美国电网现存问题与解决方案分析

中国储能网讯：进入冬季，美国电网应对恶劣天气的能力再次引发民众的担忧。据新华社消息，1月3日，美国东部多州遭遇暴风雪袭击，造成至少5人死亡，数十万用户断电，情况最严重的弗吉尼亚州在3日当晚21时有超过34万用户未恢复供电。根据1月11日美国福克斯新闻网消息，受到疫情与冬季恶劣天气影响，美国各地超市出现严重物资短缺，囤积必备物资成为很多美国家庭最近的头等大事。

自从2021年2月发生得克萨斯州大停电以来，美国多家科研机构围绕提升电网可靠性进行了研究探讨，针对美国电网存在的基础设施老化、配电系统可靠性差等问题，提出了不同的解决方案。

电网基础设施投资不足

2021年，美国土木工程师协会（ASCE）将美国能源系统评为“C-”级，认为电网系统尤其脆弱，并在报告中指出：“美国全国大部分电网都在老化，其中一些部件已经使用了超过一个世纪——远远超过了它们50年的预期寿命，另外一些部件，包括70%的输配电线路，也已经进入了寿命末期。”

报告指出了美国电网存在的问题，认为其电力供应依赖于老化发电设施的复杂拼凑。在美国，主干电力传输路线超过60万英里（其中24万英里的线路为高压线路或者超过230千伏线路），地方配电线路为550万英里，负责为客户提供安全、可靠、经济高效的电力服务。

根据报告统计，美国配电系统的可靠性差，在由恶劣天气、基础设施老化、恶意破坏等事件引发停电中，92%是配电系统故障。过去几年中，美国输配电系统和电网可靠性投资有所增加，停电情况略有好转。美国高压输电的年度支出从2012年的156亿美元增加到2017年的219亿美元，配电系统的支出在过去二十年中增加了54%，但仍远远不够。

ASCE认为美国电网还面临着一些低概率威胁——例如地磁脉冲，虽然极少发生，但一旦发生就会对公共安全和经济产生重大影响。此外，网络攻击导致的停电事件不可忽视。2014~2018年，电网运营商向美国能源部报告了17起疑似网络攻击，但经过调查分析表明，只有4起事件与网络安全有关，而且没有造成任何停电事件。

为应对此类情况，美国能源部发布了一份关于网络安全战略的计划，旨在加强电网恢复能力、强化国家能源基础设施的网络安全。

恶劣天气是造成输电中断的主因

尽管美国各公用事业公司不断采取积极措施增加电网弹性，但天气状况依然是一个日益严重的威胁。根据美国能源信息署2014~2018年报告的638次输电中断事件统计，恶劣天气被列为主要原因。

近日，由北卡罗莱纳州立大学研究人员主导的两项新研究发表在《地球未来》杂志上，研究预测了美国西海岸电力消费者在两种不同情景下可能会经历的情况：一种是气候变化导致天气过于炎热；另一种是气候遵循历史趋势，但电网系统转向更多的可再生能源。在这两种情况下，电力成本和可靠性容易受到极端天气的影响。

北卡罗莱纳州林业和环境资源助理教授乔丹·科恩表示：“气候变化和极端天气事件对电网的影响，主要以干旱和热浪的形式出现，这让情况变得更糟。即使西海岸电网从化石燃料转向风能和太阳能，这些极端天气事件仍将影响电网系统可靠性和电力价格。”

西北大学的研究人员认为，通过减轻发电机频率偏差可以稳定电网。由西北大学物理学家艾迪尔森·莫特领导的团队对美国和欧洲的几个电网进行了研究，与普通发电机组相比，以不同频率运行的发电机在遇到停电障碍时会更快地恢复到正常状态。这一发现可能对未来的电网设计产生影响，研发人员正在努力优化技术并考虑进一步整合当前分离的电网。

东西部可联手构建“宏电网”

根据爱荷华州立大学的统计，目前，美国东西部电网有7条线路连接，具有1320兆瓦的电力处理能力。但相对于美国两大电网的发电装机来说（东部电网70万兆瓦，西部电网25万兆瓦），这1320兆瓦的输送能力并不算高。

早在2016年1月，美国能源部就宣布耗资2.2亿美元启动电网现代化，东西部电网连接作为计划中的一部分，目前进展缓慢。2021年2月美国得克萨斯州大停电再次引发了业内对于构造大电网的讨论。西北大学的研究人员在2021年4月发布的研究中表示，虽然尚不清楚美国电网的整合能否完全消除停电事故，但得州无法跨州跨界“进口”大量电力是此次停电的决定性因素。

爱荷华州立大学的研究人员对美国东西部电网连接的收益进行了研究，认为构造“宏电网”的成本收益比可高达1比2.5，即每投资1美元可得到2.5美元的收益。“宏电网”可以帮助满足美国不同地区彼此的高峰用电需求，还拥有更好的应对极端天气的能力。爱荷华州立大学电力系统工程系教授詹姆斯·麦卡利表示：“当极端天气来临时，比如2020年8月吹过爱荷华州的德雷科风暴，或者是2021年2月导致得克萨斯州大停电的冰灾天气，‘宏电网’都可以有效应对。我们可以非常简单地从其他地区获得电力援助，各州电网都是互联的。”

虽然这项研究量化了“宏电网”在美国的价值，但麦卡利表示，要真正建成它还面临很多挑战。除了成本之外，政策制定者需要更明确的支持政策。ASCE认为，未来几年，美国需要新增输配电基础设施，规划智能电网以提高可靠性，从而适应可再生能源的增长及电源的分散性。