美国得州进入“重大灾难状态”：寒流导致大停电，极端天气破坏电网成难题

受极地寒流影响，美国得克萨斯州部分地区 2 月 14 日夜间开始遭遇冬季风暴，造成大面积的冰冻、断水和停电，甚至一度出现全州 40% 电力供应中断的情况。当地时间 2 月 20 日，美国白宫发布声明，美国总统拜登已批准得克萨斯州进入“重大灾难状态”。

得州作为美国能源大州，为何会陷入这样的危机？新华社评论指出，除了罕见的极端天气外，电力部门准备不足、政府机构推卸责任以及得州的独立供电系统都是重要原因。2011 年得州就发生过同样的寒流造成的大停电，专家认为，得州政府明知严寒可能导致电力系统危机，却任由各私人电力公司决定是否对设备进行防冻改造，致使多数公司出于成本考虑并未进行改造。

在全球转向清洁能源的大背景下，这次事件也说明，设计电网时要充分考虑天气和气候对可再生能源的影响。例如，设计以天气数据驱动的新电网，以便更好地调控电力。

本文原载于《环球科学》2018 年第 8 期，原标题为《20 年后的智能电网》，微信发布版本有删改。

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撰文 彼得 · 费尔利（Peter Fairley）

翻译 张哲

哥伦比亚河峡谷（Columbia River Gorge）位于美国西北部，在这里，风力发电量的蓬勃增长代表了可再生能源取得的成功，但是，这也给人们敲响了警钟。工程师在峡谷上建设了数以千计的风电机组，发电量可供 200 万至 300 万户家庭使用。不过，这种零碳排放的能源却常常给管理美国西北部电网的博纳维尔电力管理局（Bonneville Power Administration）带来头疼的问题。天气变化会改变通过这片广阔区域的风向，从而导致发电量大幅波动，进而导致发电量波动。对博纳维尔电力管理局来说，这里的风电机组就像一个时开时停的核电站。

而每年春天，美国西北地区的大量水电厂的发电量都会激增，使得这个季节的电网管理工作更加艰难。融化的雪水注满了水库，因此水坝需要满负荷运转。因此，博纳维尔电力管理局会关闭风电机组，浪费一部分清洁能源。

能源咨询师贾斯廷 · 夏普（Justin Sharp）很了解这些情况，因为他参与过这项工程的建设。在攻读气象学博士时他就在研究西北地区的风。毕业后，他在伊比德罗拉可再生能源公司（Iberdrola Renewables）工作了 7 年，尝试用涡轮开发风力资源。如今，当地的风电机组已经接入博纳维尔的电网中。夏普称，开发者设计风力发电厂时追求成本最低、发电量最大，博纳维尔电力管理局则铺设输电线，把电力送往市场。但是，当时所有人都忽视了天气和气候的变化，这将对电网系统及其输送大量风电的能力产生巨大的影响。

同样的事情在全美不断重现。像夏普这样的专家希望，打算转向清洁电力的州、城市和企业有一天能够认真思考这些问题。如果日后建设清洁能源网络时继续忽视天气的多变性，电网将在未来变得更不稳定。“可再生能源和现有电网并不匹配，现在把二者强扭在一起，迟早会出事，”夏普说道。

要解决这个问题，就要设计以气象学为导向的天气智能型电网，并且建设可以解决天气多变性问题的输电线路。这样的系统能在北美输送大量电力，因此无论天气如何，都能把电能和用户连接起来。举个例子，有了这种系统，当美国中西部的明尼阿波利斯市没有风时，哥伦比亚河谷产生的多余电量就能输往该地，反之亦然。

割裂的电网

说实话，老天爷过去常常会给电网设计发出一些提示信息，只不过不容易察觉，美国能源部国家可持续能源实验室（简称 NREL）的电网系统分析组织负责人亚伦·布卢姆（Aaron Bloom）说道。热浪和寒潮会导致电网负荷激增。设计电网时要确保即便在最极端的天气下，电网仍可以正常输电。但风力和太阳能发电设备的快速增多，已经迫使电网设计者大幅提升电网应对天气变化的能力了，布卢姆说。与传统的火力、天然气以及核能发电机不同，风力机组和太阳能电池板受天气影响非常大，这对电网来说是个时时刻刻都在波动的变量。

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得克萨斯州和加利福尼亚州面临的困难就很有代表性。得克萨斯州的风力发电量居全美首位，装机量达 2 万兆瓦。不过发电量最大的时候却是晚上，这会导致电网在夜里电量过多。电力企业只有给大客户付钱，让他们消耗掉这些电力。虽然听起来很荒唐，但这么做的损失也比关掉风力发电设备要少。

加利福尼亚州风力充沛，也拥有全美最多的太阳能发电设备和光伏屋顶。每天清晨日出时，太阳能发电设备就会产生大量电能——有时甚至比电网能接纳的还多，但太阳一落山就没电了，此时消费者的用电量依然很大。2015 年那个冬天的极端天气就扰乱了这两个州的风力发电供给。当时，美国西海岸遭遇异常稳定的高压脊，使得前所未有的少风天气持续了数月之久。

由于全美的电网被划分成三片彼此独立的大区，因此一个州遇到麻烦时往往得不到其他州的帮助。这意味着每个区域都要独自应对天气变化。东部互联电网和西部互联电网这两个交流电网为美国和加拿大的大部分区域以及墨西哥的少部分区域输送电力，但这两个电网彼此间却几乎从不发生电力交易。而且，它们与得克萨斯州的交易更少， 因为后者有自己的交流电网。

美国本土电网分布情况。图片来源：https://www.epa.gov/greenpower/us-electricity-grid-markets  

由于风力和太阳能发电量加起来只占全美发电总量的 7.6%，因此消费者并没有感觉到可再生能源造成的麻烦正不断增加。电网中仍有数千家使用传统能源的发电厂，电网运营商可以通过增减他们的发电量来平衡可再生能源引发的波动。但是，可再生能源发电量的占比正迅速增加。加利福尼亚州要求可再生能源发电量比例在 2030 年前达到 50%（这还不包括大型水力发电站）；夏威夷打算最早于 2040 年就完全使用可再生能源。

只是，目前仅有少数电厂和电网运营企业正试着设计天气智能型电网，从而应对即将到来的风能和太阳能增长的浪潮。不过，应对这一挑战的工具也越来越多了。

天气大数据

NREL 的布卢姆带领的团队与爱荷华州立大学的詹姆斯·麦卡利（James McCalley）等专家合作，开展了名为 “无缝互联”（Interconnections Seam Study）的大型研究， 他们希望评估东西部电网的电力互通可能带来的优势。在这项研究中，他们首次使用了在时间和空间分辨率都大幅提高的数据集，因此模拟结果上升到了新的高度。NREL 的数据能够描绘全美范围内的天气和电力流动情况，每 5 分钟刷新一次。在绘制精度上，对风力发电机每 2 平方千米取一次数据，而对太阳能则是每 4 平方千米取一次数据。这样详细的数据对描绘复杂区域的风电变化非常关键。能预测不同高度的风速还使得 NREL 在任何地方都能选择最合适的风电技术。这样的模拟结果指出了一条经济、可靠的方式，能够在 2040 年前让可再生能源的发电量在美国（得克萨斯州除外）的占比增加到 54% 以上——远高于目前的比例。

在模拟中，连接东西部电网的方案有两种，一是沿着二者的交界处铺设若干大型直流输电线，二是铺设更长的从西海岸至中西部的直流电网，穿过东西部电网，同时加设一条从路易斯安娜州到佛罗里达州的主线路。之所以使用直流输电，是因为长距离输电时，直流电的电能损失比交流电小得多，在经济上更具可行性。NREL 的模型还确定了在哪里安装新的发电机，以及输电线路应当传输多少电能，从而更有效地利用整个增强后的输电系统。

从模型中我们还发现，有很多方式实现天气智能式的优化，比如增加风电机组类型的多样性，在更广阔的地区安装太阳能电池板，而不是只把它们放在风能或太阳能格外充沛的地方。在 NREL 能源建模师格雷格·布林克曼（Greg Brinkman）看来，如果能做到这些，可再生能源发电的持续性会更好，因此备用的传统发电机组量也会更少。他说，“应该利用自然环境的多样性”，从而在局部出现不同的天气状况时，相互补足维护电网的稳定。

尽管 NREL 的建模过程已经很精密了，但仍显示出了智能设计所面临的困难。比如说，为了把每次模拟所需的计算时间控制在“易于应对”的六七天内，麦卡利在建模时进行了若干简化。此外，NREL 还预先确定了直流输电线路的起止位置，但这样一来，模型并不总能同时优化发电机和输电线路。

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尽管如此，NREL 提供的初步结果表明，通过减少煤炭和天然气的使用，长距离直流输电每年可以节省 38 亿美元，是建设费用的 3 倍多。并且，如果设计时优化完全，直流输电线路越长，费用就越省，碳排放量就越少。

欧洲也希望在 2040 年前建成可再生能源电网。最近，有科学家通过模拟重新设计了欧洲的电网。结果表明，由于 NREL 对模型做了简化，模拟结果并没有完全反映出可再生能源的潜力。后来，欧洲电力传输系统运营商网络向 2030 年的预期模型中加入了风能、太阳能和其他新能源发电机组，直接将可再生能源发电量占比提升到了 75%。

欧洲电力传输系统运营商网络的专家随后提出了 2040 年电网的设想：通过扩大国家间的电力互联，缓解季节性能量流动带来的问题。最后，他们重新整合了原有发电机组的运行方式，以便更好利用重新设计的电网。经过这样的迭代优化后，可再生能源将在 2040 年的预期发电量占比中，提升到 80% 以上。

更好的算法

Vibrant 清洁能源公司首席执行官、独立研究者克里斯托弗 · 克拉克（Christopher Clack）称，他能把所有建模技术融合在一起，从天气数据中创造出更多价值。这家位于美国科罗拉多州博尔德市的公司主营电网建模和电力预测。克拉克曾在美国海洋和大气管理局工作过 4 年，在此期间他研发出了先进的天气驱动型电网算法。随后，他在 2016 年推出了名为 WIS:dom 的专有商用软件。

这款软件使用的数据分辨率和 NREL 的一样高，不过用法不太一样。克拉克称，他们可以给可再生能源创造更多机会。近期，他在分析了美国大型电网后构建了一套系统，在这套系统中，到 2040 年时，美国可再生能源发电量的占比将达到 62%，比 NREL 的最新预测高 20%。模拟电网的输电成本也比目前低 10%。克拉克称，如果节省下来的资金能重新投入输电系统的建设，他的模型能把可再生能源的占比提高至 67% 以上，预期实现的时间也可以比 2040 年提早更多。

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克拉克认为，WIS:dom 之所以能从天气数据中发掘出更多信息，原因在于它同时优化了发电机组和输电线路——尤其是长距离直流输电线路，而不是像 NREL 那样预先固定线路。该模型还利用了全美范围内可再生能源发电机组的波动情况，从而可以更好地平衡不同地区的风力和太阳能发电情况。比如，到了晚上，得克萨斯州的风力发电量会上升，正好可以弥补东海岸海上风能的不足，因为在东海岸，白天的风量更大。

麦卡利承认，由于自身限制，NREL 的模型可能会遗漏部分可能性，不过他怀疑自己做的简化是否会导致这么大的不同。

克拉克称，他的模型“只需”两天就能得出优化过的电网规划。一些专家称，他的整合模型或许是天气智能设计领域中的一个突破。“毫无疑问，他的模型效率更高，”NextEra 能源公司可再生能源政策方面的副总裁马克·阿尔斯特伦（Mark Ahlstrom）说道。不过，WIS:dom 的效果还未得到证实。阿尔斯特伦、布卢姆和其他等专业人士都希望能更深入地理解软件背后的原理，从而证实其可靠性。

阻力

夏普和其他能源开发商试图劝说电网公司及美国气象学会之类的科学团体，让他们重视天气智能规划。这些能源开发商还说，政界和行业领袖必须宣传直流输电，从而克服行业所面对的阻力。美国各州对可再生能源的诉求，正在推动电网运营商铺设交流输电线，以便接入风力和太阳能发电设备。但只有少量的美国企业在铺设长距离直流输电线，用以跨区域输送可再生能源产生的电力。而欧洲、中国都在这么做。

然而，美国人不愿意在自家门口铺设高压线。另外，电池存储等“不需要电线”的解决方案已经成为电力投资的热门领域。昂贵的大型电池组坐落于需要使用电力的地方，它们可以存储过量电能（电能足够在阴天、无风的日子用上几天）。但是，一旦遇上类似 2015 年西部严重缺少风能的极端事件，电池也无能为力。“电池没法把夏天的电能存储起来供冬天使用，”夏普说道。

在美国，要让长距离的直流输电网络相互连通，更大的障碍或许是地区间的利益冲突。为了保护本州的发电企业，当地官员通常会阻碍大型输电线路的建设，因为这些线路会引入外部的电源。正如 NREL 的分析所指出的那样，如果能有一个可供各州间进行电力交易的系统，或许可以减少发电厂的数量。尽管这样做可以减少整体成本，“但有很多可以自给自足的人并不希望电力成本下降，”带领团队设计了直流输电网络的戴尔 · 奥斯本（Dale Osborn）哀叹道，“他们要自己发电，即便这样更贵”。

克拉克说，高压直流电在美国的前景非常暗淡。客户一般都会要求他在研究时把这条方案直接排除，这使得 WIS:dom 不得不规划距离短、数量更多的交流线路。此外，如果不采用直流输电却又保持成本不变，传统发电厂的数量不会减少，原本二氧化碳减排一半的优势也泡汤了。

美国政府的态度将发挥关键作用。奥巴马政府时期的能源部长欧内斯特 · 莫尼兹（Ernest Moniz）曾动用行政权力征收土地，从而建设对美国很重要的直流输电线。这项工程希望把俄克拉荷马州多余的风电输送到美国中南部和东南部的市场。而特朗普政府时期的美国能源部长里克 · 佩里（Rick Perry）的政策是保护火力发电厂，他认为增加火电厂随时可用的煤炭存量能让电网在面对极端天气时更稳定。不过专家指出，堆放在一起的煤遇到寒潮会被冻结，遇到暴风雨又会受潮，这都会导致发电厂停工。

如今，现任美国总统拜登宣布重返被特朗普退出的《巴黎协定》，并承诺“到 2035 年，通过向可再生能源过渡实现无碳发电；到 2050 年，让美国实现碳中和”。如果美国未来采取更加积极的能源政策，那么电力调配问题或许将得到更好的解决。

参考文献

1. Transmission Upgrades & Expansion: Keys to Meeting Large Customer Demand for Renewable Energy. David Gardiner and Associates. Wind En- ergy Foundation, January 2018.

2. National Renewable Energy Laboratory’s Interconnections Seam Study:www.nrel.gov/analysis/seams.html 

3. How to Build the Supergrid. Matthew L. Wald; November 2010.

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