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美国加州大停电,带给我们哪些启示?

作者:中国储能网新闻中心 来源:电网头条 发布时间:2020-09-30 浏览:
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9月20日出版的最新一期纽约时报杂志(The New York Times Magazine)用加州山火的照片作为杂志封面,聚焦加州近日频繁发生的自然灾害。

最近,加州的日子不大太平。上个月,热浪导致的轮流停电好像还近在眼前。8月14日,加州多地气温超过38摄氏度,面对陡增的用电需求,加州电网不堪重负,出现大面积停电,超过200万加州居民体验了一把“水深火热”的8月。

导致这次电力事故的几个原因,或许可以为太平洋另一边的我们提供一些启示。

01 电网分散难以优化配置

众所周知,美国电力系统并非“一张大电网”,主要由三个分散的部分构成:东部电网、西部电网和德克萨斯州电网。大部分线路和变电站都属于私营公司,由500多家互相独立的电网公司运营。

加州电网系统也是如此,输电线路分管复杂,物理连接薄弱。先来看一张加州能源委员会(California Energy Commission)在2016年发布的加州输电线路图,不同的颜色代表不同的电力线路供应商,仅大型电力线路的供应商就多达8家。

加州能源委员会日前发布了2020年加州公用事业服务区图。从图中可以看出,加州电网由超过6家公用事业公司共同运营。

独立运营的电网有一个致命弱点,就是没有统一的调度中心。这不仅导致各个电网之间缺少配合,容易出现多方扯皮的状况,而且由于缺少对整体电网的掌控,在面对尖峰负荷、大规模停电等突发状况时,电网无法统一调度、迅速响应。

02 管理无序难以协调一致

电网结构性的分散配置也直观体现在混乱的管理体系上。从负荷预测到部门间沟通合作,再到危机处理的速度,加州电网管理制度之混乱,我们从这次停电事件中可以略窥一二。

加州电力系统没有实现统一管理。电力监管系统主要由三方构成:加州能源委员会(California Energy Commission)负责需求预测;加州公共公用事业委员会(California Public Utilities Commission)负责需求响应,同时掌管公用事业买卖;加州独立系统运营商(California Independent System Operator)负责电网运营。

在这次没有预警的轮流停电事故发生后,加州州长Gavin Newsom给加州三大能源机构写了一封公开信,公开质问为何此次轮流停电没有提前发布公众预警。

加州能源委员会董事长David Hochschild、加州独立系统运营商董事长兼首席执行官 Stephen Berberich、加州公共公用事业委员会主席Marybel Batjer三方联合给州长回了信。三大能源机构坦言,让人始料未及的西部热浪导致本应足够的风能发电在8月14日下午发电量骤降。

此外,高温带来的用电需求激增以及短时间内无法迅速调度电力资源等都是导致这次加州停电的原因。信中也强调,尽管他们无法完全预料这次事故的发生,但是如果部门、机构之间有更好的沟通机制,现实情况就会更好一些。值得一提的是,在这次停电发生之初,三个能源机构还不约而同互相甩锅,经过长时间的扯皮后才决定合作。

信中提到的混乱的电力资源调度系统是造成此次停电的重要原因之一。加州电网没有能安全稳定地跨区域远程输电的直流输电技术,资源调度很大程度依靠电力市场“就近买卖”。周边地区的电力资源通过竞标的方式进入加州电力市场实现短期电力供需平衡。但由于没有签署长期合同,因此,当周边地区也出现电力短缺时,加州能源就供不上了。比如,此次山火同样使得旁边的犹他州和俄勒冈州发生大停电事故,能源供应链断了,能源缺口只会越来越大。

03 电力设施老旧满足不了需求

除了“制度失效”,加州电网的历史问题同样积重难返。电力建设缺乏规划,近年来发展缓慢。美国能源部的一组数据显示:美国70%的输电线路和电力变压器运行年限在25年以上,60%的断路器运行年限超过30年。由于联邦政府资金不足,滞后的基础设施建设不仅无法满足民众日益增长的用电需求,在遭遇突发状况时,电网设备老化的问题也一览无余。以加州最大的公用事业公司太平洋电气公司(Pacific Gas and Electric Company,以下简称PG&E公司)为例,其业务涵盖加州三分之二的地区。近年来,加州北部接连发生重大的森林火灾, PG&E公司因“电力设备老化”“电线短路”等问题,一度被外界视为“火灾元凶”。

为了让电力设施能更好地抵御自然灾害,PG&E公司不是没想过把自家老化的电线整治一番。加州电网曾计划通过将电线埋到地下的方式使电网坚强,去年PG&E公司也进行了一番尝试。然而,这种方式不仅对周围土壤和植被要求很高,造价也十分昂贵,每英里的改造花费高达300万美元,这对近年来公共建设资金持续吃紧的加州政府来说难以招架。

电力本该是国民经济发展的“先行官”,但在加州似乎有些拖后腿了。近年来美国频发的大停电都在发出警告:日益老旧的电力设施和持续增长的用电需求间的矛盾只会日益凸显。然而,没有前期的资金投入,硬件水平跟不上,再多的规划和管理也只能沦为纸上谈兵。

04 电网难以适应新能源发展需求

除了自身软硬件的问题,近几年提到加州电网一个绕不开的话题就是清洁能源发展。2018年,加州签署的气候法案中规划2026年可再生能源供电将占全州供电的50%;2030年之前,该比例将提高到60%;到2045年年底,要实现全行业的100%可再生能源和零碳能源供电。

在给州长的信中,加州三大能源机构特别指出,尽管许多因素都成为此次加州停电的帮凶,但是清洁能源绝不是其中之一。加州也将继续其对清洁能源的追求。

那么,加州目前在绿电道路上的进展如何?加州能源委员会数据显示,2019年,太阳能和风能共为加州提供了约21.04%的电量。

新能源看似为加州电网提供了不少支撑,然而以太阳能为首的新能源可能造成时间维度上的供应缺口。加州负荷峰值通常是从下午晚些时候开始的,这恰好是太阳能日供量开始下降的时段。供需时间的不匹配对于加州电网是一个可预见但是还亟待解决的问题。

此外,“弃核”也是加州清洁能源实践中的一个重要主题,核电正在逐步被排除在加州能源组合之外。2012年,南加州爱迪生电力公司关闭了San Onofre核电站,一举减少了2200兆瓦的电力供应。2018年,公用事业委员会通过计划,决定在2024年着手关闭加州最后一座核电站——Diablo Canyon核电站。值得一提的是,此次加州大规模断电事件还是在核能提供了近10%电力的情况下发生的。

无论在供电、输电还是用电环节,加州电网似乎存在很多问题。底盘不稳却一心追求“零碳”。清洁能源固然好,但对于现阶段的加州,更像是蛋糕上的裱花。没有一个稳定的底做基础,零碳计划就是浪花泡沫,无法真正为电网助力。

加州电网能源转型难,还体现在储能能力不足上。去年,加州刚为个人客户安装了超过100万个小型屋顶光伏板。最近,就有人紧跟着呼吁需要追加100万个小型锂离子电池来储备太阳能,理由是,这种小型电池可以为家庭提供约4小时的电量,在下午至傍晚时段可以帮助电网削峰。

这种自下而上式的个体储能是否真的可以弥补系统的漏洞还要打一个问号。其实加州电网也不是没想过建立大型储能机制,其中呼声最高的就是“抽水蓄能系统”。然而这种系统对土地和水资源都有大量需求,这对于国家公园和自然保护区繁多的加州来说实施起来很困难。

随着清洁能源的持续推进以及电网负荷的不断增长,不少人开始思考建立一个统一大电网的必要性。8月25日,美国参议院民主党人成立的气候危机特别委员会发布了一份关于解决气候问题的报告,其中特别提到了建立一个更统一、更利于远距离连接的电网的必要性。报告强调,尽管大电网的前期建设需要大量投资,但它在未来会给美国能源转型带来巨大的好处。

其实,如何应对不断增长的电力负荷,对中国来说并不陌生。加州独立系统运营商官网的数据显示,8月14日加州最大负荷为4600万千瓦,而这个数据放在中国省级电网中,其实并不算高。

以江苏电网为例,江苏电网已经形成了以“一交三直”特高压交直流混联为支撑、500千伏“六纵六横”为骨干网、220千伏分区运行、配电网协调发展的电网格局。8月17日13时25分,江苏电网调度用电负荷达到11512.5万千瓦,创下中国国家电网公司系统省级电网的最高调度用电负荷。其中,区外净受电力2300万千瓦,占江苏全省用电最高负荷的20%。通过区外来电,江苏电网能够从容应对省内用电需求。

同时,需求侧响应机制灵活调动负荷,也能让电网在高负荷的情况下保持“弹性”。江苏电网的调度控制系统依托大数据,从负荷大户入手,通过样本分析精准预测企业用电走势,有针对性地输出特定用户的用电行为特征报告。目前江苏大规模源网荷储友好互动系统可以做到280万千瓦毫秒级精准负荷控制,调度系统的精准性和敏锐度极大地降低了大面积停电发生的可能性。

值得一提的是,对于建设具有中国特色国际领先的能源互联网企业的中国国家电网公司来说,除了在面对今年夏天高温和汛情的双重考验时能交出满分答卷,中国国家电网也是世界唯一20年来没有发生过大面积停电事故的国家电网。

电网的安全平稳运行一直是我国电力行业的基础和底线,而守住底线的基础是电网调度一体化机制的制度优势。从加州此次停电事故中不难看出,无论是资源配置、管理制度、电力设施还是能源转型只靠简单的线性思维,“头痛医头,脚痛医脚”愈发难以应对牵一发而动全身的电网系统问题。统一规划、统一调度、统一管理,在电网运行中缺一不可,也只有把电网调度、规划、建设、设备监控、系统监测打通,劲往一处使,电网才能站得住脚、打得赢仗。

如今,加州的山火还在持续,这势必也为加州电网带来持续的挑战。但倘若基础、底线问题没有解决,面对大型突发情况时,电网的底气从何而来?如果说,加州停电事故能带给我们一些启示,那就是验证了系统性思维下坚持电网调度一体化机制的必要性和现实性。希望在逐渐降温的9月,随着负荷曲线的慢慢回落,背后的启示能够被更多人看到。

部分资料来源:

Borunda, Alejandra. “Why Renewables Aren't to Blame for California's Blackouts.”National Geographic, National Geographic, 25 Aug. 2020, www.nationalgeographic.com/science/2020/08/why-renewables-arent-reason-california-blackouts/.

Cagle, Susie. “This Is Why California Will Keep Burning.”Vice, Vice, 18 Apr. 2019, https://www.vice.com/en_us/article/qvygeq/this-is-why-california-will-keep-burning.

California Energy Commission. “2019 Total System Electric Generation.”California Energy Commission, California Energy Commission, 2019, www.energy.ca.gov/data-reports/energy-almanac/california-electricity-data/2019-total-system-electric-generation.

Noor, Dharna. "How to Fireproof California's Electric Grid."Gizmodo, Gizmodo, 14 Sept. 2020, earther.gizmodo.com/how-to-fireproof-californias-electric-grid-1845018709.

Penn, Ivan. “California Expresses Frustration as Blackouts Enter 4th Day.”The New York Times, The New York Times, 17 Aug. 2020, www.nytimes.com/2020/08/17/business/energy-environment/california-blackout-electric-grid.html.

ROTH, SAMMY. “Here's How California Can Keep the Lights on While Meeting Its Clean Energy Goals.”Los Angeles Times, Los Angeles Times, 19 Aug. 2020, www.latimes.com/environment/story/2020-08-19/how-california-can-keep-lights-on-while-meeting-clean-energy-goals.

关键字:加州电网

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