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美国德克萨斯大停电解析: 德州电力系统是怎样构成的?

日期:2021-02-22    来源:能源电力新观察

国际电力网

2021
02/22
09:17
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关键词: 德州电网 可再生能源发电 化石燃料发电 风电机组

本周,一场致命的暴风雪席卷德克萨斯州,气温骤降,降雪量创下历史记录。暴风雪重创了德州电网系统,数百万人的供暖受到影响,难以抵御严寒。在德克萨斯州,大约60%的家庭供暖依靠电力。德州电网虽然经受住了炎炎夏日空调用电峰值需求的考验,却在当前困境中败下阵来——冬季用电高峰不仅来自取暖,人们还需加热水管防止结冰。根据PowerOutage.us网站(该网站主要追踪美国的停电情况)提供的数据,截至16日上午10点22分,德克萨斯州已有433万用户遭受了停电影响,停电用户数量达到顶峰。

周二晚,暴风雪天气转为降雨和冻雨,德州仍有300万人得不到电力供应。批评人士开始分成两派,大肆指责可再生能源发电化石燃料发电。但现实情况摆在眼前,两种发电燃料都无法应对突发状况。西德州部分风电机组因结冰而停转,但该州其它地区的风力发电厂可以补上部分缺口。专家表示,风力发电本身不是造成停电的元凶,但德克萨斯州的风电机组缺乏加热元件和抗冻剂,完全没有准备好应对严寒。

天然气发电厂和燃煤发电厂都需要水作为介质来保持运行,在严寒气候下,水结成冰,一部分发电厂由此停转。而其它发电厂需要这一部分电厂所提供的电力才能保持运行,目前也受到了影响,颇具讽刺意味。核电站也需要流水来给机组降温,目前该州南部已有一座以上核电站停产。周一,在寒冷气候的影响下,亚瑟港多数炼油厂关闭。德克萨斯州亚瑟港有全美最大的石油炼化厂集群,每日产能高达250万桶原油。

那么德克萨斯州电力系统的能源主要来自哪里?德州电力可靠性委员会(ERCOT,德州电网运营商)的约书亚·罗德斯(Joshua D. Rhodes)发布的数据分析报告显示,2020年,德州天然气发电量占比达46%,是该州电力系统最大的发电来源。十年前,风力发电量仅占总发电量的8%,去年已增加至23%。该州其余发电来源分别是煤电(占比18%)、核电(占比11%)、太阳能发电(2%)。本周出现的情况表明,德克萨斯州所面临的问题不单单出自某种发电方式,而是整个电力系统都存在问题。与美国其他州不同,德克萨斯州的电网独立运作,没有接入其它电力系统,所以现在才会面临如此困难的局面。这意味着,在能源需求过剩的时候,德州缺乏向其他州输送能源的能力,而在面临诸如本周冬季风暴等极端事件的时候,德州也无法从其它地方获取能源。

虽然各类媒体消息满天飞,其中包括加州州长Abbott叫嚣让“ERCOT管理层以及lawmakers引咎辞职也一度上了热搜,但记者Jack Fink身处德州,采访对象权威、内容客观性强,值得一看。小编这就带着大家来梳理一下,看看官方回应蕴含哪些要点。

要点一:这次停电范围大不大?

ERCOT最新估计德州有超过200万居民家断电。直到北京时间2约18日,ERCOT正授权一些公用事业公司如Oncor等为某些地方恢复供电。现在ERCOT以及全德州电力行业的首要工作是恢复所有人的电力供应,在恢复之后,才去探讨原因和得失。

要点二:为什么极寒天气会断电?难道ERCOT没有事先预料?

ERCOT对媒体的回复中反复提到了一个关键词:Balance(电网供需平衡)。

我们首先来看用电侧(需求侧):

停电当周,德州用总电量几乎与炎热的夏季相当,这在历史上都没有发生过。ERCOT电力负荷需求首先超出了任何以往预测水平。

ERCOT同时也被质疑——为何没有预测到这次停电?

事实是,ERCOT已经预测到了极端天气情况。

ERCOT日常运营包括通过复杂的模型研究预测电网的供需,以及光伏、风电来电。当预测到这场极端天气即将来临的时候,ERCOT从2月8日起,就开始向德州电力市场主体发出预警通知,要为此作准备。

但市场主体也有掉以轻心的时候:

德州上一次发生大规模轮流停电是在10年前——2011年2月2日,该停电事件之后,州一级和联邦一级政府投入大量努力力求电网安全度冬。在而后的2018年,也发生了相似的极端天气,但这7年间的努力确实发挥了作用,所以2018年的极端天气影响不大。

(也就是说,这次ERCOT虽然有提前预警,但有美好的过去当滤镜,市场主体并未意识到会这次会大规模停电)。

2月14日当晚,最大负荷破纪录超过了3200兆瓦,并且持续上涨,与预测情况保持一致。

我们再来看看供应侧(发电侧):

这一头才是真的出人意料。

ERCOT官方回复也验证,这次极端天气中的冰、冻雨、冰雹和严寒的天气使得机组无法供电。

本次采并未提及发电机组具体数据,但据其他媒体报道数据:德州有近30GW的发电设备无法工作,其中26GW是以天然气为主的火电厂,受天然气供应等影响无法发电,另外4GW是风电,因为受冻不能发电。德州总共的电力供应约为80多GW。相当于也1/3电厂无法发电,其中:

-风力涡轮机被冻(且厚的云层阻挡了疾风)

-光伏面板被冰雪覆盖

-严寒天气导致火电缺少燃料供应

(缺少燃料供应:根据其他外媒报道,此次极端天气影响美国本土天然气管道供应,邻国墨西哥不得不去购买LNG现货。而美国本土最大的天然气生产商EQT顺势提出,此次德州和临近地区的大停电,政府需要重视天然气管道建设的重要性。)

那么这些掉线的发电机组情况如何呢?

这些火电厂业主正在派人解决如下问题:

-天然气燃料供应短缺问题

-燃料运输到发电机组问题

-专家到场问题

-甚至自己的出行问题

时常是一个问题刚解决,另一个麻烦又来了,所有相关人员都在和时间赛跑。

那么我们再回到ERCOT反复提到的关键问题——balance电网有供需平衡的要求:

正因为有大量新能源,以及火电机组下线,这是ERCOT和市场主体始料未及的,所以在没有备用容量的情况下,唯一的方法就是通过切断用电负荷来保障电网平衡。每一台机组恢复上线,意味着一部分用户可以恢复用电。

另一个不得不切电的原因是,如果此时不切局部用电,可能导致全电网停电,如果让全网停电,将造成严重的物理伤害,再次恢复可能需要花上好几个月(原话:It could be months )。

(总结:电力系统安全性这事儿开不得玩笑。ERCOT真是眼睁睁看着负荷需求降不下来,发电能力上不上去。)

不过电力市场却真实反映了供需状况,2月17日,德州电力市场实时出清价格高得离谱:

图:来自朋友圈

要点三:德州就没有考虑增加容量,以应对极寒天气的措施吗?

这位记者在视频连线ERCOT之前,就已经采访了美国当地SMU Maguire能源研究所的一位专家,该专家提出观点:德州需要增加发电容量,才能应对极寒天气。于是这位记者又把该观点抛给了ERCOT CEO,并追问,把电力系统升级到应对极寒天气的水平到底需要ERCOT和州政府花多少钱?人民是不是必须有意愿支付这额外的电费(成本)。我们是不是太依赖新能源机组了,而花同样的钱,火电的供应却稳定得多?

ERCOT回复如下:

只要当电力恢复了我们才去重新考虑投资发电机组组合的问题。现在我们不得不调动所有类型的发电机组上线来解决当前的问题。

事实上,德州历史上单日最高负荷发生在2019年8月,比这周的任何一天都高,但当时电力系统尚有足够的容量冗余。但随着德州负荷需求的持续推高,近年来也有不少人开始在德州投资新建发电机组。

当前的停电还不能完全归因于缺乏容量,而是因为在线的发电设备遭遇故障,待恢复电力后,我们会全面排查原因,以及对未来的影响。不论如何,电气化的脚步是停不下来的。

(终于明白美漫里,政府为啥都要和异人签管制合约,真是怕你一乱来,我们的电力系统怎么架得住。)

另一个值得关注的点在此次采访中并未体现,但由美国德州农工大学教授谢乐通过公众号《透视新能源视角》发表文章提出:

“不像美国其他大部分地区供电的区域互联电网,德州电网是相对独立、自成一体的,类似于一个‘孤岛’。”

本次采访内容中,官方并不作脱离实际情况的推测,那么德州大停电背后的原因,我们尚待官方作进一步的调查和披露,以正视听。

首先,期望停电事故尽早结束。

另外,我们也当意识到,未来已来,已经无法活在过去的滤镜里。

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