当地时间7月29日，美国威斯康星州遭遇强雷暴天气。根据全美停电数据追踪网站poweroutage的数据，当地约有90000人受到停电影响。
今年入夏以来，美国多地遭遇罕见高温、干旱天气，已有67个气象站的数据追平或打破了75年来的高温纪录。在华盛顿州和俄勒冈州，连续多日的高温已造成十余人死亡；与此同时，高温引发的山火还在美国西南地区持续蔓延。
热浪侵袭下，美国多地电力需求量大增、用电量飙升，部分州因供电系统难以负荷而直接断电。截至7月7日，仅得克萨斯州（以下简称为“得州”）电网就断电近1300次。纽约市市长白思豪甚至紧急呼吁市民减少用电，缓解电力系统负担。
这并不是美国电网第一次被极端天气拉垮。就在4个月前，得州还因遭遇极端严寒天气出现了持续数天的、大规模停电故障。
美国电网，为何屡屡拉闸？
文 | 丁贵梓 瞭望智库观察员
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不经热，也不抗冻
2021年2月，得州遭遇罕见低温和暴雪天气，温度低至零下26℃。当月，得州爆发持续数天的大规模停电事故，累计切除负荷约20000mw，近400万人受影响。
【注：事故情况下，为维持电力系统的功率平衡和稳定性，电力部门往往会将部分负荷从电网上断开，即切除负荷。】
2021年2月20日，美国得克萨斯州沃思堡断电的一户居民在家中点燃蜡烛照明。
2020年8月，美国加利福尼亚州经历严重高温天气。8月14日至15日，加州发生轮流停电事故；同月17日至18日及次月5日6日，加州电网进入紧急状态，至少81万居民用户的正常用电受到影响。
……
回顾近年美国发生的大规模停电事故，不难发现，极端天气往往是其直接诱因。
实质上，这是美国新能源政策与自然环境脱节引发的后果。进入新世纪以来，“页岩气革命”的成功推动美国电网的电源结构由以燃煤发电为主向以天然气发电为主转变。但在配套设施的建设上，各地并没有充分考虑基础设施与当地气候的适应问题，及其对自然灾害的防范能力。
一方面，电力负荷对气温变化通常较为灵敏。极端高温或严寒天气会推高能源需求，使得电网负荷短时间内急剧上升。
极端气温下，空调供电需求大，极易导致电网过载甚至断电，部分断电还会降低整体可用电力。2020年8月的加州断电事故，正是源于罕见热浪所导致的电网负荷突增。13日，加州独立系统运营商（caiso）实际负荷峰值为42317兆瓦（mw），14日的实际负荷峰值为46824 mw，仅仅一天就增加4507mw，且超出当年的负荷峰值预期（45907mw）。
在今年初的得州断电事故中，极寒天气使得家用天然气需求激增，燃气电厂燃料供应短缺。加之当地居民的采暖方式多为电加热采暖，电网负荷陡增，2月14日晚8时左右达到6922万千瓦，创冬季负荷新高。当时得州电网最大发电能力仅约4800万千瓦，电力供应缺口高达2000万千瓦。
此外，高温环境下，发电厂效率会有所降低，限制电力线可携带的能量，变压器也更容易发生故障。与此同时，发电厂需要用水来冷却系统，越是高温干旱天气，发电厂越是高度依赖水源。结果，缺电缺水形成恶性循环。
另一方面，美国电力基建对环境的适应能力不足，极端天气会影响电网的正常发电运转。
得州地处美国最南端，属于温带、亚热带气候，冬季平均温度为1.4℃。当地资源丰富，拥有全美1/3的石油储量和1/4 的天然气产量，是美国新能源行业发展的核心地区，号称“能源之都”。截至2020 年，得州新能源装机量占到装机总量的29%。在能源结构方面，得州前三大电力来源依次是天然气、风电、火电，其发电占比分别为40%、23%、18%。
通常情况下，得州天气条件好、环境适宜，符合新能源较为苛刻的发展条件。也正因此，当地电力生产设施应对极端天气能力不足，极寒天气导致得州电力系统近半机组停运。
低温导致抽出石油和天然气的井口结冰，天然气管道冰堵。结果，得州天然气产量几乎减半，天然气管网主网、次网瘫痪，第一大主力电源——燃气机组停机约26000mw，占燃气机组总装机的50%。因风机并未装设除冰装置、叶片结冰，风电机组停机18000mw，产能腰斩。
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电力孤岛，无处求援
通常情况下，当地方电网出现供应问题，可通过国家电力调度进行紧急支援，渡过危机。然而，这在美国很难实现。
2021年2月20日，美国得克萨斯州沃思堡，遭遇停电的部分居民使用发电机供电。
首先，在电力系统布局层面，美国并没有真正意义上的国家级电网，其本土48个州的电网系统由西部联合电网、东部联合电网和得州电网三大电网构成。东部电网依靠当地丰富的煤炭和天然气资源发电，西部电网借落基山脉的地势大力发展水电，得州则以天然气发电为主。
这三大电网系统之间只有非同步联系。东、西部电网之间通过7回背靠背直流相连，并分别与加拿大的几个地区电力系统并网运行；得州电网和外州没有交流互联，仅与东部电网通过2回直流相联、与墨西哥通过3回直流相联，未与西部电网联网。而且，得州的直流联络线总功率为1220mw，这意味着外来电仅占其2021年最大用电负荷的1.8%。
各个系统内的电力互济同样存在漏洞。位于美国西部的加州，其电网系统只与相邻的3个州有电力互补。而且，地理相邻区域的资源类似、用电高峰时间接近，能源互济性也较差。2020年8月，受高温影响，整个美国西部的电力需求也高于往年同期。当加州电力告急时，俄勒冈州等邻州同样自身难保，根本无力补给。
其次，在电力系统管理层面，美国也没有一套能够覆盖全国的监管体系和标准，难以高效协调。
美国电力行业的构成机构有三级：
第一级是北美电力可靠性委员会（nerc），负责发布整个北美地区的电力行业标准、预测和评估系统整体运行可靠性情况、注册与培训市场参与者。第二级是电力调度机构，包括区域系统运营商（rto）和独立系统运营商（iso）。它们除负责各自辖区内的电网调度和电力实时平衡外，还负责该区域内的市场运营。第三级是区域电力公司，负责电网规划投资建设和电力客户运维服务，并接受区域调度机构的监管。
【注：区域性供电组织（rto）可跨州供电，独立性供电组织（iso）原则上只给所属州供电。得州电力可靠性委员会（ercot）就属于iso。】
以得州为例，其电力系统主要由得州电力可靠性委员会（ercot）、西南电力公司（spp）、中部独立系统运营商（miso）和西部电力协调委员会（wecc）四大运营商组成。其中，ercot是美国第一个独立的电力系统调度机构，其管辖电网拥有46500英里输电线路、680余台发电机组，覆盖得州75%的面积、90%的负荷，涉及2600万用户。
2003年8月，美国北部3条输电线路出现故障，停电调度部门来不及反应，局部故障使得其他输电线路因过载而自动切断，并迅速拉垮整个电网系统。事故最终导致美国纽约、底特律、克利夫兰等城市大面积断电，5000万人生活受到影响。
在电力行业监管方面，美国能源监管委员会（ferc）负责监管州际间电力、天然气和石油传输、州级水电项目及标准审批、州际贸易中的电力传输和批发销售合规性、电力公司的并购和公司交易合规性等。但是，由于得州和外部电网只通过直流互联，ercot并不在ferc的监管范围内，其电力系统成为处于自给自足状态的“孤网”。加之ercot不具有发电设备、输配电设备等的产权、运营权，紧急情况下难以高效统筹协调。所以，当2021年初寒潮暴发时，得州基本无法从外部获得电力供应支援。
全国电网不连接、没有自上而下的统一电力调度，网间电力互济能力不足。一旦地方电网出现供应问题，自然难以通过跨区互济获取外部支援。
3
基建老化，没人管
美国电网一遇到极端天气就崩溃，与其老旧的电力设施也有直接联系。根据美国能源部（doe）的统计，美国目前70%的输电线路和变压器运行年限已超25年，60%的断路器运行年限超过30年。
随着城市规模扩大，居民用电负荷本就迅速上升，加之高温干旱、狂风暴雪的交替“袭击”，陈旧的电网设施面临巨大挑战。如果说愈发频繁的极端天气是造成电网瘫痪的“天灾”，那么政府和电力部门没有及时维护、更新发电和输电设施，就是导致美国断电的“人祸”。
那么，美国的电力基建为何无人维护呢？
上文已经提到，美国能源监管委员会（ferc）是美国电力系统的监管机构。其实，在1996年4月以前，ferc还是美国负责统一发电、供电、配送、管理的综合机构。但在呼吁政府放权、回归市场竞争的改革浪潮下，ferc改弦更张，只保留监管功能。
此后，美国各州自行成立区域性供电组织（rto）或独立性供电组织（iso），负责系统调度和市场运行，发输配售功能则分属不同发电、输配电和售电企业。1996年，全美第一个iso——得州电力可靠性委员会（ercot）成立，全州电力发输配售分属1400个企业。
改革后的美国电力系统，产业结构复杂，行业主体分散，产权结构更是支离破碎。在全美，则陆续诞生3000多家电力企业，包括私营企业、联邦公营、市政公司、电力合作社等。
其中，私营企业300余家，服务用户占比72.6%，售电量占比72%，收入占比73.5%；联邦公营电力公司6家，服务用户约4万人，售电量占比1.2%，收入占比0.5%；市政公营电力公司和农电合作社规模小但数量多，分别约1900家和1000余家，用户数占比27%，售电量占比26.3%，收入占比26%。
这些电力企业通常各自为战，导致电力市场缺乏整体性。相较于其他基础设施项目，电网项目投资大、回报率低、建设周期长，经济回报率是私有化电力公司优先考虑的问题。宽松的管制措施也使得电力市场竞争激烈。为争夺市场份额，各供电商本已竞相降价，而扩大投资就意味着竞争力的削弱。
因此，它们在维护电网设施时不会做长久打算，不愿为应对偶发的极端天气而在电网基建上过多投资，更不会放弃独享“肥肉”的机会、主动并入其他地区的电网。私营企业控制电力运营、几乎垄断市场，并游说、推动地方政府保持电力系统独立，以维护自身利益。
在2021年初的停电事故中，得州政府明知电力系统难以负荷，却依旧将修缮、改造电力设备的选择权交由私营电力公司。出于成本考虑，多数公司多年来从未对发电和输电设施进行防寒升级改造。市场被资本控制，政府发力不足，成为大停电事故的又一重要原因。
今年4月27日，拜登政府宣布美国电网改善计划，推出两种关键融资工具，以促进高压输电线路建设、释放更多清洁能源资源，总值超80亿美元（约合人民币517.14亿元）。目前，美国西部地区电力管理局输电基础设施计划的 32.5 亿美元基金已开放申请。
然而，政府的财政措施能否成功激励私营公司将美国电力供应的长期保障置于私利之上，并承担修复电网工作，还有待观察。
4
市场失灵，政客吵架
高度市场化的电力机制还加剧了美国电力的供需不平衡。
在美国电力市场中，集中竞价机制主要用于促进日前市场和实时市场价格趋同，以保障次日供需平衡；剩余机组组合配置则用于确保满足负荷需求。但在2020年8月的加州停电事故中，集中竞价机制反而使出清的虚拟电力供应大于实际电力供应，导致加州独立系统运营商（caiso）高估当天电能供应；剩余机组组合的定价运行过程放宽系统功率平衡约束，掩盖负荷调度不足，从而加剧电力供需不平衡。
严重的供需不平衡进而导致电价疯狂飙升。在2021年2月的停电事故中，得州批发电价一度突破1万美元/兆瓦时（一度电大约65元人民币），相较平日电价增长近200倍。而在2019年和2020年夏季，得州都曾出现过9000美元/兆瓦时的超高电价。
市场失灵之下，美国政府也没能给予足够的社会动员和支援力量。早在2003年的纽约大停电事故发生后，美国就在讨论如何从根本结构上改进现有电网、增强安全性能，但面对高达数百亿美元的资金筹措、国会层层批准问题以及众多反对的声音，切实可行的改革计划至今遥遥无期。
2011年2月，得州还曾遭遇过一次与今年相似的暴风雪袭击，并引发停电事故。寒冷天气造成机组降额运行甚至停机，累计损失193台发电机组，共计29729mw，约300万户居民受到影响。事故发生后，ercot和ferc呼吁发电设备厂商尽快改造、维护电力设备，提升对极端气候的适应能力。但市场规律指引当地电力企业追求利润，地方政府又未给予相应对策和支援，设备改造长期停留在口头上。结果，在2021年初更严重的暴雪天气中，得州电网彻底崩溃。
又一次大规模停电事件发生后，得州科罗拉多市市长在个人社交媒体上发文，称“市政府的责任不是救助受灾民众，这个时候人应该全凭本事想办法活下来，而不是伸手向政府要钱。适者生存，弱者才会被淘汰”。不负责任的言论点燃美国民众的怒火，也让美国政府的治理能力再遭质疑。得州首府奥斯汀甚至上演了一出电力“双城记”——当非洲裔和拉美裔社区所在的东部社区陷入一片黑暗时，位于奥斯汀市中心和富裕社区的写字楼、景观灯却彻夜长明。
然而，此时的政客们并没有想着如何调度支援、规范市场，而是忙着把电力供应问题异化为政治问题。
向来与传统能源行业联系密切的共和党，认为新型能源技术还不够成熟、能源供给还不够可靠，关键时刻还得靠传统能源，并以此为由要求遏制新能源市场的发展。而大力推动新型能源建设正是民主党应对气候变化的施政纲领，他们主张推动风能、太阳能和核能取代石油和天然气等传统能源。
得州断电成为两党相互攻讦、谋取政治利益的平台。共和党强调新能源“掉链子”，民主党指责传统能源不给力，却没有任何一方真正在为解决民生问题而努力。不合理的电网布局、过度垄断的电力市场、亟待修缮的基础设施、已然失灵的市场机制……这些都不在他们的争论范围之内。
政客、企业家们开着电暖炉、吹着空调争吵不休，可无数美国民众刚刚熬过了黑暗的寒冬，就迎来了又一个无电可用的酷暑。
参考资料：
1.唐桃波、夏云非、鲁文、杜万森，《美国近年的停电事故及对我国电力系统安全稳定运行的启示》，电力建设2003年第11期；
2.何大愚，《一年以后对美加“8·14”大停电事故的反思》，电网技术2004年第21期；
3.胡秦然、丁昊晖、陈心宜、陈涛、丁一原、李扬，《美国加州2020年轮流停电事故分析及其对中国电网的启示》，电力系统自动化2020年第24期；
4.张玥、谢光龙、张全、韩新阳、朱瑞、张钧，《美国得州2·15大停电事故分析及对中国电力发展的启示》，中国电力2021年第4期；
5.王伟胜、林伟芳、何国庆、石文辉、冯双磊，《美国得州2021年大停电事故对我国新能源发展的启示》，中国电机工程学报2021年第12期；
6.苏杨帆，《极端天气推高能源需求，美国电网改革跑得过气候变化吗？》，澎湃新闻，2021年7月13日；
7.南博一、李依农，《罕见寒潮致美国得州大面积断电，“能源之都”为何陷入窘境？》，澎湃新闻，2021年2月20日；
8.《美国为什么老是停电？说几个被忽视的深层次问题》，国家电网报，2021年2月21日；
9.《美国得州的大停电不能让极寒天气“背锅”！》，电网头条，2021年2月17日；
10.《得州为什么断电？这在美国成了一个政治问题》，新华国际头条，2021年2月22日；
等等。
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