中國儲能網訊：進入冬季，美國電網應對惡劣天氣的能力再次引發(fā)民眾的擔憂。據新華社消息，1月3日，美國東部多州遭遇暴風雪襲擊，造成至少5人死亡，數(shù)十萬用戶斷電，情況最嚴重的弗吉尼亞州在3日當晚21時有超過34萬用戶未恢復供電。根據1月11日美國?？怂剐侣劸W消息，受到疫情與冬季惡劣天氣影響，美國各地超市出現(xiàn)嚴重物資短缺，囤積必備物資成為很多美國家庭最近的頭等大事。
自從2021年2月發(fā)生得克薩斯州大停電以來，美國多家科研機構圍繞提升電網可靠性進行了研究探討，針對美國電網存在的基礎設施老化、配電系統(tǒng)可靠性差等問題，提出了不同的解決方案。
電網基礎設施投資不足
2021年，美國土木工程師協(xié)會（ASCE）將美國能源系統(tǒng)評為“C-”級，認為電網系統(tǒng)尤其脆弱，并在報告中指出：“美國全國大部分電網都在老化，其中一些部件已經使用了超過一個世紀——遠遠超過了它們50年的預期壽命，另外一些部件，包括70%的輸配電線路，也已經進入了壽命末期?！?
報告指出了美國電網存在的問題，認為其電力供應依賴于老化發(fā)電設施的復雜拼湊。在美國，主干電力傳輸路線超過60萬英里（其中24萬英里的線路為高壓線路或者超過230千伏線路），地方配電線路為550萬英里，負責為客戶提供安全、可靠、經濟高效的電力服務。
根據報告統(tǒng)計，美國配電系統(tǒng)的可靠性差，在由惡劣天氣、基礎設施老化、惡意破壞等事件引發(fā)停電中，92%是配電系統(tǒng)故障。過去幾年中，美國輸配電系統(tǒng)和電網可靠性投資有所增加，停電情況略有好轉。美國高壓輸電的年度支出從2012年的156億美元增加到2017年的219億美元，配電系統(tǒng)的支出在過去二十年中增加了54%，但仍遠遠不夠。
ASCE認為美國電網還面臨著一些低概率威脅——例如地磁脈沖，雖然極少發(fā)生，但一旦發(fā)生就會對公共安全和經濟產生重大影響。此外，網絡攻擊導致的停電事件不可忽視。2014~2018年，電網運營商向美國能源部報告了17起疑似網絡攻擊，但經過調查分析表明，只有4起事件與網絡安全有關，而且沒有造成任何停電事件。
為應對此類情況，美國能源部發(fā)布了一份關于網絡安全戰(zhàn)略的計劃，旨在加強電網恢復能力、強化國家能源基礎設施的網絡安全。
惡劣天氣是造成輸電中斷的主因
盡管美國各公用事業(yè)公司不斷采取積極措施增加電網彈性，但天氣狀況依然是一個日益嚴重的威脅。根據美國能源信息署2014~2018年報告的638次輸電中斷事件統(tǒng)計，惡劣天氣被列為主要原因。
近日，由北卡羅萊納州立大學研究人員主導的兩項新研究發(fā)表在《地球未來》雜志上，研究預測了美國西海岸電力消費者在兩種不同情景下可能會經歷的情況：一種是氣候變化導致天氣過于炎熱；另一種是氣候遵循歷史趨勢，但電網系統(tǒng)轉向更多的可再生能源。在這兩種情況下，電力成本和可靠性容易受到極端天氣的影響。
北卡羅萊納州林業(yè)和環(huán)境資源助理教授喬丹·科恩表示：“氣候變化和極端天氣事件對電網的影響，主要以干旱和熱浪的形式出現(xiàn)，這讓情況變得更糟。即使西海岸電網從化石燃料轉向風能和太陽能，這些極端天氣事件仍將影響電網系統(tǒng)可靠性和電力價格?！?
西北大學的研究人員認為，通過減輕發(fā)電機頻率偏差可以穩(wěn)定電網。由西北大學物理學家艾迪爾森·莫特領導的團隊對美國和歐洲的幾個電網進行了研究，與普通發(fā)電機組相比，以不同頻率運行的發(fā)電機在遇到停電障礙時會更快地恢復到正常狀態(tài)。這一發(fā)現(xiàn)可能對未來的電網設計產生影響，研發(fā)人員正在努力優(yōu)化技術并考慮進一步整合當前分離的電網。
東西部可聯(lián)手構建“宏電網”
根據愛荷華州立大學的統(tǒng)計，目前，美國東西部電網有7條線路連接，具有1320兆瓦的電力處理能力。但相對于美國兩大電網的發(fā)電裝機來說（東部電網70萬兆瓦，西部電網25萬兆瓦），這1320兆瓦的輸送能力并不算高。
早在2016年1月，美國能源部就宣布耗資2.2億美元啟動電網現(xiàn)代化，東西部電網連接作為計劃中的一部分，目前進展緩慢。2021年2月美國得克薩斯州大停電再次引發(fā)了業(yè)內對于構造大電網的討論。西北大學的研究人員在2021年4月發(fā)布的研究中表示，雖然尚不清楚美國電網的整合能否完全消除停電事故，但得州無法跨州跨界“進口”大量電力是此次停電的決定性因素。
愛荷華州立大學的研究人員對美國東西部電網連接的收益進行了研究，認為構造“宏電網”的成本收益比可高達1比2.5，即每投資1美元可得到2.5美元的收益。“宏電網”可以幫助滿足美國不同地區(qū)彼此的高峰用電需求，還擁有更好的應對極端天氣的能力。愛荷華州立大學電力系統(tǒng)工程系教授詹姆斯·麥卡利表示：“當極端天氣來臨時，比如2020年8月吹過愛荷華州的德雷科風暴，或者是2021年2月導致得克薩斯州大停電的冰災天氣，‘宏電網’都可以有效應對。我們可以非常簡單地從其他地區(qū)獲得電力援助，各州電網都是互聯(lián)的。”
雖然這項研究量化了“宏電網”在美國的價值，但麥卡利表示，要真正建成它還面臨很多挑戰(zhàn)。除了成本之外，政策制定者需要更明確的支持政策。ASCE認為，未來幾年，美國需要新增輸配電基礎設施，規(guī)劃智能電網以提高可靠性，從而適應可再生能源的增長及電源的分散性。
