中國儲能網訊：2024年夏季，美國東部大部地區(qū)、南部沿海和西部局部地區(qū)均出現(xiàn)有歷史記錄以來的極高氣溫，猶他州、亞利桑那州、新墨西哥州等地均陷入“高溫炙烤”中，持續(xù)增加的負荷給電力系統(tǒng)安全可靠運行帶來極大挑戰(zhàn)。美國能源部（DoE）、美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）、美國聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會（FERC）、北美電力可靠性公司（NERC）等部門和機構分別從美國夏季天氣情況、電力負荷、裝機容量、輸電線路設施等方面進行綜合研判，提出增強區(qū)域電力可靠性的相關建議。這些研究和建議也可能為我國“迎峰度夏”期間的電力保供提供參考和借鑒。
一、美國夏季天氣情況分析
極端高溫席卷美國大部，電力供應風險顯現(xiàn)。根據(jù)美國國家海洋和大氣管理局預測，2024年7月—9月，美國大部分地區(qū)氣溫將高于歷史同期（1991—2020年）水平。其中，猶他州、亞利桑那州中東部地區(qū)、新墨西哥州西南部地區(qū)、路易斯安娜州南部地區(qū)夏季氣溫高于歷史同期概率超過70%；愛達荷州、科羅拉多州、得克薩斯州南部地區(qū)、佐治亞州、南卡羅萊納州、北卡羅萊納州東部地區(qū)、紐約州、緬因州大部地區(qū)夏季高溫高于歷史同期概率超過50%。受此影響，預計美國中西部、西南部、東北部等地區(qū)或面臨電力供應不足風險。
圖1：2024年美國夏季高溫天氣覆蓋區(qū)域
來源：美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）下屬國家氣象服務預測中心
降水量較歷史同期偏少，水電出力不足。2024年夏季期間，美國大部分地區(qū)降水量較歷史同期偏少或趨同。其中，猶他州和亞利桑那州東南部地區(qū)、科羅拉多州和新墨西哥州西部地區(qū)降水量較歷史同期偏少概率為60%，愛達荷州、蒙大拿州、懷俄明州、內華達州東部地區(qū)降水量較歷史同期偏少概率為40%，華盛頓州、俄勒岡州、加利福尼亞州中北部地區(qū)、明尼蘇達州、威斯康星州、艾奧瓦州、密蘇里州降水量與歷史同期趨同。除上述區(qū)域外，佛羅里達州降水量超過歷史同期概率為70%，佐治亞州、南卡羅萊納州、北卡羅萊納州、賓夕法尼亞州西部沿海地區(qū)降水量超過歷史同期概率為50%。受此影響，美國多地水庫出現(xiàn)“死水位”，水電機組出力受到較大影響。其中，東部、西部電力運營商經營區(qū)域內的水電機組頂峰出力分別只能達到正常值的76%、56%，南部得州電力可靠性委員會經營區(qū)域的水電機組出力約為正常值的78%。
圖2：2024年美國夏季降水覆蓋區(qū)域
來源：美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）下屬國家氣象服務預測中心
“厄爾尼諾-南方濤動現(xiàn)象（ENSO）”對電力基礎設施造成較大影響。預計2024年夏季美國出現(xiàn)ENSO現(xiàn)象可能性有所增加（概率約為69%）。受此影響，今夏美國或有23場風暴登陸墨西哥灣、加勒比海地區(qū)沿岸（其中7場成為颶風級別），這將會對原油和天然氣供應鏈運輸以及輸電基礎設施造成較大影響。
二、美國電力負荷區(qū)域和夏季供需形勢
（一）美國電力負荷區(qū)域
根據(jù)北美電力可靠性公司（NERC）電力負荷區(qū)域劃分，美國境內主要包括西部電力協(xié)調委員會（WECC）所屬的WECC-NWPP-US&RMRG、WECC-CA/MA、WECC-SRSG子區(qū)域；東北電力協(xié)調委員會（NPCC）所屬的Maritimes、New England、New York子區(qū)域；PJM獨立系統(tǒng)運營商所屬區(qū)域；國家電力監(jiān)管委員會（SERC）所屬東部、中部、東南部、佛羅里達州四個子區(qū)域；得州電力可靠性委員會（ERCOT）所屬的Texas RE子區(qū)域；西南電力聯(lián)營公司(SPP)所屬區(qū)域；中部大陸獨立系統(tǒng)運營商（MISO）所屬區(qū)域等。
圖3：NERC電力負荷區(qū)域劃分示意圖
來源：北美電力可靠性公司（NERC）
（二）電力供需形勢分析
以下從電力裝機、電力負荷、用電量、批發(fā)電價、輸電基礎設施等方面對相關區(qū)域進行綜合研判。
圖4：美國電力系統(tǒng)運營商累計裝機量示意圖
來源:美國能源信息署（EIA）數(shù)據(jù)集（EIA-Form 860M）
電力累計裝機方面。2024年夏季期間，美國電力累計裝機約為12.07億千瓦，較2023年同期增加4000萬千瓦。按照類型看，天然氣發(fā)電裝機占總裝機容量的比重約為42%（其中具有快速調頻和爬坡功能的簡單循環(huán)天然氣發(fā)電機組占比79%，其余為聯(lián)合循環(huán)天然氣發(fā)電機組），而燃煤發(fā)電、風能發(fā)電、太陽能發(fā)電和水力發(fā)電裝機占比分別為14%、13%、10%、8%。按照區(qū)域看，國家電力監(jiān)管委員會所轄區(qū)域裝機最高達24600萬千瓦（總規(guī)模位居各區(qū)域/獨立電力運營商之首），其中天然氣發(fā)電占比約為51%，煤電和核電占比分別約為17%、12%；PJM獨立系統(tǒng)運營商所轄區(qū)域裝機為20400萬千瓦，其中天然氣發(fā)電、煤電以及核電占比分別約為47%、17%、16%；中部大陸獨立系統(tǒng)運營商所轄區(qū)域裝機規(guī)模為18100萬千瓦，其中天然氣發(fā)電、煤電、風電占比分別約為39%、24%、17%；西部電力協(xié)調委員會所轄區(qū)域裝機規(guī)模為16900萬千瓦，其中天然氣發(fā)電、水電、風電占比分別約為28%、26%、15%；得州電力可靠性委員會所轄區(qū)域裝機為15200萬千瓦，其中天然氣發(fā)電、風電、太陽能發(fā)電占比分別約39%、26%、17%；西南電力聯(lián)營公司、加州獨立系統(tǒng)運營商(CAISO)、紐約州獨立系統(tǒng)運營商(NYISO)、新英格蘭獨立系統(tǒng)運營商(ISO-NE)所轄區(qū)域裝機規(guī)模分別為9700萬千瓦、8300萬千瓦、4100萬千瓦、3400萬千瓦，分列第6—9位。
圖5：美國電力系統(tǒng)運營商新增裝機量示意圖
來源:美國能源信息署（EIA）數(shù)據(jù)集（EIA-Form 860M）
電力新增裝機方面。預計2024年夏季期間，美國得州電力可靠性委員會所轄區(qū)域新增裝機約為2010萬千瓦，新增規(guī)模位居首位。西部電力協(xié)調委員會、加州獨立系統(tǒng)運營商、國家電力監(jiān)管委員會、PJM獨立系統(tǒng)運營商所轄區(qū)域新增裝機量分別約為910萬千瓦、890萬千瓦、640萬千瓦、580萬千瓦，位居第2—5位。中部大陸獨立系統(tǒng)運營商、西南電力聯(lián)營公司、紐約州獨立系統(tǒng)運營商、新英格蘭獨立系統(tǒng)運營商，所轄區(qū)域新增裝機分別約為510萬千瓦、270萬千瓦、80萬千瓦、50萬千瓦，位列第6—9位。預計2024年夏季，新增裝機規(guī)模最大的單體項目包括：馬薩諸塞州80萬千瓦葡萄園風電場1號項目、紐約州13萬千瓦南?？孙L電場項目、加利福尼亞州224萬千瓦暗黑峽谷核電站1號和2號項目、西南電力聯(lián)營公司的60.4萬千瓦陸上風電項目、PJM電力系統(tǒng)運營商57.7萬千瓦黑松鼠太陽能發(fā)電項目等。預計2024年夏季，儲能新增裝機規(guī)模將達680萬千瓦，全年累計裝機量或突破1220萬千瓦，較去年增加約2.25倍；其中，加州獨立系統(tǒng)運營商、得州電力可靠性委員會、PJM獨立系統(tǒng)運營商、新英格蘭獨立系統(tǒng)運營商、紐約州獨立系統(tǒng)運營商所轄區(qū)域儲能累計裝機將分別達510萬千瓦、450萬千瓦、51萬千瓦、33萬千瓦、20萬千瓦。
圖6：美國電力系統(tǒng)運營商儲能裝機量示意圖
來源:美國能源信息署（EIA）數(shù)據(jù)集（EIA-Form 860M）
電力退役機組方面。預計2024年夏季期間，美國將有約330萬千瓦老舊機組退出運行。按照區(qū)域看，中部大陸獨立系統(tǒng)運營商所轄區(qū)域退出老舊煤電機組、天然氣發(fā)電機組分別約為190萬千瓦、40萬千瓦；國家電力監(jiān)管委員會所轄區(qū)域退出天然氣發(fā)電、煤電、燃油發(fā)電機組分別約為80萬千瓦、60萬千瓦、30萬千瓦；新英格蘭獨立系統(tǒng)運營商退出天然氣發(fā)電機組約為140萬千瓦；PJM獨立系統(tǒng)運營商退出煤電、天然氣發(fā)電機組分別為75萬、55萬千瓦；加州獨立系統(tǒng)運營商退出天然氣發(fā)電機組80萬千瓦等。
電力負荷方面。2024年夏季期間，美國最大電力負荷將達7.719億千瓦，同比增加320萬千瓦，增幅約為0.41%。按照區(qū)域看，國家電力監(jiān)管委員會、PJM獨立系統(tǒng)運營商、美國得州電力可靠性委員會、西南電力聯(lián)營公司所轄區(qū)域最大電力負荷約為1.8億千瓦、1.4億千瓦、7000萬千瓦、5100萬千瓦，較2023年有較大增長；中部大陸獨立系統(tǒng)運營商、東北電力協(xié)調委員會所轄區(qū)域（包括新英格蘭和紐約州）最大電力負荷分別約為1.2億千瓦、5050萬千瓦，增長幅度趨緩；西部電力協(xié)調委員會（WECC-US）所轄區(qū)域最大電力負荷為1.4億千瓦，同比有小幅回落。按照增幅看，西南電力聯(lián)營公司、得州電力可靠性委員會、中部大陸獨立系統(tǒng)運營商、國家電力監(jiān)管委員會東南區(qū)域（SERC-Southeast）、中部區(qū)域（SERC-Central）、東部區(qū)域（SERC-East）最大裝機增幅分別為7.8%、5.2%、1.9%、6.8%、4.7%、1.6%。
圖7：美國電力系統(tǒng)運營商騰退機組容量示意圖
來源:美國能源信息署（EIA）數(shù)據(jù)集（EIA-Form 860M）
用電量方面。受高溫天氣持續(xù)、經濟增速回升、大型數(shù)據(jù)中心投建等因素影響，預計2024年夏季美國全社會用電量將達14870億千瓦時，較2023年夏季以及2020—2023年歷史均值分別增加397.5億千瓦時、621億千瓦時，增幅分別為2.7%、4.4%。按照區(qū)域看，預計今夏美國大部分地區(qū)用電量增速或大于歷史同期，但是西南區(qū)域（得克薩斯州、俄克拉荷馬州、阿肯色州和路易斯安那州）用電量將較去年有小幅回落（約40.5億千瓦時）；從供需趨勢看，極端高溫天氣疊加發(fā)電機組非計劃停運、輸電線路故障（野火頻發(fā)、颶風登陸）、電網互聯(lián)線路容量不足、可再生能源出力波動性大等外部不確定因素，預計今夏美國國內電力供需趨勢呈現(xiàn)適度偏緊局面。
圖8：美國夏季各區(qū)域最大電力負荷示意圖
來源:北美電力可靠性公司（NERC）
電力批發(fā)價格方面。預計今夏美國電力系統(tǒng)運營商所轄區(qū)域電力市場批發(fā)價格集中在3.4—4.9美分/千瓦時。其中，美國中部大陸獨立系統(tǒng)運營商所轄區(qū)域電力市場批發(fā)電價約為4美分/千瓦時，基本與歷史同期持平；新英格蘭獨立系統(tǒng)運營商、PJM電力系統(tǒng)運營商、紐約州獨立系統(tǒng)運營商所轄區(qū)域電力市場批發(fā)電價分別從去年的4.0美分/千瓦時、4.1美分/千瓦時、3.7美分/千瓦時增至4.9美分/千瓦時、4.5美分/千瓦時、3.9美分/千瓦時,增幅分別約為22%、9.7%、5.4%。美國得州電力可靠性委員會、加州獨立系統(tǒng)運營商所轄區(qū)域電力市場批發(fā)電價分別從去年的16.9美分/千瓦時、5.7美分/千瓦時降至3.5美分/千瓦時、3.4美分/千瓦時，降幅分別為79%、40%。報告指出，美國電力市場批發(fā)價格主要受天然氣價格、燃料供應、電力需求變化等因素影響；其中，美國國內天然氣發(fā)電廠數(shù)量眾多且裝機規(guī)模巨大，其發(fā)電成本作為邊際成本對電力市場批發(fā)價格影響最大。
圖9：美國夏季電力批發(fā)價格分布區(qū)間圖
來源:美國能源信息署（EIA）短期能源展望報告
輸電設施方面。為緩解夏季用電高峰緊張局面及匹配負荷增長需求，各區(qū)域運營商自去年起陸續(xù)新建及擴容一批輸電線路項目，擬于2024年夏季新增投運3218千米大容量輸電線路（BPS），其中138千伏輸電線路約1126千米。按照區(qū)域看，得州電力可靠性委員會擬新增投運輸電線路約965千米，包括345千伏輸電線路Edinburg-Tiempo（約125千米）、Lobo Fowlerton（110千米）、Lobo SanMiguel Second Circuit（102千米）、Scheenman Draw Big Hill（94千米）等；PJM電力電力系統(tǒng)運營商擬新增投運輸電線路885千米，包括345千伏輸電線路Cardinal-Hickory Creek（164千米）、230千伏輸電線路Lanexa-Northern Neck（127千米）；加州獨立系統(tǒng)運營商新建輸電線路項目包括500千伏Eldorado Lugo Mohave（373千米）、Ten West Link（183千米）等。
圖10：美國計劃投運輸電項目（按電壓等級劃分）
來源：美國C Three Group公司輸配電數(shù)據(jù)庫
三、可靠性模型和相關結論
本文采用NERC正常情景和極端情景兩種模型對上述相關區(qū)域供電可靠性（概率風險值）進行評估。其中，正常情景是指上述所有地區(qū)/子地區(qū)在夏季的天氣狀況（平均地表溫度、降水量）與歷史同期趨同，電力系統(tǒng)機組出力平穩(wěn)、儲備容量充裕的情景。極端情景是指上述所有地區(qū)/子地區(qū)在夏季可能發(fā)生極端天氣事件（高溫、干旱、洪澇、颶風、雷暴、山火等），導致機組出力受阻、線路阻塞、容量裕度不足等情況發(fā)生的情景。結果表明，在正常情景下，美國大部分地區(qū)的電力供應可靠性和安全裕度較高（系統(tǒng)頻率、重要斷面潮流、中樞點電壓、旋備容量等運行指標滿足要求）；在極端情景下，中部大陸獨立系統(tǒng)運營商(MISO)、得州電力可靠性委員會（ERCOT）、新英格蘭獨立系統(tǒng)運營商(ISO-NE)、西部電力協(xié)調委員會（WECC）或面臨可再生能源（風能、太陽能等）機組出力不足、歷史性高停電率、電力供應短缺風險。對此，美國監(jiān)管機構提出三方面科學應對措施。
加強日常運營監(jiān)管，取消非關鍵線路設施運維。美境內各區(qū)域輸電系統(tǒng)運營商應當加強日常運營監(jiān)視管理，科學安排運行方式，保持合理網架強度與安全裕度，當發(fā)生極端天氣事件時，區(qū)域輸電系統(tǒng)運營商可通過“取消或推遲非關鍵發(fā)電或輸電設備/線路維護、鼓勵企業(yè)和居民采取節(jié)電措施”等措施緩解電力短缺問題。
建立緊急協(xié)調機制，實施能源緊急警報措施。當發(fā)生極端天氣事件且系統(tǒng)條件“充分惡化”（超過電力系統(tǒng)備用容量裕度），電力監(jiān)管機構將發(fā)布“能源緊急警報（EEA）”，以允許系統(tǒng)運營商調用各種僅在短缺條件下可用的額外資源，包括啟動緊急需求響應措施和增加從鄰近地區(qū)進口的電量等。
擴大需求側響應規(guī)模，降低高峰期間用電負荷。各區(qū)域輸電系統(tǒng)運營商應當不斷擴大需求側響應規(guī)模，以有效緩解夏季短時用電高峰問題。數(shù)據(jù)顯示，2022年夏季，美國中部大陸獨立系統(tǒng)運營商、PJM獨立系統(tǒng)運營商、加州獨立系統(tǒng)運營商、得州電力可靠性委員會、紐約州獨立系統(tǒng)運營商、新英格蘭獨立系統(tǒng)運營商、西南電力聯(lián)營公司需求側響應規(guī)模分別為1239萬千瓦、1059.5萬千瓦、395.6萬千瓦、356.2萬千瓦、148.3萬千瓦、57.3萬千瓦、36.2萬千瓦，占高峰期用電需求的比重分別為10.2%、7.3%、7.6%、4.4%、4.9%、2.3%、0.7%。
注釋：
厄爾尼諾（El Ni?o）/拉尼娜（La Ni?a）是赤道中東太平洋地區(qū)每隔2-7年發(fā)生的海表溫度升高/降低現(xiàn)象，而南方濤動（Southern Oscillation）則為厄爾尼諾/拉尼娜發(fā)生時伴隨的東西太平洋氣壓反相振蕩情況。由于兩者具有密切關聯(lián)性，氣象學家常將二者合稱為“厄爾尼諾-南方濤動（ENSO）”現(xiàn)象，其突出表現(xiàn)是可能會引發(fā)強對流或極端風暴天氣。
