委员会(FERC)的主要作用是事故调查。2月16日,FERC宣布将与美国电力安全委员会NERC联合对包括得州电力系统在内的大电网应对极端天气情况的可靠性和恢复能力进行深入调查。2月22日,FERC宣布正在对得州电力危机期间天然气和电力公司可能存在的操纵市场、涉嫌垄断等不当行为进行详细调查。美国总统的主要作用是授权与灾后协助恢复。2月20日,美国总统拜登同意得州州长关于进入“重大灾难状态”的请求,并命令联邦政府提供援助,实际上此时得州电力供应已经基本恢复正常,联邦政府介入的主要是灾后秩序恢复工作。

二、得州电力危机的直接原因分析

分析事件发展全过程,可以认为,引发本次电力危机的直接原因主要是极端天气、应对不力和外援缺失。

一是得州遭遇持续极端低温天气,该地能源电力系统缺乏抗低温能力,直接诱发了本次电力危机。得州大部分为温带,南部为亚热带,纬度范围大致与我国长江中下游流域相似,冬季平均气温在零度以上。因此,得州能源电力系统在设计、施工、运行上都未专门制定针对极寒天气条件的标准。抗低温能力的缺失,造成得州能源电力系统面对2月10日以来的持续低温无法有效维持运转。生产侧,气电和风电大量停运。天然气井口与处理厂冻结、燃气电站供气管道冻结,天然气产量大幅下降,电站供气严重不足,近26000MW天然气机组停运。大量风机涡轮叶片因缺乏基本的防冻措施而被冻结,4000MW风力发电机组停运。输配侧,得州电网的系统备用率标准为13.8%,实际备用率为9%,远低于其他地区标准6,造成2月14日至 15日用电需求猛增时电网过载风险急剧攀升。关键电网设备老化严重,70%的输电线路和变压器运行年限超过25年,60%的断路器运行年限超过30年,在极端气候条件下维持正常运转以及短暂中断后快速恢复运转的能力严重不足,拖累供电恢复进程。消费侧,得州建筑、交通、工业、能源等部门均缺乏基本的保暖防冻设计,极端气候条件下的公众理性能源消费观念缺乏,造成全社会采暖需求短期内激增,电力供需矛盾越发尖锐。

二是得州能源电力管理机构研判失误、应对不力,造成大停电并加剧了社会失序。事态预测严重失误。寒潮来临前,ERCOT预计极端寒潮将导致8000MW火电、5000MW风电设备无法发电,预计最大电力需求67GW左右,认为拥有100GW总装机的得州电网可以应对。但事实上,得州用电高峰需求达到了近70GW,而出力损失却达到46GW,实际负荷需求和电源损失出力均远超预想。事中应对乏力。危机前期是供需矛盾最尖锐时段,但ERCOT未能及时调动供给侧潜在发电能力和需求侧响应资源,尤其是未能及时组织危机前已报批停电检修计划的电力企业在紧急状态下迅速恢复供电,而更多是依靠电力市场上的电价手段约束客户用能行为。在实施有序断电过程中,未能有限确保关键基础设施和民众基本生活供电,造成事关民生领域的长时间断水、断电,放大了社会失序。

三是得州电网相对孤立,导致其无法获得外部有效的紧急电力支援。得州电网与周边电网联系相当薄弱,与北美东部电网只有两条直流联络线,与墨西哥电网仅通过一条直流联络线和一套变频变压器互联,与州外互联总容量仅1250MW。除此之外,得州内部电力系统保持独立运行,不受联邦监管,自成独立的调度运行控制区。州内输电线路长度约8万公里,服务面积的75%、负荷的90%由ERCOT负责调度与市场交易。通观全美电网,得州电网基本处于“孤网运行”状态。在电力负荷猛增、州内电力供应困难时,无法大规模接入外部电力填平缺口。本次危机期间,尽管有联邦能源部协调南方电力公司和陆军工程局调入水电,但受限于输电能力的促狭,得州总计输入外部电力不足1000MW,与平常无异,对缓解供电紧张只能是杯水车薪。2009年,美国启动Tres Amigas超级电站项目,拟在得州电网与北美东部电网、北美西部电网之间建设三条容量均为5000MW的超导联络线,但至今未取得任何实质性进展。孤网无援,空前加剧了ERCOT应对电力供应缺口的现实困难。

三、得州电力危机的深层原因剖析

实际上,2021年得州电力危机并非简单由“上天”决定的小概率事件。深入剖析得州能源电力发展历史,可以认为,造成其电力危机的深层原因,根植于得州能源电力领导与监管体制缺陷、得州电力市场建设方向偏差、得州能源系统应对气候变化认识与准备不足等3个方面。

一是得州能源电力领导与监管体制存在缺陷,弱政府导致应对公共危机能力低下。美国联邦能源监管部门对得州能源电力系统没有强制性权威。1935年,美联邦能源法案授权联邦政府管理跨州电力业务,得州电力企业为保持高度独立,投票拒绝外部电力接入,以确保本州电力领域始终不受联邦管理。从那时候起,得州电力领域便成为联邦能源监管的“法外之地”。得州政府和立法机关对能源电力领域的领导监管较弱。ERCOT高管由得州公共事业委员会(PUC)任命,活动受得州立法机关和PUC监督。而现代电力系统的运行与管理恰恰需要高度复杂的专业知识和跨领域协调行动,这意味着得州对电力领域的有效监管较弱,并且在事实上将该职能转嫁到了ERCOT身上。然而依照相关法案,ERCOT又与电厂、电力客户基于电力交易的相关法律而处于完全平等地位,相互之间无权干涉。得州这种能源电力领域高度市场化的状态,实际上造成了能源电力行业极为突出的“强市场弱政府乃至无政府”格局,有效的必要的行业监管缺失,成为得州电力系统无法有效应对危机的根本原因。

回顾近年来的发展历程,作为美国第二大经济体和能源生产基地,得州无论是在迎峰度夏还是低温过冬时期均多次发生规模各异的电力危机,在2011年2月1日至4日更是经历了与本次电力危机近乎完全相同的断电事故。那次事故之后,美国FERC和NERC联合对得州电气系统进行了系统调查,并公布了长达357页的调查报告,分别针对得州电力和天然气系统提出了完善立法、增加监管部门权限、加大投资、优化设计、提高各细分部门应对极寒天气工作标准、确认并强化关键能源装备防寒强度、提升低温条件下能源系统韧性、加强应急恢复能力建设等32条具体建议7。然而受限于美国联邦政府与州政府之间的权责体制,FERC和NERC的建议对得州并不具备强制性,得州在此后也从未认真地执行该建议;受限于党派政治和能源企业利益团体干扰,得州立法机关和PUC也无法就强化能源领导与监管问题实现真正有效的立法完善和领导改进;得州相关能源企业则主要基于投入产出的利益考虑,极少选择增加大量投资强化系统韧性,以应对十数年才可能出现的小概率性风险;肩负着电力系统实际监管与运行管理职能的ERCOT,在没有获得立法授权条件下,依旧只是一个企业联合会性质的非营利组织,并随着近年来新能源的大发展而将工作重点转向促进风电等新能源消纳方面,严重忽略了对电力系统韧性的提升。本次危机发生后,ERCOT只能根据法律赋予的权限在极其有限的范围内尽可能消解供需矛盾。这就使得该州应对电力危机更像是ERCOT一个机构的事情,而非调动整个能源电力系统共克时艰,这也决定了得州电力危机的严重社会后果以及历史反复。

二是得州能源电力市场建设忽视了能源电力行业的公共事业属性,片面强调唯自由市场,在危机状态下只能依靠市场自救,加剧了停电的级联后果持续恶化。能源电力系统具有公共事业与商品双重属性,建设能源电力市场,不能简单依照自由市场的逻辑,实行“市场原教旨主义”。美国是全球最标榜市场自由主义的国家,得州又是全美在能源电力领域实行市场化运作程度最高的地区,恪守经济自由主义的小政府、大市场,以此为能源电力市场建设的基本方向和应对能源公共危机的指导思想。考察得州近年来频频发生的电力危机,可以发现,得州政府和立法机关高度信赖能源电力领域各类市场主体在危机状态中基于微观利益算计的主观能动性,信仰市场自发的调节可以带来整个系统的利益最大化。然而交易双方信息不对称、恐慌等非理性因素的大量存在等问题,使市场作为最佳资源调配器的作用时常失灵,整个系统反而会因为各类主体的局部理性而趋于混乱。同时,公用事业属性决定了政府调控必须在能源电力行业发展中保持必要的作用,以完善和修复市场的天然缺陷。这才是能源电力行业市场化发展的科学方向。

本次危机中,天然气生产厂商和各类发电企业在2月10日第一次寒潮来临之际,就已经开始基于低温下设备无法启停的考虑而陆续采取主动关停措施;到2月14日关停潮达到顶峰。原本在寒潮来临前就已经处于停机检修状态的机组,也缺乏主动恢复启动的主客观动力,由此形成第一重短缺。据得州公开媒体报道,市民为应对极寒天气而快速加大电能消耗,由此形成第二重短缺。随着EEA3状态的延续,局部地区和局部领域的断电造成其他领域运转的中断,关键能源电力装备无法启动,应急通讯指挥体系出现中断,使得能源电力系统雪上加霜,由此造成第三重短缺。在有序限电过程中,大商业和工业用户而非普通民众被列为重点保供对象,人为推高受灾人口数量,由此造成第四重短缺。上述一切现象,都是危机状态下各类市场主体基于狭隘理性算计而采取维护个体利益、无视社会整体利益、最终导致整个系统趋于紊乱的直接表现。此次危机再一次证明,单纯依靠市场力量不仅无法有力应对重大公共危机,而且无法建设更高水平的能源电力市场。

三是得州政府、立法、能源等系统对气候变化的理解认识不足,能源基础设施应对极端天气状况的准备工作不足。近年来各类极端天气在全球各地屡屡出现,给当地经济社会造成极大损坏。2020年8月,加州等美国西部地区因为极热天气和频繁山火导致大范围停电;2018年以来,得州电网夏季用电负荷屡屡因为高温而再创新高,不断接近载荷极限。正如联合国秘书长古特雷斯在最近新闻发布会中提到,无论是极寒、极热,还是飓风、干旱、洪涝,这些越来越频繁的极端天气都是全球气候变化的重要征兆。这些变化给经济社会造成的系统性影响亟需全面评估,而建设更具韧性的能源系统,是积极应对那些不良影响的必要举措之一。美国总统拜登在竞选承诺中提出要在美国建设更加具备极端气候条件适应性的国家基础设施系统,并已签署了相关的总统行政命令。但距离真正开工建设,仍需复杂的程序和漫长的时间。尤其是在建设韧性能源基础设施问题上,联邦法令并不能直接作用于得州内部。作为美国能源基地,得州内部传统能源与新能源规模均极为显著,在选择能源转型路径、应对气候变化问题上存在尖锐的利益与政治纷争。同时,为应对气候变化而大力发展的可再生能源,尤其是风电、太阳能等,均严重依赖天气条件,对电力系统尤其是电网的韧性、弹性、可靠性提出了更高的要求。但目前这些都尚未在得州形成基本共识。

四、对我国能源电力工作的启示

尽管我国保持着世界上大电网平稳运行的最长历史记录,大范围停电事故极少出现,但极端天气也正在变得更加频繁。从得州电力危机中汲取教训,深化对有关问题的认识与理解,对我国更好地谋划能源电力体制改革、科学设计能源电力市场体系、做好应对极端气候挑战的前瞻工作,具有重要意义。

一是要深刻反思得州能源电力体制机制问题,立足国情,加快完善能源电力管理体系。要认真汲取得州能源电力领导、监管等方面存在的教训,深化能源电力体制机制改革,以权责统一为原则,完善立法,强化能源领导和监管部门权威,理顺能源领域中央与地方、政府与各类企业之间的关系,加快建成并不断完善面向能源转型的、现代的、科学的、高效的能源电力管理体系。

二是要高度重视得州能源电力市场建设暴露出来的缺陷,坚定不移地建设适合国情的能源市场经济体系。得州电力危机的反复出现在事实上宣告了以绝对自由为原则的能源电力市场建设路径的问题,要深入总结我国发展社会主义市场经济和推进能源电力领域改革开放的基本经验,在深入建设能源电力市场过程中,既要充分发挥市场对资源的决定性配置作用,又要针对市场调节盲目性、自发性、滞后性的缺陷,加强和改进政府宏观调控,坚守以人民为中心的基本理念,做好顶层设计,坚定不移地建设市场调节与宏观调控有机结合的能源市场经济体系。

三是要严肃对待极端自然条件对能源电力系统的深远影响,通过开展一揽子工作,加快建设更加有力应对气候变化的能源基础设施系统。首先,要加强研究工作,系统研判气候变化给能源系统造成的深刻影响,研究极端条件下能源供应中断的级联后果及应急恢复能力建设问题。其次,要尽快行动,坚持能源先行的思路,以建设韧性系统、可靠应对气候变化为方向,超前谋划、科学规划、设计未来能源系统,倒推当前能源基础设施发展目标和改造任务。当务之急,是要采取切实行动,加快建设绿色、高效、智慧、灵活的综合能源系统,实现多能互济,提升能源效率,降低碳排放,助力实现温控目标。再次,要加强宣传,要把公众纳入能源系统应对气候变化的重要参与力量,开展关于能源转型、气候变化等方面的社会能源观念宣传、教育工作,引导大众理性看待极端条件下的能源系统韧性问题,树立共渡难关的能源应急理念。

(本文仅代表作者个人观点,与供职单位无关。)

1.得州近年来冬季用电负荷峰值为2018年2月的65950MW,夏季用电负荷峰值为2019年8月的74820MW。

2.得州电力领域市场主体包括发电厂、非盈利的独立系统运营商(ISO)、售电公司、客户等。由于得州没有与州外电网实现大规模互联,州内电力领域基本不涉及跨区系统运营商(TSO)。得州电力可靠性委员会(ERCOT),是美国第一家ISO组织,也是得州唯一的独立系统运营商。其由董事会管理,成员包括独立机构、消费者和得州电力细分领域的各企业代表,接受得州公共事业委员会(PUC)和立法机构的监督。根据美国相关法案,ERCOT的主要职责是运营得州电网、管理得州电力批发市场、为得州输电系统制定可靠性方案。因而在应对电力危机过程中,ERCOT承担着事实上的领导角色。

3.得州能源紧急警报(EnergyEmergency Alert)分为三个等级,其中,EEA1为必要状态(need),以橙色表示。在该状态下,ERCOT有权使用所有可用的电源,包括其他电网的电源(如果有),以维持电力供应。EEA2为临界状态(critical),以红色表示。在该状态下,电力运营商将会对那些签署了同意在紧急状态下中断供电合同条款的大型商业/工业客户暂停供电。EEA3为高危状态(high risk),以黑色表示。在该状态下,ERCOT系统面临供电中断风险,因而将采取轮流断电措施,以维护整个系统的安全。每次断电10~40分钟或者更长,各地区之间依次轮换。

4.ERCOT宣布进入EEA3状态后,得州电力市场零售价格迅速飙升至9000美元/MW,并持续至2月18日。该价格是ERCOT设定的得州电价的上限。

5.包括因缺电、缺暖气,改用煤炭取暖而导致的煤气中毒死亡、交通信号中断而导致的车祸死亡、房屋失火致死、冻死等。

6.美国各地对电力系统的备用率要求:中部电网(MISO)19.3%、纽约电网24.8%、西部电网(WECC)28.7%、宾夕法尼亚-新泽西-马里兰电网(PJM)29.0%、新英格兰州电网30.7%、东南电力池31.8%。

7.FERC, Report on Outages and Curtailments During the Southwest Cold Weather Event of February 1-5,2011, 2011.8, ›sites›default›files›08-16-11-report.2021年2月22日访问。

原文首发于《电力决策与舆情参考》2021年3月5日第9期

原标题:美国得州电力危机原因剖析及启示

北极星售电网官方微信

分享到:
投稿联系:陈小姐 13693626116  新闻投稿咨询QQ: 1831213786
邮箱:chenchen#bjxmail.com(请将#换成@)
北极星售电网声明:此资讯系转载自合作媒体或互联网其它网站,北极星售电网登载此文出于传递更多信息之目的,并不意味着赞同其观点或证实其描述。文章内容仅供参考。
热点关注
电力中长期交易的实践、总结与探索

电力中长期交易的实践、总结与探索

以中央9号文发布为标志的新一轮电力体制改革已满五周年,全国各省市电力市场建设取得了一定的成就。如何承前启后,推进统一开放、竞争有序的电力市场?

>>更多

新闻排行榜

今日

本周

本月

最新新闻
>>更多售电招聘公告

关闭

重播

关闭

重播