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从美国德州超400万人遭遇停电危机,看电力系统背后的业务逻辑

电力系统是一个复杂的系统工程,从电力需求预测、到发电、到电力定价、再到电力调度。电力市场富余装机容量(备用系统),类似运筹学供应链管理的仓储问题。提供足够的备货——未雨绸缪,但另一方面,太多的存货会增加成本开支。资本是逐利的,因此需要运筹优化统筹调度,把各方面因素都转化为数学模型和数据量化,求得最优决策。另一方面,则需要政府的相关支持,未来才有可能避免大规模停电这样的“资本优先”但百姓遭殃的“最优决策”。

——留德华叫兽

撰文 | 吴厦成(先后从事电力设计电力市场及政策研究)

责任编辑 | 留德华叫兽

摘 要

寒潮袭击下,美国得克萨斯州(以下简称德州)面临停电危机。除百年一遇的暴雪袭击是诱因和直接原因外,风电装机在极端气候条件下的不可靠和天然气供应问题导致的天然气发电能力大幅下降也是本次停电的主要原因。缺乏电容量市场则是德州富余电力装机不足的政策背景。

2019年的伦敦大停电事故诱因则是雷击事故导致的分布式发电电力损失,随后的天然气发电意外中断连锁带动海上风电出力切除,导致大停电事故的发生。

德州此次停电事故和2019年的伦敦停电事故对我国低碳能源转型提供重要的教训——能源安全因素不容忽视。

我国电力系统存在着1)高风电光伏渗透率2)特高压线路自身事故风险3)电网侧储能容量装机较低等特点,一旦遭遇极端环境,出现类似两地的大停电风险概率正在累积。高风电光伏占比的电力系统安全性低于传统以化石燃料为主的电力系统,为了提升系统安全性,需要做到1)在电力系统中维持一定容量的稳定可控电源;2)在关键节点布局电网侧大容量储能电站;3)加大区域电网互联互通能力;4)做好非正常状态下的应对准备。

同时,基于我国化石能源对外高依存度现状,外部能源供给的可靠性也非常重要。为降低化石能源对外依存度,需要做到1)提升电气化率水平;2)发展氢能作为电能的替代;3)核能、生物质能等能源的非电应用。

01德州及伦敦停电事故脉络与原因分析

(一)德州停电事故脉络与原因分析

寒潮袭击下,美国德州遭遇电力危机,电价飙升,开启轮流停电。美国德州是完全电力市场州,电价反映区域内的电力供需情况。受电力供应短缺影响,电力批发市场上电力价格一度超过了$9/kwh,触碰到市场价格上限。德州当地时间的2月15日,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的调度)宣布进入紧急状态,并于15日凌晨1:25开始轮流停电。

 图 1 寒潮袭击下德州电力市场价格飞速上涨

图2 德州停电地图(颜色越深,停电区域越大)

百年一遇的寒潮袭击是德州停电事故的诱因和直接原因。德克萨斯州大部分地区属温带气候,冬季温暖,通常零度及零度以下天气时长较短,极少下雪。但是今年2月14日前后,德州遭遇了百年一遇的暴雪袭击,气温降到-12℃以下。极端气候条件一方面造成电力需求超预期,另一方面对电力供应造成不利影响,是本次事件的诱因和直接原因。

基础设施不能适应极端环境是根本原因,电力系统的低碳化发展是原因之一。德州近年来电力系统开始向低碳能源转型,风电装机占比从2006年的2%提高到23%,相应的调节性能好的稳定电源(天然气发电+燃煤发电)占比从83%降低到64%。目前德州装机约85GW,其中风电装机约20GW,天然气发电装机约39GW,燃煤电站装机约15GW,核电装机约9.4GW。寒潮下,ERCOT预计将有5GW的风电和8GW的火电不能出力,电力供给还有72GW,同时极端用电需求提升到67GW,这种情况下,电力供需维持紧平衡状态。问题在于,极端气候条件下,除5GW的风机停止出力外,总共有26GW的火电由于天然气供应问题和设备问题停止出力,可用装机容量下降至55GW左右,不能满足电力需求。

图 3 德州电力装机构成变化趋势

德州与美国其他区域电网的互联互通较弱导致无法及时遏制本次大停电事故。德州自身就是一个独立的平衡区域,仅通过一个345kV通道与西南电力池(SPP)互联,联系非常薄弱。因此,当德州出现自身电力供给能力不足时,区域外电力支援能力不足,只能采取轮流停电措施。

图 4 美国电力平衡区域示意图

德州纯电能量交易的电力市场制度是装机富余容量不足的政策背景。与美国地区的其他电力市场不同,德州电力市场是纯电能量市场(Energy-only,电厂只能通过售电的方式盈利),没有补贴电厂的电容量市场(Capacity market,即使不发电,电厂只要承诺保持随时可以向电网输送电能的能力,也能获取收益)。存在容量市场,固然可以提高电网的安全性,代价是提高全社会用电成本。根据美国电力市场经验,容量市场带来的电力成本约为0.011~0.013$/kwh。德州只设计了纯电量交易制度,全社会可以支出较少的电力成本,但是相应的富余装机容量较少,一旦出现极端环境,往往应对能力不足。

(二)2019年伦敦大停电事故原因分析

本次德州停电事故之前,另一起引起全球关注的停电事故是发生于2019年的伦敦大停电事故。该次事故集中在英格兰与威尔士地区,约有100万人受到停电影响。停电发生后,英国包括伦敦在内的部分重要城市出现地铁与城际火车停运、道路交通信号中断等现象;市民被困在铁路或者地铁中,居民正常生活受到影响;部分医院由于备用电源不足无法进行医事服务。停电发生后约1.5小时,英国国家电网宣布电力基本得到恢复。

事故发生前,英格兰与威尔士电网的总负荷约25351MW。位于贝德福德郡的Little Barford小巴德福燃气电站出力730MW,占全网总负荷的2.88%。整个电网内的风电总出力约为8800MW,占全网总负荷的34.71%。霍恩海上风电场出力目前还不能确定,推测约为900MW,占全网负荷的3.55%。

事故的诱因是雷击事故。事故区域的输电线路遭受一次雷击导致500MW的分布式发电装机丧失出力。紧接着,小巴德福燃气电站由于意外全部停止出力。电力系统由于出力的快速下降导致频率陡降。霍恩海上风电厂由于电网频率波动和自身低电压穿越能力不足,自动保护动作启动,减少900MW电力输出。系统在两分钟之内连续损失燃气发电与风力发电总计1630MW,约占总发电的6.43%。系统频率大幅下降,最低达到48.9Hz,超过了系统允许的频率波动范围,自动切除了部分用户荷载,造成了伦敦大停电。幸运的事,区域内1000MW的抽水蓄能机组及时启动,避免了停电事故的恶化。

02低碳转型背景下能源安全因素更需重视

“碳达峰碳中和”路径指引下,我国能源系统正在快速向低碳化转型。在电力领域,燃煤装机即将大幅下降,取而代之的是风电、光伏,天然气发电作为调峰电源将提升装机容量。在工业用热和供暖领域,“电代煤”“气代煤”区域逐步扩大。

同时,由于全球变暖的不利影响,极端气候现象出现的频率加大。

考虑到逆全球化风潮下,我国能源的外部供给可能受到影响,安全将是制约我国低碳能源转型的核心因素。

(一)高风电、光伏占比下电力系统的安全性

风电、光伏等不可控电源渗透率提高带来的电力系统安全性风险。经过十余年的高速发展,我国风电光伏装机容量占比已占全国总装机24%,典型区域例如内蒙谷已占到31%、西北五省合计占35%,同时火电装机占比已下降至57%。考虑到电力低碳转型背景下,风电光伏装机占比进一步提高、火电装机占比逐步下降。风电、光伏均是“靠天吃饭”,耐极端气候条件能力较差。同时,高风电、光伏占比的电力系统中电力频率自维持能力较低(火电、核电通过汽轮发电机发电,电厂中的汽轮机及发电机转子存在巨大的转动惯量,一旦系统出现频率扰动,转动惯量的存在可以在瞬时遏制频率快速波动),一旦电网出现事故,容易加剧事故的蔓延。

得益于特高压电网的建设,我国区域电力的互联互通优于欧美国家,但是特高压电网本身也成为风险点之一。例如关键变电站的意外火灾事故、人为破坏事故、极端气候条件对线路的影响、送端及受端电源事故导致的扰动等,均有可能导致特高压线路中断工作。尤其是大量依赖区域外电源输入的华东华南地区,一旦出现极端气候条件或者特高压电网事故,停电风险不容小觑。

大容量电网侧储能电站装机容量较低影响事故发生时的即时抑制和事后恢复。我国抽水蓄能装机占全国总装机容量约1.5%,与欧美国家3%左右的装机容量占比相比,差距较大。电网侧储能电站在事故工况下是非常重要的应急电源,储能容量不足将影响事故风险的即时抑制。

基于上述分析,可以预见我国电力系统面临类似英国伦敦和美国德州停电事故的隐忧正逐步加大,未来出现类似大停电事故的风险概率正在提升。发生于2020年底的湖南限电事件,部分原因就在于风电受寒潮的影响出力不足。2008年南方暴雪导致局部地区的停电事故则反映了区域电网一旦受损对电力系统的巨大伤害。

基于前述事故的反思,我国电力系统可以通过下述措施提高安全性:

1)电力系统中需要维持一定容量的可控电源。风电光伏在条件适宜时固然可以以近乎零边际成本的代价提供电力,但是不能向系统提供转动惯量,耐极端气候条件事故的能力也差。电力系统中需要维持一定容量的可控电源,尤其是在用户负荷集中地区,需要较大容量的基础负荷提供者确保核心用户的电能供给。

2)在关键节点布局电网侧大容量储能电站。伦敦事故得到遏制的最大原因就在于抽水蓄能电站及时向电网提供电力,避免频率的进一步下降。以抽水蓄能为代表的电网侧大容量储能电站,可以遏制事故的蔓延,也可以在事故发生后提供黑启动能力(黑启动:从一个完全丧失电力的系统中恢复供电),平时又能提供削峰填谷的能量平衡功能,是未来电力系统中的重要组成部分。

3)加大区域电网互联互通能力。一个坚强可靠的大电网可以在更大范围内接受局部的电力波动,提高系统稳定性和可靠性。目前我国的特高压电力通道已经初具规模,但是未来三北和西南地区风电、光伏、水电资源的集中开发,对电力通道需求将进一步提高。

4)做好非正常状态下的应对准备。极端气候事故、电力系统的重大故障、地源政治风险(战争状态下对全国电网关键节点的攻击、外部化石能源供给中断等)等因素尽管出现概率不高,但是电力系统如何应对仍然需要纳入规划中。除了布局储能电站以外,构建具有黑启动能力的微网和加强用户侧电能管理也是重要手段。

(二)外部能源供给的可靠性

石油、天然气和煤炭是主流的化石能源,其中天然气由于具备清洁能源属性,在未来的能源版图中将占据一个较高的份额。但是我国天然气资源禀赋不佳,截止至2020年11月,对外依存度已高达43%。未来“气代煤”推广后,天然气的对外依存度将进一步提高。由于储气库建设不易,天然气供给的可靠性并不高。2017年,我国北方地区首年推动“气代煤”清洁供暖,立即造成全球天然气大幅涨价,给我国带来大额经济损失。

未来我国能源系统需要通过提高自给率来降低对外部化石能源的高度依赖。可供选择的路径主要有三条:

1)提升电气化率水平。交通、居民供暖等领域尽量通过可再生能源提供的电能驱动,降低化石能源消费占比。

2)发展氢能作为电能的替代。在较难实现电气化率改造的用能领域,氢能可以作为补充措施。

3)核能、生物质能等能源的非电应用。核能供暖、供应工业蒸汽、生物质能热利用等措施也可替代一部分天然气的使用。

确保能源安全是我国能源体系改革的核心原则,低碳转型下,能源安全因素尤为重要。

后记:专家评论

郭欣:

郭欣博士于1984年来到德国读博,毕业后在德国一直从事网络控制工作,是德国第一代综合能源网络控制系统的开拓者之一,现在是德国PSI软件公司的高级业务发展经理。

对德州大停电的原因众说纷纭,常见的有电力市场设计缺陷说、新能源不可靠说、缺少天然气储备说,电网脆弱说和体制说等等。

电力市场设计缺陷说好像是最早出现的一种看法。这种说法好像有点儿站不住脚。如果德州的风机有除冰系统,燃气管道和出口有防结冰措施,也有储气设施,就不会发生大停电。再说这么大规模的停电,系统捆绑在一起,还不知道会不会由于稳定问题引起更大范围的事故。如果系统越大越安全,那么就不会有大型化工和钢铁企业都有自备电厂的情况。另外德州这么多年都没有出事就是例证。

新能源不可靠是另外一种说法。我研究了德国的情况。在德国结冰风险较高的地区,风机一般都要安装转子叶片除冰系统,以抵消因结冰长时间停机造成的经济损失。除冰系统一般是加热式的,耗电达发电量的10%左右。如果德州的风机像德国一样安装了除冰系统,那么就不会出现风机掉线的问题。问题是德州冬季温度一般都在摄氏15-20左右,历史上没有出现过风机叶片结冰的现象,没有任何理由安装风机除冰系统,也不能说电力公司只顾赚钱没有安全意识。

对于缺少天然气储备的说法,我也和德国进行了比较。德国一共有47个燃气储气设施,分布在33个地方,可供德国4个月使用,是欧洲储气规模最大的国家。德国的储气规模是冷战时期形成的,主要出于燃气供应安全方面的考虑。一般来说,燃气公司都是在夏天储气,因为冬天燃气的需求量大,价格也贵一些,可以赚差价。记得前些年有储气设施的燃气公司都过得很滋润。从德国的角度来看,德州冬天很温暖,根本没有必要储气,所以也不是不顾安全只顾赚钱。况且就是有储气设施,燃气管道和出口发生的冰堵,还是没有办法。

电网脆弱是说给不懂电力系统的人听的。德州出的是系统平衡问题,不是网络问题。

那么体制说就更是不着边际了,好像换了体制人们就能预见大灾难似的。

那么究竟问题出在哪里呢?照我看来,就是德州遇到了百年不遇的寒冬,即使预测到了,也发了警报,还是没有办法防止有序停电。实在是没有办法的事情。当然由于全球气候变迁了,今后经常会出现极端天气,那就要防范在先,措施都是已知的。

再高的可靠性都是以已知风险为前提计算出来的,对未知的风险,计算出的可靠性其实一点用处都没有。

郭博士引述德州电力公司CEO的几点结论:

1)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。

2)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。

3)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。

[注释1] 德州2011和2018年也发生过轮流停电的情况,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。

[注释2] 德国也和德州一样,也是纯电能量市场。电力市场是用来交易找价格的,不是为了保障安全而建立的。

本文经授权转载自微信公众号“留德华叫兽”(ID:Prof_Monster)。



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