美国得州2·15大停电事故分析及对中国电力发展的启示

张玥, 谢光龙, 张全, 韩新阳, 朱瑞, 张钧

国网能源研究院有限公司, 北京 102209

引言

2021年2月12日—17日，暴风雪席卷美国南部、中西部和东北部地区。美国得克萨斯州（下文简称得州）受极寒天气影响，2月15日—19日发生大停电事故，最多影响人口达到450万人。极端寒冷天气导致电力取暖负荷急剧攀升，与此同时，因天然气管道受冻冰堵、风机叶片覆冰冻结，大量燃气和风电机组退出运行，甚至部分燃煤机组也退出运行，得州电网电力供需严重失衡。得州当地时间02-15T01:25，得州电力可靠性委员会（Energy Reliability Council of Texas，ERCOT），即得州电网调度机构，宣布启动最高等级的三级紧急状态，针对居民用户和小型工商业用户采取轮流停电措施，最大切负荷达2 000万kW，实时市场价格超过9000美元/（MW·h），直到02-19T10:35才全面恢复正常供电。

一方面，受气候变化影响，全球极端天气发生频率增加，对电力系统安全稳定的影响不可忽视；另一方面，在“碳达峰”“碳中和”目标下，高比例可再生能源电力系统是发展趋势，更易受极端天气影响。本文旨在梳理分析美国得州2·15大停电的原因，并总结其对中国电力发展的启示。

1  美国及得州电网概况

1.1  美国电网概况

1.1.1  电网概况

自2000年以来，随着美国“页岩气革命”的成功，美国电网的电源结构逐渐从以燃煤发电为主向以天然气发电为主过渡。截至2020年年底，美国天然气发电装机容量达到4.8亿kW。2020年天然气发电量达到1.6万亿kW·h。2020年美国电源装机和发电量结构[1]如图1所示。

图1  2020年美国电源装机和发电量结构

Fig.1  Installed capacity and generation structure of U.S. in 2020

由于落基山脉地理特征和历史原因，美国本土电网由西部联合电网、东部联合电网、得州电网三大电网构成，分别由66个电力调度机构保障电力系统的可靠性和实时平衡，电网和调度机构分布[2]如图2所示。东、西部电网之间通过7回背靠背直流相连，得州电网与东部电网通过两回直流相联，未与西部电网联网，与墨西哥通过3回直流相联[3]。

图2  美国电网分布

Fig.2  U.S. electric power grid regions

美国本土三大电网的电源结构各有特点，东部电网地区靠近煤炭及天然气产地，以煤电和天然气发电为主；西部电网依靠落基山脉的地势，有相当规模的水电；位于美国南部的得克萨斯州处于美国页岩气主产区，以天然气发电为主[4]。

1.1.2  管理概况

美国电力行业由三级机构构成。

第一级是北美电力可靠性委员会[5]（North American Electric Reliability Corporation，NERC），负责整个北美地区的强制性可靠性标准的发布、系统整体运行可靠性情况的预测和评估，以及市场参与者的注册与培训。

第二级是电力调度机构，负责各自区域的电力供需平衡，以保持电网稳定。北美地区包括9家系统运营商（区域系统运营商（regional transmission organizations，RTO)、独立系统运营商（independent system organizations，ISO）） [6]，如图3所示，除负责各自辖区内的电网调度和电力实时平衡外，还负责该区域内的市场运营。

图3  北美电网运营商分布

Fig.3  Grid operator distribution of North American Power Grid

第三级是区域电力公司，负责电网的规划投资建设和电力客户的运维服务，并接受区域调度机构的监管。

电力行业监管方面，美国能源监管委员会（Federal Energy Reliability Council，FERC）负责美国除得州之外的其他区域，主要监管州际间电力、天然气和石油的传输、州级水电项目的审批、标准的审批、州际贸易中的电力传输和批发销售的合规性、电力公司的并购和公司交易合规性等[7]。

1.2  得州电网概况

1.2.1  电网概况

得州位于美国南部，以页岩气为代表的能源资源非常丰富，基本上属于温带气候，南部部分地区为亚热带气候。

得州电力系统主要为ERCOT调度区。ERCOT调度区覆盖得州75%的地域面积和90%的负荷，区内第一大电源为天然气发电机组，同时以风电为主的新能源发电装机占比较高，但与外部地区的电力互联薄弱，系统较为独立。

装机容量方面，天然气发电机组占比接近一半。截至2020年年底，ERCOT调度区内总装机容量约1.08亿kW，其中天然气发电机组占比47.45%，新能源发电占比34.50%，煤电12.50%，核电4.73%[8]。

发电量方面，天然气发电量比重与装机容量比重相当。2020年11月得州总发电量为344亿kW·h，其中天然气发电量占45%，非水可再生能源发电量占26%，燃煤发电量占19%[8]，如图4所示。

图4  美国得州2020年底电源装机容量及2020年11月发电量

Fig.4  Installed capacity by the end of year 2020 and power generation in November 2020 of Texas

用电负荷方面，冬季高峰不及夏季高峰。历史最大负荷为7482万kW，出现在2019年夏季；最大冬季负荷为6592万kW，出现在2018年。

外部互联方面，输电容量较小。ERCOT通过5回直流联络线同美国东部电网的西南电力池（Southwest Power Pool，SPP）和墨西哥电网相连，总容量为125万kW。

1.2.2  管理概况

得州政府下设的得州公用事业委员会（PUCT）负责监管ERCOT，管理范围包括财务权、预算权和运营权，并由州立法机构进行监督。

ERCOT负责组织电力批发交易，并维护电力批发市场的竞争性，保证电力系统的可靠性，确保电力输电服务的开放性，保持零售市场竞争的充分性。

ERCOT负责管理的电力传输线路约74834 km。ERCOT市场参与者超过1400个，主要包括：授权计划实体、负荷服务实体、输电服务供应商、配电服务供应商、电源实体[9]。

2  大停电过程

2月12日—14日，受暴风雪影响，得州出现罕见低温，用户电采暖负荷快速上升。

2月14日，ERCOT发布公告称，天然气短缺和风机冰冻导致电力供应紧张，号召居民和商业用户采取节电措施，当日19:00时用电负荷破冬季峰值记录，达到6922万kW。

2月15日凌晨01:25，由于大批发电机组被迫停运导致电力供应缺口较大，ERCOT宣布启动最高等级的三级紧急状态，针对居民用户和小型工商业用户采取轮流停电措施。1 h内限电负荷达1050万kW，影响约200万户家庭。

2月15日全天，最高限电负荷达到2000万kW，被迫停运机组容量最高达到5227万kW，占总装机容量的48.6%[10]，如图5所示。天然气发电机组被迫停运容量从1100万kW骤升至2600万kW左右，风电机组被迫停运容量从1500万kW上升至1700万kW左右。外部电力支援方面，最初阶段，美国东部电网和墨西哥电网通过直流线路保持最大功率输电，但07:00时许，墨西哥北部6个州也由于电力供应不足发生大规模停电，对得州的电力支援停止[11]，如图6所示，外部电网最大输电容量不足得州电力需求的2%。得州电力现货市场各区域多时段电价升至8000美元/（MW·h）以上，最高触及9000美元/（MW·h）的限价，约折合人民币60元/（kW·h）。

图5  2月14日—20日得州被迫停运机组容量变化

Fig.5  The shutdown generation capacity in Texas from 2/14 to 2/20

图6  2月14日—16日得州与周边电网电力交互情况

Fig.6  Electricity interchange of Texas with neighboring regions from 2/14 to 2/16

2月16日上午，得州气温降至近30年最低，属于极度寒冷天气，比如达拉斯为–19 ℃。停电人口最高达到450万人，电力市场实时系统电价长时间保持在9000美元/（MW·h）的限价。

2月17日上午，得州气温逐渐回升，电力缓慢恢复，停电人口降至330万人，限电负荷下降至1400万kW。电力系统中被迫停运的机组仍有约5000万kW，其中燃气机组约2600万kW，风电机组约1700万kW[8]，如图7所示。

图7  2月14日—20日得州各类型机组被迫停运容量变化

Fig.7  The shutdown generation capacity of each type of unit in Texas from 2/14 to 2/20

2月17日晚间，ERCOT单日已恢复了约800万kW负荷，相当于160万户家庭恢复供电，系统中被迫停运机组容量降至4300万kW。

2月18日上午，停电人口降至48.6万人，发电能力逐渐恢复[10]。图8所示的得州电力需求变化，15日用电负荷达到高峰后采取轮流停电措施，17日开始负荷缓慢恢复。

图8  2月12日—18日得州用电负荷变化

Fig.8  Change of electricity load in Texas from 2/12 to 2/18

2月19日上午，得州三级紧急状态取消，停电人口降至19万人，被迫停运机组降至3400万kW。电力市场实时电价恢复至正常水平。

2月20日—21日，得州停电人口降至3.3万人，电力供应进一步恢复。

3  停电原因分析

3.1  停电原因分析体系

经典安全管理理论和模型包括“人机环管”理论、事故致因“2-4”模型等，核心思想是将事故致因归结为人、机、环境和管理的不安全因素，或不安全动作和不安全物态两方面。基于以上理论，分析2000年以来全球发生的100余起主要大停电事故[11-18]，归纳其直接诱因和深层原因，提出停电原因分析体系如图9所示。

图9  停电原因分析体系

Fig.9  Structure for power outage analysis

3.2  得州停电原因分析

自然灾害为本次停电的直接诱因。2月12日—17日，暴风雪Uri和Viola接连席卷美国南部、中西部和东北部地区，得克萨斯州为重灾区，不仅导致了大面积停电限电，也造成原油、天然气等能源供应受阻。基于提出的停电原因分析体系，以及美国能源部、ERCOT等机构公布的官方数据和报告，从物理基础和机制模式两方面剖析该大停电事故的深层次原因。

3.2.1  物理基础方面

从物理基础看，涉及电源、电网、负荷等多方面因素，用电负荷增长超预期，作为主力电源的天然气发电、煤电和风力发电出力锐减，跨区电力紧急支援能力不足。

电源侧，极端天气导致大量机组停运。天然气减产（得州在14日天然气日均产量下降近半）、输气管道受冻冰堵，风电机组叶片覆冰，导致大量燃气机组（约2600万kW）、风电机组（约1700万kW）、煤电机组（400万~600万kW）等停运。得州电力系统总装机容量1.08亿kW，被迫停运机组容量最高达到5227万kW，占比48.6%。02-15T01:25，系统备用容量低于100万kW，触发了ERCOT三级紧急状态，针对居民用户和小型工商业用户采取轮流停电措施。

电网侧，跨区电力支援能力不足。得州电网相对孤立，仅通过5回直流与美国东部电网和墨西哥电网相联，区外电力支援能力125万kW，不足最大负荷的2%，紧急情况下无法提供有效支援。

负荷侧，用电负荷增长超预期。极寒天气导致电采暖负荷增长超出预期，2月14日最大负荷达到6922万kW，比前几日增长10%左右。停电限电期间，ERCOT预测负荷峰值（不切负荷）7682万kW，最大切负荷达到2 000万kW，停电持续时间70.5 h。

3.2.2  机制模式方面

从机制模式看，涉及应急机制、管理体制、市场机制等多方面因素，应急预案考虑不周，稀缺电价机制导致电力供需紧张时电价飞涨，电力行业主体分散难以有效协调。

应急机制方面，应急预案考虑不充分。ERCOT仅设计了电力缺口1300万kW的应急预案，而实际缺口远超应急预案考虑范围，短时间内难以提出和实施科学有效的解决方案。

市场机制方面，稀缺定价机制导致电力供需失衡时电价飞涨。与加州、PJM等采用容量市场不同，得州采用单纯电能量市场稀缺电价机制，通过供需紧张时的高电价来引导容量投资。2月14日—19日，ERCOT平均实时电价达到6579.59美元/（MW·h），最高超过9000美元/（MW·h），平均日前电价达到6612.23美元/（MW·h）。对比2020年2月，平均实时电价和日前电价分别仅为18.27美元/（MW·h）和17.74美元/（MW·h）。

管理体制方面，电力行业主体分散，难以高效协调。ERCOT仅负责系统调度和市场运行，发输配售功能则分属不同发电企业、输配电企业、售电企业，数量超过1400个，ERCOT不具有发电设备、输配电设备等的产权、运营权，紧急情况下难以高效统筹协调。

4  对中国电力发展的启示

4.1  重视极端场景电力应急保障问题

极端天气为本次得州大停电的外部直接诱因。近年来，由于全球气候变化，厄尔尼诺、拉尼娜等现象发生间隔变短，极端天气发生频次越来越高，2000年以来全球发生的大停电事故，由极端天气等自然灾害引起的占比超过30%，极端场景电力应急保障问题不容忽视。

一是极端场景电力供应保障要涉及全产业链条。形成全链条全行业应急协调机制，不仅包括源-网-荷-储各环节，而且延伸到电厂上游的燃料供应，确保应对科学有力、恢复快捷高效；二是应急预案要充分考虑多重偶发因素叠加下的极端场景，完善覆盖范畴，确保有备无患。

4.2  构建适应“双高”电力系统的多元供给体系

美国部分共和党人士将本次大停电归因于新能源供电不可靠，但实际上并非如此。联合国秘书长古特雷斯认为，以得州遭遇寒流为代表的极端天气频现，恰恰说明了应对气候变化的紧迫性。中国提出“碳达峰”“碳中和”目标，积极应对气候变化，新能源快速发展是大势所趋。新能源发电运行更易受极端天气影响，为保障高比例新能源电力系统安全稳定运行，需要构建多元供给体系，特别是需要对煤电机组妥善安排，中长期应考虑作为应急电源储备随时调用。

一是在大力促进新能源发展的同时，合理兼顾常规电源、灵活调节电源、应急电源的发展和柔性负荷的挖潜，确保高峰时段电力平衡；二是积极开展多场景下电网安全防控体系的理论研究和实践探索，从规划、设计、建设、运维、调控等重点环节增强电网在不同气候条件下的适应能力。

4.3  筑牢能源电力安全物理基础

物理基础薄弱是本次得州停电的重要原因。得州电网相对独立，区域互济能力严重不足，州内电力供应困难时，无法获得外部有效支援。得州电力基础设施长期投入不足，设备对极端环境耐受性不强，加之服役年限较长，导致本次寒潮中大量机组故障，无法并网发电。因此，保障电力供应，提升电网安全水平，需要坚实的物理基础。

一是电网具有重资产属性，电力设备是电网本质安全的重要基础，需要稳定充足的建设改造投资，保障电力安全供应；二是建设跨区跨省交换能力强的全国大电网，是符合中国国情和电网客观规律的战略选择，更是现实需要。

4.4  探索具有中国特色的电力市场模式

本次大停电期间得州电价飞涨是其市场模式的必然结果。得州采用单纯电能量市场稀缺电价机制，而未建设容量市场，主要通过供需紧张时的高电价来补偿发电商的容量成本[19-21]。该市场模式符合得州高度市场化的理念，但不适用于对高电价承受能力较弱的地区和用户。实践表明，单纯的电能量市场价格难以有效引导长期投资，也缺乏对系统整体供应安全的统筹考虑，反而会明显增加居民用电负担。中国电力行业正处于由计划向市场转型的重要阶段，需要结合国情和发展阶段特点，充分考虑电力的基础保障和普惠属性，在保证供应安全和价格稳定的基础上，探索具有中国特色的电力市场模式。

一是在电力市场建设中及早实现容量支持机制，探索建立事前招标购买容量的制度，激励电源科学投资，保障发电容量的充裕性；二是在市场化发展中明确紧急熔断机制，即在应急情况下，退出市场机制，实施紧急调度和价格限定。

4.5  坚持“三统一”发挥体制优势

本次寒潮导致得州发生大面积停电，且持续时间较长，与其电力行业主体分散有关。电网管理体制分散、调度运行机制不畅，都会加大电力安全风险。利益和责任主体过于分散，难以实现电网统一规划和资源统一调用，不利于统一管理和指挥，在事故应急中不能有效组织资源、恢复故障。

统一规划、统一调度、统一管理（简称“三统一”）是中国电网发展的重要特点和制度优势。“三统一”的体制运作高效、反应快速、发展能力强，能够实现各电压等级电网的统筹规划和全网协调运行，有力促进大范围资源优化配置，能够实现各类事故的有效防范、快速处理、严防扩大，保障电网安全稳定运行。

5  结语

本文分析本次得州大停电原因，主要是在极端天气的直接外部诱因下，用电负荷超预期，作为主力电源的天然气发电、煤电和风力发电出力锐减，跨区电力紧急支援不足，应急预案考虑不周，导致供需严重失衡，同时稀缺电价机制引发电力价格飞涨，行业主体分散难以有效协调。

中国电力发展应坚持发挥“三统一”体制优势，须重视极端场景电力应急保障问题，构建适应“双高”电力系统的多元供给体系，筑牢能源电力安全物理基础，探索具有中国特色的电力市场模式，保障“碳达峰”“碳中和”目标下电力稳定可靠供应。