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专访哈佛肯尼迪教授威廉·霍根:得州大停电是成本权衡问题,电力市场设计有效

作者:蔡译萱 姜黎 来源:南方能源观察 发布时间:2021-03-04 浏览:
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中国储能网讯:美国得克萨斯州停电事件引发的连锁反应仍在持续。得州“宕机”,全球“吃药”。在发电机组经不住严寒考验、电力公司破产、“天价”电费账单等动辄引发全球热议的话题之外,对大停电与得州电力市场设计之间关系的讨论或许最能触动能源电力利益相关者的神经。

得州是美国区域电力市场中,自由化程度最高的州之一。在保障系统有效容量充裕、缓解电力供需紧张和降低用电成本三个方面,得州所采用的稀缺电价机制看上去在此次寒潮中表现不佳。得州电力市场失败了吗?有没有能完美应对极端天气的电力市场?对于频发的极端天气,获得安全稳定高效的电力系统需要考量的关键因素是什么?

近日,eo记者专访了哈佛大学肯尼迪政府学院、雷蒙德-普兰克全球能源政策讲席教授威廉·霍根(William Hogan)。霍根教授是竞争性电力市场领域的先驱和引领者,从1980年代开始从事相关研究和设计,美国、英国、澳洲等国家和地方的电力市场结构和市场规则中,都有他的思想影响。霍根提出的节点边际电价(LMP)和金融输电权(FTR),能提供反映输电阻塞的准确价格信号,提升了生产、消费和投资的效率,并能有效规避发电商竞争导致的区域电价波动风险。同时,霍根教授也是本次遭遇寒潮停电的得州电力市场的主要设计者之一。

对于得州电力市场机制在此次危机中的表现,霍根认为,得州遭遇的是“百年一遇”的灾害,其电力市场已经按照设计发挥了作用。电力需求增加导致价格上涨,迫使消费者减少能源使用,同时鼓励发电厂增加发电量。 “这次危机之后,人们应当思考,我们应为避免此类事件的发生做哪些准备,是否愿意为预防这种‘百年一遇’的事情付出足够的成本。”霍根对eo记者表示。

停电并非市场设计之过

容量市场未必能有效应对

eo:1989年、2011年得州也曾经历寒潮和停电事件,当时监管机构建议能源供应设备提升防冻标准。据您了解,十年间,建议在多大程度上得到了执行?此次危机的影响为何比十年前还要严重?

Hogan:我暂时不清楚他们所有的举措,相信这次事件之后,监管机构会对此进行分析。得州确实有所行动,其中也包括稍微改变市场设计。但这次事件之所以如此棘手,是因为上周(2月15日-2月19日)的情况比2011年严重得多,给整个供应系统造成了一系列挑战。停电后,天然气管道泵因缺电无法运行,供水系统由于结冰也出现了问题,这些连锁反应加剧了情况的紧急程度和严重性。

就电力系统而言,这次事故不仅是发电侧的问题,天然气井和管道的冻结也造成了一部分影响,比如墨西哥北部缺电,不是因为那里天气冷,而是气电的燃料来自得州,由于得州天然气短缺,墨西哥无法获得充分的天然气供应。得州的天气通常较好,因此相比其他地区,管道没有埋得那么深,也没有像其他地区那样保障天然气的生产和管道运输,因为这都需要花费数年时间进行大量投资,而这些气井、管道本该有相应的防冻措施,所以这是个大问题。

另外,极寒天气期间,取暖需求增大,这些地区的负荷也大大增加,可以说所有可能出现问题的地方都出错了,这些因素共同作用加剧了电力系统危机。

由于电力系统特性,系统操作员必须立即处理该危机,实施轮流限电,如果不这样做,得州的电力系统可能彻底瓦解,同时需要很多天甚至数周才能恢复供电。在这种紧要关头,他们在采取必要手段和危机管理方面做得很好。

eo:专业人士和媒体都比较关注停电是否与电力市场设计缺陷有关。有观点认为,得州的稀缺电价机制没能激励足够的备用容量投资。您如何看待此次危机前稀缺电价机制作用的发挥情况?总体来说,市场机制对减轻极端天气灾害影响的作用有多大?

Hogan:上周之前,根据我们所能观察到的一切,这一市场机制显然运行良好,发挥了刺激投资的作用。2019年夏季,在得州陷入电力短缺、价格上涨时,稀缺电价机制刺激了发电商投资新的发电机组;市场参与者做出了需求响应和增加发电量的反馈,并在没有发生任何大停电的情况下实现了这一目标,因此这一机制是按预期和设计进行的,这也是迄今为止的证据,稀缺电价并不会导致重大的停电事故。

我认为这次停电的问题在于,人们能在多大程度上预料到这类事件的发生,并为之做准备,以及是否愿意并为此付出多少成本。这次事故是百年一遇的级别,德州电力可靠性委员会(ERCOT)描述为“非常罕见的”事件。因此我们必须解决的关键问题是,你是否想投资所需的资金来预防这种一百年来只可能发生一次的事情,应对它所产生的影响。这些问题我们必须在事后分析中找出答案。

eo:总体来说,市场机制对减轻极端天气灾害影响的作用有多大?

Hogan:如果看世界各地的经验,这个问题较难回答。PJM建立了容量市场,虽然市场已运行了很长时间,但在2014年遭遇北极寒潮时,我们发现市场上虽然有容量,实际上却不可用。当时发电燃料短缺,还出现了设备结冰等其他情况,情形非常严重,系统运营商几乎也要轮流限电,因此在之后几年里,PJM所做的最大努力就是修改容量市场的规则,提供所谓的绩效付费。也就是说,参与PJM市场的发电商实际上可以像得州的发电商一样,实时地获得高价。传统的容量市场是一种“惩罚”,用户需要提前向发电商付款,如果发电商不能响应,则必须偿还巨额罚款,这一机制非常复杂,也有其自身的问题。而在得州,用户不必提前付款,在缺电和高价时期,用户可以暂时先保留这笔钱。因此,对于发电商来说,两种机制的最终效果是相同的,都是要增加投资;从激励效果来看,两种机制的风险分配则略有不同,但PJM容量市场规则修改后反而使其看起来更像得州。

eo:如果得州建立了容量市场,您认为它是否可以应对这种严峻的极端天气?

Hogan:这是一个很好的问题,我认为效果并不明显。容量市场标准的建立是基于“十年一遇”,而不是“百年一遇”。因此,现有的容量市场设计将无法应付这种百年一遇的冰冻级别,这是问题所在。不存在一个能保证你永远不会遇到麻烦的系统。你需要考虑的是,构建怎样的防护网,愿意为此支付多少钱,以及可以获得多少可靠性。当超过防护网的容纳程度,就会遇到紧急情况, 就必须采取 ERCOT所做的应急措施。

上周俄克拉荷马城市长大卫·威尔金森就这些问题接受了采访。俄克拉荷马城不在得州,但也遭遇了一些状况,虽然停电情况没有得州那么严重,但他们的供水系统出现了问题。这位市长是这样回应的,他说,“我们可能不会为每年仅一周的零下低温建立防御机制,这种代价太贵了,我们的纳税人不想这样做。”

我认为这是问题的核心,如果这些情况发生的频率罕见,并且你不愿意为防御这类偶发性灾害付出成本,那在灾害发生时,就不得不陷入困境。

eo:从投资激励来看,您认为能否通过容量市场疏导上游为应对极端天气而增加的投资?过去多年来,得州各方(一次能源供应商、发电商、大用户、系统运营商)对此态度如何?

Hogan:它是选项之一,但容量市场有其自身的问题,我不认为这是个好主意。多年来,在得州关于容量市场的讨论一直不绝于耳。通常来说,大型发电商希望建立容量市场,以便在容量市场上获得更高收入。但到目前为止,用户和监管机构都反对,因为它实际上并不能真正为他们解决问题。通过稀缺电价,得州一方面解决了资金缺失问题(missing money),刺激了发电机组的可靠性投资,这显然是得州近期要做的事。同时,这一机制也在真正需要发电机组时提供实时激励,以确保所有机组都能在有需要时运行,这时机组也会做出防寒计划。我不知道得州对容量市场的态度是否会改变,但是容量市场自身也会产生一系列问题。

eo:您如何看待可靠性定价,国际上有比较成功的案例吗?

Hogan:澳大利亚多少类似于单一能量市场,并设计了一些对冲风险的举措,通过价格信号吸引提供可靠性支持的备用机组(operating reserve)投资。他们没有容量市场,而是采用零售商可靠性义务机制 Retailer Reliability Obligation (RRO),我认为这是一种解决可靠性问题非常受欢迎的机制;新西兰的做法与其类似;欧洲正在实施的监管程序实际上也是在尝试使用稀缺定价而非引入容量市场,全球很多区域正朝着另一个方向发展。因此,我认为可靠性定价的难题正引起广泛关注,不会那么难以解决。

但同时,根据现有的实例,容量市场并不能很好地解决这个问题,包括两个原因:其一是容量市场有其自身的问题,从一些容量市场的经验中看到,他们的可靠性定价很昂贵;其次,如果容量市场设计参数是基于2011年的情况,不一定能解决你想要解决的问题,用户体验会更糟。

限电为何没能“轮流”?

eo:有得州当地居民反映,有些街区停电时间超过两天,有些则几乎没有停电。不同地市的输配电公司执行轮停的效果如何?得州的输配电公司在此次危机中是否履行了应有的责任?

Hogan:调查组将在之后的原因分析中进行研究,那时我们能得到更多信息。整个电力系统对于危机的应对具备完善的流程。首先,系统操作员会发出减负荷要求,通知相关公用事业公司,在一段时间内令其削减负荷。公用事业公司接到讯息后,也有自己的减负荷程序,虽然各家操作有所不同,但实际上都有优先级排序,例如会保障医院和消防局的用电,对居民和工商业实行限电。停电前,他们会告知用户某一条配电线路会限电,那这条街上的所有居民都没法用电。

2011年的情况没那么糟,所以能实现轮流限电,比如某个街道限电四到五个小时后,换停其他区域,因此可以告诉用户,虽然你在这几个小时受到了停电的影响,但你贡献的几个小时停电时间,可以缩短所有用户被单独限电的时间。

但这次因为需要削减的负荷量非常大,除了要保供医院和消防站这些必要场所,每个配电公司都在不断减少负荷,压力非常大,这种情况很难保证轮流停电。

eo:得州的电网相对独立,与外区甚至跨境的电力贸易量很小。您认为电网互联在多大程度上有助于地区应对极端天气?

Hogan:得州与其他地区电网的互联问题更复杂,一时也很难解决。目前,得州的确有和其他区域的直流互联线,但实际上收效甚微。因为无法从那些区域获得足够容量,帮助得州应对这次危机,这不是说短期阻塞,而是其他区域在同一时期自顾不暇,就像我刚才提到的俄克拉荷马州一样,他们没法向外州提供电力。所以我认为,如果只是单纯扩大互联范围可能还是无济于事。但如果得州在扩大与其他地区互联的同时,更改区域间电力共享协议等,也许会有所帮助。

此外,另一个区域互联可以发挥作用的是领域是“黑启动”。也就是说,在电网整个系统因故停运后,不依赖别的网络帮助,通过系统中具有自启动能力机组的启动,带动无自启动能力的机组,逐步扩大电力系统的恢复范围,最终实现整个电力系统的恢复。而如果孤网这时连接到已通电的电网,则可以使用相邻电网的连接线路,并开始为输电网供电,继而发电机组可以准备复电,恢复系统运行。如果由于未与外部充分连接,就必须使用孤网系统内的具有黑启动功能的特殊发电机组,但由于这一过程非常缓慢且困难,为了不使整个系统崩溃,得州选择轮流停电是不得已而为之。

eo:此次事件中,需求响应做出了多大贡献?

Hogan:目前不知道实际发生的数据,显然有很多地区负荷减少了,不过不是自愿的需求响应,而是轮流限电。也有一些用户选择主动减少需求,可能在事后分析中进行一些估算;有些用户的电价账单非常高,这说明他们在高价期间,用电量很大。但很明显这次危机中需求响应远远不够,所以系统运营商不得不实行轮停。

eo:有专家提及发展储能,能够缓解灾害带来的电力供应紧缺问题。基于目前的技术发展水平,电池是否可以抵御像本次灾害这样的严寒?

Hogan:现在有很多不同的储能方式,但如果是电化学储能,那么用处不大,它们可以供电几小时,却无法供电超过四天以上,而得州这次经历了四天的危机,所以储能可能在某种程度上有所帮助,但并不能解决根本的问题。除非你有大量的备用电池而且能坚持四天,理论上这也会非常昂贵。

高比例可再生能源并网

经济调度和定价更加重要

eo:对于气候变化及应对极端天气的研究与实践,美国能源界近年来的趋势是怎样的?目前能源界对气候问题有哪些核心关注点?

Hogan:基本上有这么几件事。一是有很多新闻说,这样的极端天气情况是由气候变化引起的,与过去有很大不同,因此我们现在应该为此做准备。但这是一个受到严格科学审查的假设,它对于能源研究意味着什么?我们还不知道。

另一方面是高比例可再生能源在能源系统的角色和作用,得州州长和其他一些人最初表示,这次的问题是得州的可再生能源引起的,但事实并非如此,可再生能源虽然也掉线了,但所占比例其实很小,从绝对量来看,传统的天然气和核能掉得更多。

现在得州和美国各地日益增长的可再生能源,确实对电力系统提出了挑战。从市场设计的角度看,为了应对这些挑战,在美国其他地区,例如西部地区正希望通过不平衡市场来解决;而新提出的东南部能源市场交易平台正试图建立更灵活,响应速度更快,更像得州的能源市场,以应对可再生能源的问题。因此,不是市场设计不合适,在可再生能源日益增多的情况下,我认为事实恰恰相反,得州的经济调度和协调以及其他与此相关的定价问题等,在未来将变得更加重要。

eo:面临日益不稳定的气候系统下,能源基础设施的弹性与安全保障在得州能源和电力规划中是否有所考量,未来可能有哪些变化?

Hogan:得州的确已经考虑过,因此ERCOT在报告中提出了建议,并采取了一些行动,但需要确定的是这些建议和措施是否足以解决问题。因为总会有权衡取舍,所以必须要知道有哪些要做,有哪些不做,而如果超出了边界范围,就会发生上周遇到的情况。

因此他们将如何做,我不知道答案,但是我们应该认真地解决这些问题,并以我们所了解的事实为根据,而不是对此抨击。虽然每个人都对这次发生的事情感到非常不满,但我们希望调查其发生的原因,判断出现在可以做的事情。要做的事情有很多,必须从中做出选择。

关键字:电力物联网、能源互联网

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