中國儲能網(wǎng)訊：今夏高溫炙熱下，北美電力系統(tǒng)正面臨一場“大考”。北美電力可靠性協(xié)會（NERC）、美國能源信息署（EIA）與美國能源部（DOE）最新研究[1]顯示，2025年夏季，北美大容量電力系統(tǒng)（BPS）覆蓋區(qū)域的用電需求將同比增加約1000萬千瓦，用電壓力持續(xù)攀升。與此同時，多重不利因素正層層疊加：常規(guī)發(fā)電容量加速退役、靈活電力資源儲備不足、設(shè)備老化問題日益凸顯，再加上極端高溫、干旱、野火等災(zāi)害天氣頻發(fā)，電力設(shè)備安全運行備受威脅。此外，大型變壓器交付周期拉長、天然氣供應(yīng)缺口擴大、含逆變器電力電子設(shè)備（IBR）參數(shù)配置異常等問題，也將進一步削弱機組頂峰出力能力，給電力系統(tǒng)可靠運行埋下隱患。
本文根據(jù)前述相關(guān)研究，系統(tǒng)梳理了北美電網(wǎng)當(dāng)前面臨的嚴(yán)峻形勢，并試圖針對這些挑戰(zhàn)提出可行的應(yīng)對舉措，為提升電網(wǎng)氣候韌性、保障極端條件下電力穩(wěn)定供應(yīng)提供解決方案。
01
多重因素加劇北美夏季供電壓力
北美電力可靠性評估區(qū)域[2]是一張覆蓋六大核心區(qū)域的“電力安全網(wǎng)”，主要涵蓋北美電力可靠性協(xié)會（NERC）和六大區(qū)域?qū)嶓w（RE），包括中西部可靠性組織（MRO）、東北電力協(xié)調(diào)委員會（NPCC）、可靠性優(yōu)先組織（RF）[3]、東南部電力可靠性委員會（SERC）、德州可靠性組織（Texas RE）、西部電力協(xié)調(diào)委員會（WECC）所轄電力市場區(qū)域。相關(guān)區(qū)域相互聯(lián)動，共同構(gòu)成北美電力系統(tǒng)的“安全屏障”，其可靠性運行情況直接關(guān)系到數(shù)千萬用戶的夏季用電體驗。
圖1：北美電力可靠性評估區(qū)域
根據(jù)EIA、DOE、WECC、NERC等機構(gòu)的研究 ，北美電力可靠性受“高溫干旱氣候、機組退役加速、供應(yīng)鏈延遲、燃料階段性短缺”等綜合因素影響，局地或出現(xiàn)電力短缺情況。
（一）天氣與環(huán)境：極端災(zāi)害成為電力系統(tǒng)的“頭號威脅”
極端天氣多發(fā)、頻發(fā)、強發(fā)或?qū)﹄娏υO(shè)備可靠運行和機組平穩(wěn)出力造成顯著影響。今年夏季期間，極端高溫大范圍蔓延，美國大部分地區(qū)夏季氣溫高于常年平均水平。其中，西部的內(nèi)華達州、猶他州和新墨西哥州大部地區(qū)、亞利桑那州東北部、俄勒岡州和愛達荷州南部，以及東北部的紐約州、賓夕法尼亞州、新澤西州、康涅狄格州大部地區(qū)將出現(xiàn)異常高溫的風(fēng)險（概率大于70%）。而緬因州、新罕布什爾州、馬薩諸塞州、佛蒙特州局地將出現(xiàn)歷史極端高溫的風(fēng)險（概率大于80%）。加拿大馬尼托巴省東北部、安大略省北部、紐芬蘭與拉布拉多省西部以及愛德華王子島省、新斯科舍省、新不倫瑞克省局地也將有極端高溫（概率超80%）。
除了持續(xù)高溫增加電力設(shè)備穩(wěn)定運行風(fēng)險，氣候環(huán)境還在以下方面為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行帶來挑戰(zhàn)。
干旱導(dǎo)致水電“掉鏈子”。美國中西部地區(qū)降水或低于常年均值，其中，西部的懷俄明州、南達科他州和內(nèi)布拉斯加州大部地區(qū)將出現(xiàn)極低降水（概率大于50%）。而愛達荷州、猶他州、科羅拉多州、北達科他州等地區(qū)降水也將偏少（概率大于40%）。加拿大愛德華王子島省、新斯科舍省、新不倫瑞克省中東部地區(qū)降水少于歷史同期（概率大于50%）。低水位或?qū)⒂绊懰姍C組運營，需擴大天然氣發(fā)電和需求側(cè)響應(yīng)以彌補供電缺口。
野火阻斷輸電“生命線”。美國西部電網(wǎng)互聯(lián)區(qū)域以及加拿大馬尼托巴省、不列顛哥倫比亞省等區(qū)域野火發(fā)生概率居高不下。截至8月底，加拿大全國野火過火面積已超7.3萬平方公里，是過去十年同期的兩倍多[4]。野火不僅會導(dǎo)致輸電線路停運、風(fēng)光發(fā)電受限，更嚴(yán)重的是，美國西北部偏遠水電站的輸電線路一旦被破壞，修復(fù)需數(shù)周至數(shù)月，將造成長期供電缺口。
圖2：美國8—10月溫度預(yù)測情況
圖3：加拿大8—10月溫度預(yù)測情況
（二）負(fù)荷與機組：用電需求激增，基荷機組退役加速
大范圍極端高溫天氣帶動用電負(fù)荷快速增長。受高溫天氣影響，夏季期間，北美電力可靠性協(xié)會（NERC）23個評估區(qū)域的峰值電力需求總量同比增長約1000萬千瓦，遠高于2023—2024年歷史同期水平。其中，西部電力協(xié)調(diào)委員會（WECC）、東南部電力可靠性委員會（SERC）所轄區(qū)域電力市場因受“高溫負(fù)荷增加、工業(yè)和數(shù)據(jù)中心負(fù)荷擴張”等因素影響，整體負(fù)荷水平或?qū)⒋蠓嵘?/span>
基荷機組退役加速疊加風(fēng)光發(fā)電裝機增加。夏季期間，NERC相關(guān)評估區(qū)域約有740萬千瓦“基礎(chǔ)性”發(fā)電機組將退役或停止運行，其中包括250萬千瓦天然氣發(fā)電機組和210萬千瓦煤電機組。此外，NPCC-Ontario區(qū)域約有120萬千瓦核電機組、160萬千瓦石油發(fā)電機組等退役。與此同時，夏季期間，NERC相關(guān)區(qū)域太陽能光伏、風(fēng)電分別新增裝機3000萬千瓦、500萬千瓦?；A(chǔ)性機組退役而大量波動性資源并網(wǎng)或?qū)﹄娋W(wǎng)安全可靠運行產(chǎn)生影響。
（三）設(shè)備與技術(shù)：老化設(shè)備“帶病運行”，IBR配置埋下“安全隱患”
電力設(shè)備老化率增加為維持發(fā)電機組備用狀態(tài)和資源充足性帶來更大挑戰(zhàn)。
近年來，傳統(tǒng)火電發(fā)電機組和風(fēng)電機組設(shè)備老化導(dǎo)致強迫停運率（Forced Outages rates）不斷上升，電力系統(tǒng)運營商因此面臨著可調(diào)度資源減少和運營可靠性風(fēng)險增加的挑戰(zhàn)。此外，美國多地基荷發(fā)電機組超期服役，東南部電力可靠性委員會（SERC）以及西南區(qū)域電力市場部分發(fā)電機組運行時限甚至超60年，這也可能對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行構(gòu)成威脅。
為保證電力系統(tǒng)可靠運行，高齡發(fā)電機組需要定期開展大規(guī)模檢修（三相電動機定子繞組重繞等），這將導(dǎo)致在夏季用電高峰時，局地出現(xiàn)有效發(fā)電資源不足的困境。
此外，含逆變器電力電子設(shè)備未按規(guī)范設(shè)置參數(shù)也會對電網(wǎng)可靠運行構(gòu)成挑戰(zhàn)。研究認(rèn)為[5]，美國電網(wǎng)運營商需要對裝有逆變器的可調(diào)度資源（IBR[6]）在電網(wǎng)擾動期間發(fā)生意外跳閘的可能性保持警惕。數(shù)據(jù)顯示[7]，目前，美國約66%的電網(wǎng)運營商所使用的保護裝置并未按最大容量設(shè)定，這限制了并網(wǎng)太陽能光伏設(shè)備（PV）的整體穿越能力（Ride-through capability）；其次，約20%電網(wǎng)運營商將IBR設(shè)施功率因數(shù)限制在0.95，造成電網(wǎng)大量無功容量未充分利用[8]。在上述情況下，如新能源出力受天氣影響出現(xiàn)較大波動（如風(fēng)電驟升驟降、光伏云層遮擋），則電網(wǎng)難以通過無功調(diào)節(jié)抵消出力波動對電壓的沖擊，易引發(fā)連鎖故障。
（四）供應(yīng)鏈和燃料影響：設(shè)備交付“拖后腿”，氣電頂峰能力不足
設(shè)備供應(yīng)鏈問題會影響大型電力系統(tǒng)（BES）設(shè)備維護、更換和施工的交付周期。夏季期間，當(dāng)電力系統(tǒng)設(shè)備維護和安裝供應(yīng)鏈系統(tǒng)出現(xiàn)延遲時，將對電力系統(tǒng)可靠運行構(gòu)成挑戰(zhàn)。長遠來看，供應(yīng)鏈問題和不確定性仍將持續(xù)，預(yù)計大型變壓器設(shè)備平均交付周期將為80至210周，較2024年同期平均120周的時間有所延長[9]。
另一方面，受“天然氣出口需求上升、國內(nèi)氣田產(chǎn)氣量降低”等因素影響，美國夏季天然氣供應(yīng)趨緊，同時疊加“高溫電力負(fù)荷增加、氣電機組系統(tǒng)性維護”等不可控因素，可能造成氣電頂峰能力嚴(yán)重不足。預(yù)計2025年7—10月，在高溫天氣延續(xù)和電力負(fù)荷持續(xù)增加等因素加持下，美國天然氣發(fā)電需求或創(chuàng)歷史新高[10]，亟需擴大天然氣供應(yīng)規(guī)模，緩解電力系統(tǒng)調(diào)峰壓力。
02
北美電力可靠性評估結(jié)論
（一）北美電力整體可靠性評估
本文采用高峰需求小時和高峰風(fēng)險小時等分析指標(biāo)，充分評估2025年夏季期間北美發(fā)電資源、輸電系統(tǒng)充裕度以及能源充足性情況。
從整體上看，在正常夏季高峰負(fù)荷條件下（即與歷年均值保持相同趨勢），北美所有評估區(qū)域預(yù)期可調(diào)度電力資源較為充足。然而，在極端風(fēng)險條件下（包括高負(fù)荷電力需求、歷史高停電率、極熱無風(fēng)、極低光伏出力等），部分區(qū)域面臨電力供應(yīng)短缺風(fēng)險，具體包括：中部大陸?yīng)毩⑾到y(tǒng)運營商（MISO）、東北電力協(xié)調(diào)委員會—新英格蘭區(qū)域（NPCC-New England）、中西部可靠性組織—薩斯克電力公司（MRO-SaskPower）、中西部可靠性組織—西南部電力池（MRO-SPP）、德州可靠性組織—德克薩斯州電力可靠性委員會（Texas RE-ERCOT）、西部電力協(xié)調(diào)委員會—墨西哥區(qū)域（WECC-Mexico）等。北美電力供應(yīng)短缺風(fēng)險等級分為極高（High）、升級（Elevated）、普通（Normal）；上述評估區(qū)域風(fēng)險等級均為升級。
圖4：北美電力供應(yīng)可靠性風(fēng)險區(qū)域
（二）重點區(qū)域電力供應(yīng)可靠性：各有各的“難”，供電壓力各不同
中部大陸?yīng)毩⑾到y(tǒng)運營商（MISO）：數(shù)據(jù)顯示[11]，MISO現(xiàn)有裝機容量約為1.43億千瓦，較2024年同期下降0.7個百分點。其中，傳統(tǒng)發(fā)電機組退役（天然氣和煤電機組退役約157.5萬千瓦）、新增規(guī)劃資源不足（部分市場化發(fā)電機組退出MISO規(guī)劃資源拍賣）是導(dǎo)致MISO可調(diào)度發(fā)電資源減少的主要原因。夏季期間，MISO所轄區(qū)域?qū)⒚媾R負(fù)荷快速增長、風(fēng)力發(fā)電出力不足、儲備發(fā)電資源短缺等多重困境。
圖5：中部大陸?yīng)毩⑾到y(tǒng)運營商電力供需情況
東北電力協(xié)調(diào)委員會-新英格蘭區(qū)域（NPCC-New England）：夏季期間，新英格蘭地區(qū)用電負(fù)荷峰值約為2480.3萬千瓦（概率值約為50%），最大電力缺口為147.3萬千瓦，屆時該地區(qū)將啟動區(qū)域間電力互濟機制，最大進口電力約300萬千瓦。根據(jù)NPCC最新的能源評估[12]，如該地區(qū)夏季電力靈活性資源滿足負(fù)荷增長，其累積負(fù)荷預(yù)期損失（LOLE）小于0.031天/周期，停電小時數(shù)（LOLH）小于0.12小時/周期，預(yù)期缺電量（EUE）小于9.4萬千瓦時；但在靈活性調(diào)度資源減少和高峰負(fù)荷持續(xù)情景下，估計累積LOLE風(fēng)險為4.369天/周期，相應(yīng)的LOLH為19.554小時/周期，EUE為1984.7萬千瓦時/周期。
中西部可靠性組織-薩斯克電力公司（MRO-SaskPower）：夏季期間，在正常情況下該區(qū)域電力市場不會出現(xiàn)容量限制或可靠性問題。然而，如果發(fā)電機組出現(xiàn)強制中斷（Forced Outages）[13]情況（中斷概率為21.5%，損失出力約35萬千瓦），同時疊加高于歷年均值水平的負(fù)荷需求，薩斯克電力公司需從鄰近區(qū)域電力市場短期購電，并啟動需求響應(yīng)、調(diào)整維護計劃以及采取臨時停電等措施，以彌補電力供應(yīng)缺口。
中西部可靠性組織-西南部電力池（MRO-SPP）：夏季期間，SPP區(qū)域的電力系統(tǒng)儲備裕度（Reserve Margin[14]）為28.5%，與去年夏季持平。在正常情況下，該區(qū)域電力市場不會出資源短缺問題。但是，如果出現(xiàn)高于正常年份水平的高峰用電負(fù)荷、高發(fā)電機組強制中斷以及輸電系統(tǒng)擁堵情況，該區(qū)域電力市場有可能出現(xiàn)電力短缺風(fēng)險。
德州可靠性組織-德克薩斯州電力可靠性委員會（Texas RE-ERCOT）：夏季期間，該地區(qū)新增光伏、電池儲能裝機分別為700萬、750萬千瓦，以滿足8-9月用電高峰。但是需要警惕“日落無光”“極熱無風(fēng)”情況，這將嚴(yán)重影響可再生能源機組出力和供電可靠性。此外，南德克薩斯州互聯(lián)電網(wǎng)由于有嚴(yán)格的“可靠性運行規(guī)則限制（IROL[15]）”，在極端情況下，若要保持電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行，ERCOT需要采取強制減載等措施，以防出現(xiàn)連鎖性停電情況。目前，ERCOT已通過更新輸電線路動態(tài)額定值（DLR[16]）等方式，優(yōu)化電力潮流走向，并提高電力系統(tǒng)可靠性。
西部電力協(xié)調(diào)委員會-墨西哥區(qū)域（WECC-Mexico）該地區(qū)現(xiàn)有電源結(jié)構(gòu)主要包括天然氣、地?zé)?、太陽能、風(fēng)能和燃油發(fā)電等，總裝機容量為563.6萬千瓦（燃氣發(fā)電裝機容量為412.5萬千瓦）。夏季期間，該地區(qū)高峰電力負(fù)荷需求為377萬千瓦、電力系統(tǒng)儲備裕度約為14%。如果電力峰值負(fù)荷持續(xù)，且平均發(fā)電機停運率增大，可能導(dǎo)致該地區(qū)電力供應(yīng)短缺，需從臨近區(qū)域電力市場購電。
03
建議和啟示
為降低夏季期間北美電網(wǎng)發(fā)生電力短缺風(fēng)險，筆者認(rèn)為，可采取以下相關(guān)措施，以提升電網(wǎng)韌性和可靠性水平。
（一）審查機組計劃：提前預(yù)判風(fēng)險，筑牢供應(yīng)基礎(chǔ)
認(rèn)真審查機組季節(jié)性運行計劃和協(xié)議，預(yù)測極端負(fù)荷需求變化和電力供應(yīng)短缺等情況。密切跟蹤各重點區(qū)域用電、來水、電煤、機組出力等情況，多渠道協(xié)調(diào)增加電煤供給，統(tǒng)籌氣網(wǎng)、電網(wǎng)協(xié)調(diào)運行，保障煤電、氣電機組頂峰能力，增強能源供應(yīng)鏈穩(wěn)定性和安全性。
（二）優(yōu)化運行方式：強化監(jiān)控，減少故障隱患
在發(fā)電運行方式中應(yīng)充分考慮機組投運年限、運行模式變化、備用資源可用率、周期性檢修等因素，防止出現(xiàn)高于預(yù)期的發(fā)電機組強制中斷（Forced Outages）情況。同時，加強實時運行監(jiān)控，緊盯系統(tǒng)頻率、重要斷面潮流、中樞點電壓、旋備容量等指標(biāo)，確保所有設(shè)備在穩(wěn)定極限內(nèi)運行，從“源頭”降低故障概率。
（三）加強流程監(jiān)管：應(yīng)急有預(yù)案，災(zāi)害早預(yù)警
嚴(yán)格遵守發(fā)電和輸電停運協(xié)調(diào)流程，強化氣象監(jiān)測及災(zāi)害預(yù)警分析，研判重大災(zāi)害性天氣對電力系統(tǒng)影響，確保在極端天氣下有充足的可調(diào)度資源。在緊急情況下，美國能源部可依據(jù)《聯(lián)邦電力法（FPA）》-202（C）條款，實施短期電力管制措施，以防出現(xiàn)系統(tǒng)性電力短缺。
（四）實施需求管理：挖掘用戶潛力，借力儲能補位
加強與區(qū)域電力監(jiān)管機構(gòu)合作，推出高效需求側(cè)管理計劃——通過電價杠桿、激勵政策等，引導(dǎo)終端用戶錯峰用電，挖掘負(fù)荷調(diào)節(jié)潛力。同時，提高電池儲能系統(tǒng)（BESS）裝機規(guī)模，以應(yīng)對高比例可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)帶來的挑戰(zhàn)，降低可再生能源波動給電力保供造成的影響。
