張瀚舟 張 銘 寇書萌 王曉暉 費(fèi) 斐

1.上海市發(fā)展改革研究院 2.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院

0 引言

年初，受到極寒天氣的影響，具有美國(guó)“能源心臟”之稱的得克薩斯州（下稱“得州”）氣溫驟降，冰雪災(zāi)害導(dǎo)致?lián)碛?900萬人口的得州大面積停電，高峰時(shí)超過470萬戶家庭斷電，大量當(dāng)?shù)仄髽I(yè)受影響，數(shù)十萬人連續(xù)四天面臨斷電、斷水、斷氣。2月20日，得州進(jìn)入重大災(zāi)難狀態(tài)。無獨(dú)有偶，上海在今年年初也同樣經(jīng)歷了25年來最冷寒潮的考驗(yàn)，全市電網(wǎng)負(fù)荷連創(chuàng)歷史新高，并首次出現(xiàn)冬峰超越夏峰的情況。但與得州相比，“速凍模式”下的上海除小部分地區(qū)出現(xiàn)電力供需偏緊，電力運(yùn)行整體保持了平穩(wěn)有序。近年來，全球極端氣象災(zāi)害頻發(fā)，未來氣候變化對(duì)于能源尤其是電力安全的挑戰(zhàn)不容小覷。得州與上海緯度相近，本文力求通過分析這一輪寒潮中雙方的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為本市進(jìn)一步提升電力系統(tǒng)安全提供借鑒。

1 無法自保的能源大州面臨著系統(tǒng)性問題

得州擁有得天獨(dú)厚的油氣資源和風(fēng)能資源，該州不僅天然氣產(chǎn)量全美第一，還提供了美國(guó)41%的石化產(chǎn)量和28%的風(fēng)能供應(yīng)，無論是化石能源還是新能源，得州都是當(dāng)之無愧的能源大州。傲人的資源稟賦讓得州電價(jià)在美國(guó)長(zhǎng)期處于較低的水平，如該州的平均電價(jià)8.6 美分/kWh 比全美平均水平低約1/5，是加利福尼亞州的一半。然而同樣是這個(gè)能源大州，在此次寒潮危機(jī)中暴露出來的卻是包括基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、電網(wǎng)孤立無援、運(yùn)行管理混亂等系統(tǒng)性問題。

1.1 基礎(chǔ)設(shè)施投入不足

據(jù)美國(guó)能源部統(tǒng)計(jì)，全美超過70%的變壓電線路和運(yùn)輸電線路運(yùn)行的年限已經(jīng)超過25年，60%的斷路器已經(jīng)使用了30 年，使用壽命逼近極限，在得不到必要的更新維護(hù)情況下崩潰只是時(shí)間問題。此外，由于得州充足的一次能源供給和長(zhǎng)期較低的電力價(jià)格水平，監(jiān)管部門和能源企業(yè)都沒有意愿布局一定規(guī)模的備用電廠，并且在電力市場(chǎng)方面對(duì)于容量市場(chǎng)也采取了較為忽視的態(tài)度，因此雖然早在極端天氣到來之前，得州的居民已做好了過冬準(zhǔn)備，但當(dāng)嚴(yán)寒天氣真正出現(xiàn)時(shí)，得州的電力供應(yīng)商卻無法滿足突然激增的電力需求。即便美國(guó)能源部授權(quán)得州各發(fā)電廠（全州約有680家發(fā)電廠，當(dāng)時(shí)近80家處于停電狀態(tài)）以最大輸出能力運(yùn)行而不必顧及污染物排放超限，該州仍沒有能力為居民提供超出預(yù)期的電力供應(yīng)。

1.2 獨(dú)立電網(wǎng)孤立無援

得州人以“孤星之州”自居，不愿被聯(lián)邦政府管制，這種傾向也反映在了電網(wǎng)的獨(dú)立上。美國(guó)本土的48 個(gè)州被劃分為東部互聯(lián)、西部互聯(lián)以及得州互聯(lián)三大電網(wǎng)。得州互聯(lián)與全美其他地區(qū)電網(wǎng)分離，其中一個(gè)重要因素就是不想受聯(lián)邦監(jiān)管機(jī)構(gòu)的影響。按照1935 年頒布的《聯(lián)邦電力法》，聯(lián)邦電力委員會(huì)負(fù)責(zé)監(jiān)督州際電力銷售，由于不跨越州界，因此得州的電力公司避免了受聯(lián)邦規(guī)則的約束。得州敢于自行其是，正是依托了區(qū)域內(nèi)大量的煤炭、天然氣和石油資源可作為發(fā)電廠的燃料，而獨(dú)立的電網(wǎng)在得州電力系統(tǒng)發(fā)展的早期也的確為該州更好地利用自身資源優(yōu)勢(shì)提供了便利。從未發(fā)生過“不受控制的停電”是得州引以為豪的地方。

得州電網(wǎng)作為美國(guó)第一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商，由得州電力可靠性委員會(huì)（ERCOT）管理。受到低溫、暴雪、凍雨的共同影響，風(fēng)力渦輪機(jī)被凍住，天然氣供應(yīng)變得緊張，太陽能發(fā)電場(chǎng)因厚重的云層和積雪而無法生產(chǎn)。在此背景下，ERCOT 既無法從東部電網(wǎng)借電，又沒有連接到西部電網(wǎng)，墨西哥提供得州的45萬kW 電力相對(duì)4500萬kW 的缺口杯水車薪。在無法獲得外部救援的情況下，拉閘限電只能是唯一的選擇。

1.3 政府和市場(chǎng)共同缺位

得州地處美國(guó)的南部，常年氣候溫暖，遇到極寒天氣的概率很低，因此當(dāng)?shù)卣湍茉雌髽I(yè)更多關(guān)注的是如何應(yīng)對(duì)夏季的炎熱潮濕而忽視了極寒天氣條件下設(shè)備的御寒裝置投入。從2020年得州的電源結(jié)構(gòu)中可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)力發(fā)電占比23%，天然氣發(fā)電占比40%，煤電占比18%，核電占比11%。上述主要電源在設(shè)備良好的狀態(tài)下可以較好地應(yīng)對(duì)該州夏季的高需求，但僅以此狀態(tài)應(yīng)對(duì)寒潮則風(fēng)險(xiǎn)極大。

首先，得州行業(yè)主管部門對(duì)于天氣原因?qū)е碌耐ｋ姴⑽唇o予充分重視，得州沒有像美國(guó)其他州一樣將設(shè)備進(jìn)行過冬御寒處理（確保設(shè)備能夠長(zhǎng)時(shí)間維持在冰點(diǎn)以下的溫度運(yùn)行）作為一項(xiàng)基本工作要求。例如，2011年得州曾因冰風(fēng)暴導(dǎo)致大部分地區(qū)輪流停電，聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會(huì)調(diào)查后提出了改進(jìn)建議，得州也制定了過冬程序，但今年許多發(fā)電機(jī)組和油井的糟糕表現(xiàn)說明這些程序或是不完善，或是沒有得到充分遵守。其次，電力企業(yè)在優(yōu)先考慮經(jīng)濟(jì)性的情況下，沒有對(duì)設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)剡^冬御寒準(zhǔn)備。例如，私營(yíng)電力公司為了降低成本以便在零售市場(chǎng)上更好地爭(zhēng)奪消費(fèi)者，對(duì)風(fēng)機(jī)渦輪葉片沒有使用防凍劑和加熱組件，煤機(jī)、燃機(jī)、核電機(jī)組由于所需的循環(huán)水沒有作防凍結(jié)處理，失去了部分甚至全部運(yùn)行能力。再次，燃?xì)馄髽I(yè)沒有建立充足的天然氣資源儲(chǔ)備。依托能源大州的資源優(yōu)勢(shì)，地方政府沒有構(gòu)建必要的應(yīng)急儲(chǔ)氣能力，燃?xì)馄髽I(yè)大多日常也不存儲(chǔ)天然氣，而是用時(shí)直接抽取。但極端低溫導(dǎo)致設(shè)備凍結(jié)，管道輸送能力喪失，即便地下蘊(yùn)藏著豐富的資源也無法取用。最后，電力市場(chǎng)監(jiān)管部門工作缺位，導(dǎo)致浮動(dòng)電價(jià)用戶收到天價(jià)賬單。得州是全美唯一一個(gè)在州一級(jí)完全解除對(duì)電網(wǎng)管制的州，在電力需求飆升的情況下，市場(chǎng)批發(fā)電價(jià)最高達(dá)到了季節(jié)性平均電價(jià)的180 倍。面對(duì)這一情況，作為管理著得州90%電力負(fù)荷的ERCOT卻毫無準(zhǔn)備。

2 平穩(wěn)度過速凍模式的上海仍有優(yōu)化空間

上海作為國(guó)際化特大型城市，用能特征決定了上海市電網(wǎng)負(fù)荷受氣溫波動(dòng)影響明顯，全年呈現(xiàn)“雙峰雙谷”趨勢(shì)。得州北部氣候條件與湖南相似、南部與廣州相似，總體來說比上海溫暖許多，同屬冬季溫暖，夏季炎熱的亞熱帶氣候，一般情況下夏季降溫用電需求遠(yuǎn)高于冬季采暖用電需求，通常冬峰負(fù)荷約為夏峰的85%。1月7日在超強(qiáng)寒潮的影響之下，全國(guó)17 個(gè)省級(jí)電網(wǎng)負(fù)荷創(chuàng)歷史新高，其中包括上海在內(nèi)的部分?。ㄊ校┦状纬霈F(xiàn)負(fù)荷冬峰超過夏峰的情況。課題組分析認(rèn)為，此次上海冬季負(fù)荷創(chuàng)新高雖然有特殊的背景原因，但其背后的影響因素及電源和電網(wǎng)呈現(xiàn)的特征都值得關(guān)注。

2.1 極端天氣疊加經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇大幅提升了電力需求

1月7日20∶30，上海刷新負(fù)荷峰值至3339萬kW，同比增長(zhǎng)38.4%，用電峰谷差達(dá)1484萬kW（峰谷差率44%），打破了去年8月14日創(chuàng)造的3312萬kW夏峰紀(jì)錄，并首次在冬季創(chuàng)造了上海市用電負(fù)荷的歷史新高。

95%的負(fù)荷增量來自采暖需求。自1996 年以來，上海寒潮較為罕見且持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)。今年元旦前全國(guó)大面積寒潮引發(fā)氣溫驟降，降溫幅度超過2015-2016年寒冬和2008年冰災(zāi)。截至2月20日，上海本次冬季寒潮（日最低溫度≤-5 ℃）天數(shù)共計(jì)為4 d，低溫日（日最低溫度≤0 ℃）達(dá)到10 d，寒潮天數(shù)突破歷史平均水平，其中1月8日最低氣溫為-8.9 ℃，創(chuàng)了30年來的最低點(diǎn)。在此輪寒潮影響下，本地采暖需求充分釋放，其中1月7日尖峰時(shí)刻的采暖負(fù)荷達(dá)到1600萬kW，占最高負(fù)荷的比例為48%，超去年同期20個(gè)百分點(diǎn)，超歷史均值25個(gè)百分點(diǎn)，基本與去年夏峰時(shí)的降溫負(fù)荷占比（49%）持平。

5%的負(fù)荷增量來自經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇。新冠疫情得到有效管控后，上海經(jīng)濟(jì)自去年二季度開始回暖，四季度更是實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)勁反彈。入冬后國(guó)外疫情加重促使大量境外訂單轉(zhuǎn)移國(guó)內(nèi)，制造業(yè)復(fù)蘇加快，電力需求大幅增長(zhǎng)，有力抬升了基礎(chǔ)負(fù)荷。一方面，工業(yè)領(lǐng)域用電增長(zhǎng)超預(yù)期。2020年，上海市工業(yè)用電累計(jì)增長(zhǎng)2.8%，創(chuàng)造了“十三五”以來的最高增速。12月，上海市工業(yè)總產(chǎn)值同比增長(zhǎng)10.8%，伴隨工業(yè)用電同比增長(zhǎng)9.3%。另一方面，新興產(chǎn)業(yè)逆勢(shì)增長(zhǎng)，充分挖掘用電潛力。前三季度上海新產(chǎn)業(yè)制造業(yè)部分產(chǎn)值增加7.9%，拉動(dòng)工業(yè)總產(chǎn)值2.4個(gè)百分點(diǎn)。數(shù)字經(jīng)濟(jì)、樓宇經(jīng)濟(jì)、數(shù)據(jù)中心、“互聯(lián)網(wǎng)+”等新業(yè)態(tài)、新模式發(fā)展火熱，帶動(dòng)信息傳輸、軟件和信息技術(shù)服務(wù)業(yè)增加值同比增長(zhǎng)15.1%，用電量同比大幅增長(zhǎng)32%。與此同時(shí)，充換電服務(wù)、鐵路運(yùn)輸設(shè)備制造和新能源車整車等擴(kuò)張迅速，用電量實(shí)現(xiàn)數(shù)倍增長(zhǎng)。

2.2 上海本地煤機(jī)和上海市外來電共同保障了電源側(cè)穩(wěn)定

冬峰與夏峰相比，上海本地電源的特征是燃?xì)鈾C(jī)組出力受限，新能源“看天吃飯”，煤機(jī)發(fā)揮托底作用。峰值時(shí)刻，上海本地機(jī)組出力2013萬kW（占比60%）、上海市外來電出力1326萬kW，（占比40%）。其中，煤機(jī)出力1484萬kW（接近滿負(fù)荷）、燃機(jī)出力433萬kW（出力率60%）、燃油機(jī)組出力31萬kW（出力率50%）、風(fēng)電出力65萬kW（出力率80%）。

在天然氣方面，冬季城市燃?xì)庥昧看蠓黾?，上游管道氣資源供應(yīng)不足使得部分燃?xì)鈾C(jī)組出力受限。在風(fēng)電方面，出力明顯高于歷史平均水平，且設(shè)備未受覆冰影響。在外來電方面，西南地區(qū)進(jìn)入冬季枯水期，水電出力低、調(diào)節(jié)能力不足，核電出力雖平穩(wěn)但總量較少。面對(duì)上述不利情況，上海電網(wǎng)通過跨區(qū)、跨省支援互濟(jì)機(jī)制，在國(guó)網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度和華東內(nèi)部協(xié)調(diào)下，反而比往年冬季平均水平多受電約350萬kW，增幅達(dá)到35%，有效緩解了電力不足。

2.3 個(gè)別大型居住區(qū)和大學(xué)城區(qū)域電網(wǎng)壓力較大

從反映供電能力充裕度的容載比數(shù)據(jù)來看，主網(wǎng)容載比與夏峰相當(dāng)，配網(wǎng)容載比相較夏峰有一定幅度下降，但仍滿足規(guī)范要求，因此冬峰期間上海電網(wǎng)輸配電能力整體較為充足。從反映分區(qū)負(fù)荷的變電站重載、過載情況來看，寶山顧村、浦東川沙等建成較早的大型居住社區(qū)，普陀桃浦、閔行古美等成熟住宅區(qū)以及松江大學(xué)城區(qū)域，變電站負(fù)荷壓力較大。特別是松江地區(qū)的冬峰負(fù)荷增長(zhǎng)最為迅猛，由于冬峰和夏峰分別處于學(xué)校未放假和已放假階段，因此形成了僅有冬峰的“單高峰”現(xiàn)象。

3 進(jìn)一步提升上海應(yīng)對(duì)極端狀態(tài)能力的啟示

在碳達(dá)峰、碳中和的大背景下，未來上海能源供需將發(fā)生結(jié)構(gòu)性調(diào)整，上海本地燃煤機(jī)組的定位、新能源的發(fā)展、電網(wǎng)的保障要求等都將產(chǎn)生相應(yīng)的變化，上海一方面要堅(jiān)定綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展的道路，另一方面也要充分關(guān)注轉(zhuǎn)型過程中內(nèi)、外部的潛在風(fēng)險(xiǎn)，提前做好謀劃。

3.1 密切關(guān)注氣候變化，提升響應(yīng)能力

全球日益變暖，原有的氣候模式被打破，極端天氣事件可能更頻繁出現(xiàn)已經(jīng)成為全球科學(xué)界的共識(shí)。上海應(yīng)充分研判極端氣候事件頻發(fā)特點(diǎn)，從以夏峰分析為主，轉(zhuǎn)為冬夏“雙峰”并重研究的新常態(tài)，重點(diǎn)關(guān)注夏峰不顯而冬峰高負(fù)載（單高峰）的電力設(shè)施和分布區(qū)域，細(xì)致梳理重載、過載原因，逐一制定預(yù)案對(duì)策，加強(qiáng)電力供應(yīng)安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、防控機(jī)制和能力建設(shè)，提升能源領(lǐng)域應(yīng)對(duì)氣候變化的能力。

3.2 多層面、多渠道提供靈活電力保障

區(qū)域?qū)用?，建立長(zhǎng)三角乃至華東地區(qū)的互?；?jì)機(jī)制，保障上海供電的平穩(wěn)有序。在上海市層面：一是研究形成覆蓋全市的輸、配、供一體化韌性電網(wǎng)，并在核心技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)體系方面形成突破；二是根據(jù)電力系統(tǒng)周、日負(fù)荷差異探索短期、超短期交易可行性，落實(shí)冬季穩(wěn)定外購電合同，確保冬季供電安全；三是積極開展實(shí)時(shí)需求側(cè)響應(yīng)（虛擬電廠）研究，通過市場(chǎng)機(jī)制引導(dǎo)，激發(fā)用戶側(cè)調(diào)節(jié)潛力，建立電力系統(tǒng)的新型調(diào)峰與備用資源；四是正確認(rèn)識(shí)煤機(jī)的作用，提高清潔利用水平，避免走妖魔化和唯煤炭安全論兩個(gè)極端；五是加強(qiáng)薄弱區(qū)域的基礎(chǔ)設(shè)施投入，提升保障能力。

3.3 鼓勵(lì)技術(shù)發(fā)展，強(qiáng)化能源科技創(chuàng)新

隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展，未來上海電網(wǎng)峰谷差可能進(jìn)一步拉大。為此，一方面應(yīng)加大儲(chǔ)能相關(guān)技術(shù)攻關(guān)，引導(dǎo)其參與可再生能源消納和電力系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻服務(wù)等科技前沿領(lǐng)域的布局，并在規(guī)?；瘧?yīng)用、優(yōu)化運(yùn)行和調(diào)度控制、性能評(píng)價(jià)和測(cè)試等方面推動(dòng)示范，另一方面發(fā)揮上海技術(shù)高地優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)碳捕捉、碳封存、綠色氫能等低碳和零碳前沿領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新。

4 總結(jié)與展望

美國(guó)得州雖然能源資源稟賦得天獨(dú)厚，但在本次寒潮危機(jī)中暴露出來的卻是包括基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、電網(wǎng)孤立無援、運(yùn)行管理混亂等系統(tǒng)性問題，數(shù)十萬人連續(xù)四天遭遇斷電、斷水、斷氣，全州進(jìn)入重大災(zāi)難狀態(tài)。反觀與之同屬冬季溫暖，夏季炎熱的亞熱帶氣候的上海，在今年年初的全國(guó)大范圍寒潮中平穩(wěn)度過，全市電網(wǎng)負(fù)荷連創(chuàng)歷史新高，并首次出現(xiàn)冬峰超越夏峰的情況。經(jīng)分析認(rèn)為，上海冬季負(fù)荷創(chuàng)新高既有極端天氣的影響，更有經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇對(duì)電力需求的大幅提升。近年來，全球極端氣象災(zāi)害頻發(fā)，未來氣候變化對(duì)于能源尤其是電力安全的挑戰(zhàn)不容小覷。在碳達(dá)峰、碳中和的大背景下，未來上海能源供需將發(fā)生結(jié)構(gòu)性調(diào)整，本地燃煤機(jī)組的定位、新能源的發(fā)展、電網(wǎng)的保障要求等都將產(chǎn)生相應(yīng)的變化。上海應(yīng)密切關(guān)注氣候變化，著力提升能源領(lǐng)域應(yīng)對(duì)能力，并從區(qū)域?qū)用婧腿袑用娑嗲捞峁╈`活電力保障，還應(yīng)鼓勵(lì)技術(shù)發(fā)展，強(qiáng)化能源創(chuàng)新策源功能。