美國得州2021輪停事故分析及其對中國電網改革的啟示

冷喜武

（國家電網有限公司國調中心，北京市 西城區 100031）

0 引言

美國得克薩斯州(以下簡稱“得州”)當地時間2021年2月15日凌晨01:25，得州電力可靠性委員會(Electric Reliability Council of Texas，簡稱 ERCOT，同時也是得州電網調度機構)宣布啟動最高等級的三級緊急狀態，針對居民用戶和小型工商業用戶采取輪流停電措施[1]。因應對不力，直至19日10:35供電才基本恢復正常。此次輪流停電事故由極端天氣影響下的供需失衡導致[2-7]，最高限電負荷超過1 650萬kW，約450萬人口用電受到影響。同時電力供應不足導致得州現貨市場電價飆升至 9 000美元/(MW·h)(折合人民幣近60元/(kW·h))，是2020年平均電價22美元/(MW·h)的400多倍、最高電價100美元/(MW·h)的90倍。3月1日，得州最大的電力合作公司布拉索斯電力合作公司宣布破產，理由是該州電網運營商欠下的18億美元債務。

此次冬季風暴并非毫無預警，根據 ERCOT發布的信息，早在 2020年 11月 5日，ERCOT氣象專家便準確預測了此次極寒天氣的可能性，然而超前的預警沒能敦促得州發電商未雨綢繆。這也并非得州第一次在寒潮中出現大規模缺電，在1989年和2011年的冬季得州分別經歷了規模不小的停電事故，美國政府和專家也曾提出應對緊急事件的改善建議，但前車之鑒未能成為后車之師。應該從體制機制方面深入挖掘導致此次輪流停電事故的深層次原因，在實現“2030碳中和、2060碳達峰”目標的背景下[8]，對我國高比例新能源電力系統發展予以警示和啟發。

本文介紹了得州電網的基本概況，梳理和分析了此次得州輪停事故的發展過程和深層次原因，從電源電網結構、電力系統運行以及電力市場建設等方面對我國電網改革提出相關建議。

1 得州電網基本情況

得州電網主網架電壓等級為345 kV，是一個獨立的交流電網，僅通過直流(總容量 125萬 kW)與Southwest Power Pool (SPP)、墨西哥電網相聯[9]。得州電網和電力市場均由獨立系統運營商 ERCOT負責運營，ERCOT不提供零售電力服務，也不擁有發、輸、配電資產。得州電網歷史最大負荷為7 482萬kW(2019年8月12日)，在今年之前最大冬季負荷為6 591.5萬kW(2018年1月17日)。

得州作為美國能源中心，在促進新能源發電方面一直走在世界前列，目前風力發電已成為該州的第二大電源。據 ERCOT發布的數據，得州電網2020年冬季總裝機容量約1.04億kW，其中燃氣機組占比 53.4%，燃煤機組占比 13.8%，風電占比23.8%，核電占比5.0%，水電占比0.5%，光伏占比2.1%，考慮新能源的波動性、水電的季節性等因素，其可信容量(實際納入電力平衡的裝機容量)為8 243萬kW。事故發生前得州電網電力供應情況如圖1所示。

得州的電力市場化改革手段也同樣激進[10-14]。1995年是該州電力市場化改革的元年，次年得州電力批發市場開始試運行，ERCOT成為全美第一個 ISO。得州電力市場是單純電能量市場(energy only market)，在高度市場化理念的驅動下，2014年 ERCOT引入實時備用價格增量(real-time reserve price adders，RTRPA)，這種稀缺電價機制能夠反映實時市場中備用資源的稀缺價值，但也在系統資源緊缺時存在批發電價飆升的風險。

圖1 事故發生前得州電網電力供應情況Fig. 1 Power supply of Texas power grid before the accident

2 事故過程

2.1 事故前準備操作

當外部條件的變化使電網無法維系安全可靠運行狀態時，ERCOT會發布運行條件通告(operating condition notice)。通告類型主要包括咨詢(advisory)、監視(watch)和能源緊急警報(EEA)等[15]。當運行備用分別小于3 000、2 500 MW且預期無法在30 min內恢復時，ERCOT將通過熱線或公告欄向市場參與者發布事件咨詢(advisory)與監視(watch)通告。當運行備用小于 2 300 MW時，則激活能源緊急警報(EEA)。EEA又進一步分為3個級別，其觸發條件如表1所示。

2月8日，ERCOT針對極端寒冷天氣事件發布情況通知，并發布在公共網站上；2月10日，在公共網站上發布關于極端寒冷天氣事件的公告，并向市場媒體代表發布最新的電網情況；2月11日，發布寒冷天氣事件檢測報告(熱線電話、市場參與者通知、公共網站)，通過社交媒體發布有關預報極端天氣的新聞；2月12日，召開得克薩斯州能源可靠性委員會會議；2月13日，國家行動中心通過新聞發布會發布預測保護警報；2月14日，發布呼吁節電的新聞稿，進行社會媒體宣傳，舉行媒體吹風會。

表1 EEA分級和觸發條件Tab. 1 EEA classification and trigger conditions

2.2 事故發展時序

2月 14日 07:06pm，得州電網負荷達到了69 222 MW，創冬季峰值負荷新紀錄。

2月15日00:12am，ERCOT監測到系統備用響應低于3 000 MW。

2月15日00:15am，系統備用低于2 300 MW，ERCOT發出EEA1級警報并觸發對應操作。

2月15日01:07am，系統備用低于1 750 MW，警報升級至 EEA2級，ERCOT敦促部署節電措施。

2月15日01:20am，警報升至EEA3級，此時已累計損失發電量35 343 MW，ERCOT緊急啟動輪流限電措施，各輸電公司等比例開展有序用電，每戶每輪次停電時長為15～45 min，最大限電負荷達10 800 MW。

圖2為ERCOT公布的切負荷期間系統頻率變化曲線。當發電量逐步減少，系統頻率也逐步下降。大約01:50 am，頻率低至59.4 Hz，之后低于該頻率運行的時間長達4 min 23 s，期間系統通過2次分別切除3 000 MW和3 500 MW負荷，才阻止了系統頻率跌落的趨勢。

2月16日，得州斷電用戶達到峰值約490萬戶，負荷預測峰值達此次事故期間最大值76 819 MW，同時切除發電量也達到峰值52 277 MW，占總裝機容量的48.6%，如圖3所示。

2月17日，盡管氣溫回升使部分發電機組重新恢復運轉，但由于損失了中西部直流聯絡線的內送電量，ERCOT表示仍需削減負荷14 000 MW。當晚，大約8 000 MW負荷得到恢復。

2月18日—20日，更多的發電機組重新投運，發電量持續增加。2月 18日 12:42pm，ERCOT宣布取消最后的有序停電命令，恢復了大型工業設施的并網。2月19日09:00—10:35am，EEA警報逐級解除。

圖2 事故過程的事件時序與系統頻率變化Fig. 2 Event sequence and system frequency change in accident process

圖3 得州2月14日—20日的切除負荷量Fig. 3 Load shedding from February 14 to 20 in Texas

受機組停運缺電影響，得州電力市場嚴重供不應求，實時市場電價應聲飆漲，最高達到 1.1萬美元/(MW·h)，見圖4，而通常情況下得州電力市場價格不超100美元/(MW·h)。

3 事故原因分析

圖4 得州電力市場2月10日—16日實時市場電價走勢Fig. 4 Trend of real time market price in Texas power market from February 10 to 16

此次得州輪流停電事故的直接原因是極端氣候引發的電網供需失衡：一方面，居民為了抵御嚴寒需要加開電熱取暖，電力需求急劇上升；另一方面，極低氣溫導致油氣輸油管道凍結、渦輪機結冰、老舊的煤電機組故障頻發，得州電網主要依賴的天然氣、風電等發電來源中斷，供電能力受限嚴重，同時高度獨立的電網結構特性使其無法通過跨區互濟獲取外部支援。此外，得州電網應對極端情況的緊急預案考慮不周也是不可忽略的內部原因。

3.1 小概率極寒氣候的襲擊

本次得州遭受了30年一遇的極寒天氣，多地氣溫降至0 ℃以下，部分地區最低氣溫甚至達到-26 ℃，而往年二月份得州的最低氣溫為-3.3～13.3 ℃。由于得州已廣泛普及電采暖，氣溫驟降導致當地居民大開暖氣，引起得州電網負荷增長超出預期。得州2月14日—17日負荷預測和限電后實際負荷如圖5所示。

圖5 得州2月14日—17日負荷預測和限電后實際負荷Fig. 5 Load forecast and actual load after power restriction in Texas from February 14 to 17

與此同時，極寒天氣導致機組因設備故障跳閘、燃機因天然氣供應不足停運、風電機組因設備結冰無法發電，總計約4 000萬kW機組無法正常運行，超過總裝機的 1/3，極大削弱了得州電網供電能力。

3.2 跨區互濟能力不足

由于政治經濟等原因，得州電網相對孤立，主要依靠網內電源實現電力平衡，僅通過5回直流(總容量125萬kW)與美國其他地區電網和墨西哥電網相聯，跨區輸電能力僅占得州電網最大負荷的1.7%。當網內供應能力不足時，無法通過跨區互濟獲取外部支援，加劇了得州供電緊張形勢。

3.3 電力基礎設施投入不足

得州冬季溫暖、夏季炎熱，寒潮、暴風雪天氣較為罕見，發電機組等設備對低溫高濕環境的耐受性設計不足，加之服役年限較長，超過 20年的占到 1/3。圖 6為事故期間各種燃料類型機組切除的發電量，可以看到因風機槳葉覆冰和輸氣管道凍裂導致的風電和燃氣發電切除量占主導，但本該在低溫天氣下起支撐作用的煤電廠也出現部分故障無法并網發電的情況。

圖6 不同燃料類型機組的切除發電量Fig. 6 Generation capacity out by fuel type

根據 ERCOT發布的報告，包括得克薩斯州公用事業委員會(PUC)或 ERCOT在內的任何實體都沒有權利強制電力業者遵守天氣計劃或執行最低天氣標準，發電機所有者和運營商無需滿足任何最低天氣標準要求，也無需對寒冷天氣的運行脆弱性進行詳細審查。當 ERCOT要求查看詳細的發電廠記錄時，只是由業主自己確認是否滿足天氣標準。缺乏對執行最低天氣標準的強制性，發電商基于成本考慮自然不會對設備耐寒改造投入太多，這直接導致了此次寒潮中發電機組的大規模崩潰。

3.4 電源結構不合理

得州近年來大力推進新能源發電，其中風電已成為僅次于天然氣發電的第二大能源供給，此次寒潮中風機凍結使風電可信容量非計劃停運400萬kW，發電占比由42%驟降至8%。結合國際國內多次停電或電力緊缺事件[16-20]，在極端情形下新能源發電保障力系統可靠運行相比于傳統電源具有明顯劣勢，得州電網在進行能源改革時激進地采用新能源機組替代煤電機組，導致系統靈活性調節資源配置不足，削弱了得州電網的運行可靠性。

3.5 應急預案不充分

從 ERCOT發布的報告來看，委員會早已預測到寒冷天氣并且多次對當地運營商發出警報。停電事故發生前的幾日多次召開新聞發布會和媒體吹風會，同時也對可能停電的風險采取了一些措施：考慮到天然氣的傳輸限制，要求得州鐵路委員會優先安排天然氣運輸；取消影響 1 600多個電力傳輸設備的停電維護，并推遲了其他停電計劃；要求TCEQ/DOE在預期事件期間對電廠排放執行自由裁量權。

盡管做了以上準備，ERCOT應急預案仍未充分考慮極寒天氣下燃機等機組燃料供給、耐寒耐濕性能等問題。緊急情況下需求側響應資源作用難以發揮，只能依靠用戶自發節能節電。在后續事故處理過程中，州政府缺乏協調能力，各主體責任不明確、搶修恢復慢、限電復電調度混亂，造成居民長時間缺電。

3.6 市場運行機制不完善

得州電力市場模式與加州和 PJM 市場模式不同，選擇單純電能量市場稀缺電價機制，沒有容量市場。雖符合其高度市場化的理念，但不適用于對高電價承受能力較弱的地區和用戶。實踐表明，單純的電能量市場價格難以有效引導長期投資，也缺乏對系統整體供應安全的統籌考慮，反而會明顯增加居民用電負擔。

4 對中國電網改革的啟示與建議

此次輪流停電事故暴露了得州電網在新能源大規模發展的背景下，電源電網結構、電力系統運行和電力市場建設等方面存在的問題。隨著我國“雙碳”目標的提出，推動能源轉型必將給我國電網帶來廣泛而深刻的變革，新能源裝機比例的快速提升將對我國電網規劃和保障安全穩定運行帶來嚴峻挑戰。

4.1 合理規劃電源電網結構

4.1.1 電源結構規劃

此次停電事故中新能源發電本身具有的弱穩定性備受關注，但同時應該看到，常規天然氣電源在極端氣候下也具有脆弱性。寒潮來襲后，風電機組因槳葉覆冰脫網 400萬 kW，燃氣機組也因氣井減產、輸氣管道冰堵或凍裂出現非計劃停運近2 600萬kW，煤電機組也無法正常運行。現階段能源結構的轉型并不意味著可再生能源裝機和煤電裝機之間是非此即彼的關系，相反唯有構建多元化的電能供給體系才能最大程度地保障極端情形下的電力可靠供應。必須規劃各類電源有序開發，在促進新能源發展的同時，合理兼顧常規電源及靈活調節電源的發展規模和布局，推動我國電網發展“清潔低碳”和“安全高效”雙軌并行。

為了助力實現“雙碳”目標，大力發展風電和太陽能發電是我國未來電源結構的基本；義無反顧發展水電，中國常規能源(其中水力資源為可再生能源，按技術可開發量使用100年計算)的剩余可采總儲量水利資源占比僅次于煤炭[21]，水電在實現非化石能源發展目標中占據十分重要的戰略地位；量力而行發展核電與燃氣發電，作為清潔低碳基荷電源的核電有利于改善能源與負荷分布的空間結構，但受核技術發展程度明顯制約，天然氣發電因其燃料具有低碳特性而被列入清潔能源范疇，但天然氣具有國際供應的依賴性和脆弱性；全面推行煤電等容量舊機組換新機組，適當新增煤電裝機，減煤量不等于減煤機，煤機能夠為電網提供經濟、可靠的容量備用，是重要的應急電源儲備，對風電、光伏的發展起著關鍵支撐作用。

4.1.2 電網結構規劃

得州電網的高度獨立性為其風電的快速發展創造了有利條件，但卻在此次寒潮風暴中將其推入了孤立無援的境地。在我國，建設全國互聯的統一大電網為全網平衡奠定了堅實的物理基礎，以2021年初寒潮時期為例，國家電網組織跨省跨區輸送電力達8 399萬kW，占全網負荷的14.8%，有力保障了全網電力的有序供應。未來我國電網的規模還將持續擴大，電網特性也將日益復雜，資源稟賦決定了必須堅持“全國一張網”，充分挖掘跨省跨區輸電通道送電能力，保障高比例新能源電力系統的安全穩定運行。加快建設國家級特高壓交直流混聯大電網，形成南北互濟、東西互補的電網格局。

4.2 加強系統支撐與調節能力建設

此次得州大停電事故同樣暴露出高比例新能源電力系統在保證電力電量平衡和頻率電壓支撐調節能力方面的不足。新能源發電具有天然的隨機性、間歇性和波動性，在負荷適應上又具有反調峰特性；同時新能源機組的轉動慣量減少降低了系統的頻率魯棒性，電壓和頻率支撐能力也存在缺陷。建議通過以下措施提升高比例新能源系統的平衡與支撐調節能力：

1）優先消納風力、太陽能發電量。促進風光消納是助力實現碳中和的基礎，現有國家相關標準對新能源機組一次調頻調壓性能未進行要求，應研究風電、光伏電站參與系統調頻調壓，而不是全面通過火電、水電機組作為可調機組，支撐電網電壓、頻率穩定。

2）加大調節性綜合利用水力發電。抽水蓄能電站是現代電網中不可缺少、優選的調峰電源，具有調峰填谷雙重功能，抽水蓄能電站具有反應迅速、運行靈活、啟停方便的特點。應完善抽水蓄能電價形成和容量電費分攤機制，加快抽水蓄能電站建設、推動梯級水電站加裝水泵實現抽水蓄能功能、促進抽水蓄能電站和水電廠具備調相運行能力。

3）支撐核能、天然氣發電。盡管核電廠具備一定的調峰能力，但為保證核電廠安全運行，我國目前投運的核電均以帶基荷運行為主，在少數極端情形可讓核電機組通過降功率運行的方式參與調峰。燃機具有啟停方便、響應速度快的特點，調峰能力和跟蹤負荷的性能高于火電廠，但目前天然氣發電仍受制于氣源等基礎設施建設的不完善，隨著未來天然氣供應渠道的多元化，氣電發展的經濟性、競爭性有望提升，氣電可在沿海、峰谷差較大的電網中扮演效率高、排放小、靈活性強的電源角色，實現與風電、光伏等新能源的協同發展。

4）火力發電從技術上僅僅是安全穩定運行的保障和電力供應安全的托底，應“增容減量”。推進火電機組改造為調相機運行、新能源廣泛加裝分布式調相機、實現火電機組靈活性改造等措施，加強電力系統的支撐與調節能力建設。

5）儲能建設速度不宜過快。儲能具有反應速度快、精度高的特點，可以在系統調節里發揮一定作用。但從目前的技術看，電化學儲能的絕對存儲能力遠低于電網需求，運行壽命也比抽水蓄能低了足足10倍之多，投資儲能電站的成本也相對較高。未來儲能發揮作用的能力有多大，取決于相關技術發展和成本水平。

4.3 優化電力市場化改革的體制機制設計

我國電力行業正處于由計劃向市場轉型的重要階段，終端電價雙軌制短期內很難取消，社會也不會容忍電價劇烈波動，需要結合國情和發展階段特點，建立適合的容量市場機制和緊急熔斷機制，確保電價穩定。首先應在電力市場建設中及早實現容量支持機制，探索建立事前招標購買容量的制度，激勵電源科學投資，保障發電容量的充裕性。其次要在市場化發展中明確緊急熔斷機制，即在應急情況下，退出市場機制，實施緊急調度和價格限定。具體建議如下：

1）推進風光全電量參與市場化交易，全面推進補貼退坡。隨著風電、光伏規模化發展和技術快速進步，在資源優良、建設成本低、投資和市場條件好的地區，已基本具備與燃煤標桿上網電價平價的條件，推動風光發電無補貼平價上網已具備時機。要健全完善管理政策，加大競爭配置力度，以市場化手段促進新能源消納。

2）加大峰谷價差，運用價格信號鼓勵電力削峰填谷。加大峰谷價差可引導用戶增加谷段用電負荷，降低尖峰時段用電負荷，削峰填谷，平抑峰谷差，減輕發電側調峰壓力。需求側靈活調節是應對電力緊缺的有效手段，建議采用市場化手段積極培育需求側響應這一新型靈活性調節資源，調高電力系統運行彈性。

3）將火電的定位由常規電源整體轉變為電力系統調節電源，在電力市場各個交易品類中提升火電靈活調節價格，同時補償火電作為調節電源的閑置成本。

4）市場化補貼其他調峰手段，引導核電參與調峰輔助服務交易。盡管核電參與調峰存在諸多風險和經濟性問題，但隨著大規模風光接入，電網的調峰壓力持續增大，裝機占比逐漸增加的核電終將無法在調峰任務中缺位。應及早研究核電用于調峰的運作機制，加大對核電調峰的考核、補償力度，提高核電參與電網調峰的積極性；完善電力輔助服務補償(市場)機制，實現電力輔助服務補償力度科學化，破解核電參與調峰難的困境。大力推進源網荷儲協調調控能力建設。

4.4 注重大眾科普和輿論引導

近年來高比例新能源電力系統停電缺電事件頻發，對于是否應該鼓勵推進新能源大規模并網的質疑聲此起彼伏。電網作為能源生產的核心配置平臺，是關系民生福祉的公眾事業，業界及相關學者應直面質疑，找準矛盾根源，深入剖析每次事故發生的原因，從中汲取經驗教訓。及時以報告的形式向公眾還原事故真相，以緩解事故引發的焦慮情緒。對于高比例新能源電力系統的規劃應建立在理論基礎之上，針對爭議性問題提出的觀點需進行充分討論。具體建議如下：

1）注重ΔP的極端重要性。任何一次大停電都不是巨大缺額引發，5%的缺額就會引發巨大社會災難和輿論響應。以得州停電事件為例，間歇性風光電源極寒無風也是主要風險，風能和太陽能發電只占得州電力的20%左右，這次關鍵時刻基本全部停機，問題就嚴重了。

2）淡化裝機數據的使用和宣傳，簡單堆砌間歇性風電、光伏裝機容量既不科學也無實際意義，應研究和使用裝機有效容量和發電量承擔全份額占比的統計和宣傳方法。

3）要向公眾科普不同能源的特點及缺陷，避免盲目樂觀。得州停電事件問題主要出在美國似乎運行最純熟的天然氣體系上。作為亞熱帶地區的得州，缺乏預防控制天然氣冰堵的意識，在早已發出的大寒潮預警中，缺乏天然氣濕度控制去除設備，也缺乏預防管道冰堵的監控措施，最終導致在寒潮中天然氣管網被冰堵中斷。而中國天然氣關鍵時刻的供應比加州更加脆弱，公眾應該對此享有知情權。低碳環保的間歇性風電、光伏是要付出比常規能源更多的用電成本的。

4）不要污名化火電。2020年，得州風力發電首次超過煤電，而在全美，煤電在總發電中的占比降至24%。長期以來，狂飆突進的風電擠掉了作為“壓艙石”的煤電，得州不僅毫無警惕，反而盲目樂觀，該州的項目開發商甚至建議未來接入電網的新一代發電設施中，風能、太陽能以及大容量儲能電池要占到95%。不過，此次大停電后，相信得州乃至全美對新能源發展會有更加客觀、清醒的認識。不應人為劃分出來局部區域成為全部新能源運行的綠色電網，而罔顧其他相鄰電網常規電源為之正負備用的事實。

5）必須堅持統一調度、分級管理。面對危機，沒有統一、互聯的大電網，就無法有效應對跨區域支援。

6）電力市場只能作為調節手段，而不是保障，更不是兜底保證供應的靈丹妙藥。此次得州完全遵循“市場經濟”，導致一方面極度缺電，一方面價格奇高。我國的體制無法承受如此劇烈的電價波動，中國電力市場化改革必須考慮公開、公平、效率和普遍服務的平衡。

5 結論

此次得州大規模輪流停電事故為各國高比例新能源電力系統的發展敲響了警鐘。通過梳理得州停電事故的發展時序，從極端外部條件影響、區域間電力互濟、能源基礎設施建設、電源結構、應急預案、電力市場機制等方面分析了停電的原因。我國電網發展應該從此次輪停事故中汲取經驗教訓：應優化電源側能源供給結構，大力推進新能源裝機的同時，保障煤機等靈活調節機組的占比；進一步加強大電網建設，充分挖掘區域互濟能力；加強系統支撐與調節能力建設，提升新能源消納能力的同時保障供電可靠性；建立合理的容量市場機制和緊急熔斷機制；把握正確的輿論導向，加強大眾科普。