新冠疫情對(duì)電力行業(yè)影響綜述
一、對(duì)電力需求和供應(yīng)的影響
1、電力需求
在新冠疫情爆發(fā)后，世界各國(guó)政府采取了各種行動(dòng)來(lái)遏制該病毒的傳播，包括封城、社會(huì)隔離、工廠關(guān)閉和旅行禁令。這些措施極大地改變了人們的工作和生活方式，從而導(dǎo)致電力需求的顯著變化。
首先是用電量的變化。本文搜集了四個(gè)國(guó)家（見(jiàn)圖1，其中（a）意大利，（b）日本，（c）美國(guó)和（d）巴西）2018~2020三年中1~5月的每日用電量數(shù)據(jù)。從圖中可看到，與2018、2019年相比，意大利，美國(guó)和巴西的電力需求顯著下降。在意大利，封城政策于2020年3月8日在該國(guó)北部地區(qū)實(shí)施，并于2020年3月10日擴(kuò)展至全國(guó)。從圖1（a）可以看出，在三月的第二周，即封城政策開(kāi)始全面推行后，每日的用電量下降了近20％。此后，需求平穩(wěn)抬升，至5月下旬已接近去年水平。在美國(guó)和巴西，電力需求的減少也很明顯。兩國(guó)的日用電量分別在4月1日和3月20日之后顯著下降。同時(shí)，截至5月底，這兩個(gè)國(guó)家的電力需求尚未有顯著回升。在日本，用電量的變化并不明顯，如圖1（b）所示。這可能歸因于日本政府的防疫措施中并不包含全面的封城和停工。
在實(shí)行城市封鎖政策的國(guó)家中，電力需求的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化。由于停工停產(chǎn)，工業(yè)部門消耗的電力減少。在中國(guó)，建筑和制造業(yè)的用電需求下降了12％[2]。在美國(guó)，預(yù)計(jì)2020年工商業(yè)部門的電力需求將下降20％[3]。相反，由于限制外出政策，大多數(shù)經(jīng)濟(jì)體的住宅負(fù)荷增加，例如，某些歐洲國(guó)家的住宅負(fù)荷增加了近40％[2]。
隨著負(fù)荷構(gòu)成的改變，負(fù)荷曲線形態(tài)也發(fā)生了變化。在圖2中，我們比較了紐約市在2019年和2020年4月第一周的負(fù)荷情況。該市是美國(guó)遭受新冠疫情沖擊最嚴(yán)重的地區(qū)，并于2020年3月22日開(kāi)始實(shí)施限制外出（stay-at-home）政策。從圖中可以看出，每日的高峰負(fù)荷在工作日下降了近20％，在周末下降了約12％。在2019年，高峰負(fù)荷通常發(fā)生在工作日的早晨。從2020年的封鎖政策開(kāi)始，工作日的早高峰有所推遲，且峰值減小。相反，傍晚的峰值占據(jù)了主導(dǎo)地位。負(fù)荷曲線的這種變化可能是由關(guān)閉商業(yè)和工業(yè)負(fù)荷引起的。在其它地區(qū)也觀察到類似的變化。在英國(guó)，封城政策實(shí)施后，工作日的負(fù)荷開(kāi)始變得與周末相似。據(jù)報(bào)道，早高峰負(fù)荷的爬升速度比平時(shí)慢兩倍[4]。在美國(guó)加州實(shí)施限制外出政策后，該地區(qū)扣除太陽(yáng)能發(fā)電后的凈負(fù)荷曲線呈現(xiàn)出更加明顯的“鴨子曲線（duck curve）”特征，原因是用電需求的減少與太陽(yáng)能發(fā)電占比的增加[5]。
2、電力供給
供給方面，在總發(fā)電量下降的情況下，可再生能源發(fā)電占比反而有所增加。根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）的統(tǒng)計(jì)，2020年一季度全球發(fā)電量同比下降2.6％，而可再生能源發(fā)電量增長(zhǎng)了3％，所占份額從26％上升至28％[2]。負(fù)荷需求下降后，主要通過(guò)壓減化石燃料發(fā)電以實(shí)現(xiàn)電力平衡，到2020年一季度，煤炭和天然氣發(fā)電量分別減少了8％和3％。在英國(guó)，天然氣和燃煤發(fā)電占比在2020年一季度降至29.1％，而去年同期水平為36.1％。在美國(guó)，預(yù)計(jì)到2020年燃煤發(fā)電將下降25％左右，而可再生能源發(fā)電的份額或?qū)⒃黾覽3]。IEA的報(bào)告還顯示，在大部分國(guó)家，燃?xì)獍l(fā)電受到了壓減，其受影響程度僅次于燃煤發(fā)電。同時(shí)，隨著天然氣發(fā)電的減少，水電提供的靈活性對(duì)于電力系統(tǒng)變得更加重要。作為清潔靈活的電力來(lái)源，水力發(fā)電在大多數(shù)國(guó)家沒(méi)有受到影響。新冠疫情期間，清潔能源占比較高的一些國(guó)家，例如秘魯，水電和可再生能源已幾乎取代了火電[5]。盡管可再生能源發(fā)電占比增加了，但在某些地區(qū)風(fēng)電和光伏發(fā)電的實(shí)際消納量是減少的。例如，在美國(guó)加州CAISO，2020年一季度棄風(fēng)棄光電量逐月增加，這主要是由電力需求減少導(dǎo)致的。
二、對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)控制的影響
一般而言，負(fù)荷水平的下降會(huì)增加電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全裕度，使得電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行更加容易。然而，負(fù)荷曲線以及負(fù)荷空間分布的變化仍然給電力系統(tǒng)帶來(lái)一些挑戰(zhàn)。
1、電力平衡
第一個(gè)挑戰(zhàn)是電力平衡。在封城和居家辦公的政策影響下，晝夜特征明顯的居民負(fù)荷增加導(dǎo)致負(fù)荷峰谷差異更大。分布式光伏的增加更加劇了這種情況，并使凈負(fù)荷（net load）曲線演變?yōu)楦共枯^低和頸部較長(zhǎng)的“鴨子曲線(duck curve)” [8]。為此，必須在晚間關(guān)閉火電機(jī)組以平衡低谷負(fù)荷，并且必須預(yù)留更多的天然氣機(jī)組以提供爬坡的靈活性。這凸顯了智能電網(wǎng)新興靈活性資源的重要性，例如儲(chǔ)能和需求響應(yīng)。
需求側(cè)和發(fā)電側(cè)不確定性的增加也對(duì)電力平衡帶來(lái)了困難[9]。電力系統(tǒng)的平衡是通過(guò)多種時(shí)間尺度的計(jì)劃和調(diào)度實(shí)現(xiàn)的，包括年度/月度計(jì)劃，周計(jì)劃，日前計(jì)劃，日內(nèi)滾動(dòng)調(diào)度和實(shí)時(shí)調(diào)度等。這些過(guò)程十分依賴于準(zhǔn)確的負(fù)荷預(yù)測(cè)，尤其是在一些燃煤發(fā)電占比較高的電力系統(tǒng)，需要提前更多的時(shí)間安排火電機(jī)組啟停方案。新冠疫情的突然爆發(fā)和快速變化的防疫政策使負(fù)荷需求變得更加不確定，從而給負(fù)荷預(yù)測(cè)帶來(lái)了更多困難。另外，預(yù)測(cè)的基本原理是向歷史規(guī)律學(xué)習(xí)。然而，新冠疫情對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的影響是歷史罕見(jiàn)的，這使得基于學(xué)習(xí)的預(yù)測(cè)方法缺少有效的歷史數(shù)據(jù)從而難以精準(zhǔn)預(yù)報(bào)疫情期間的負(fù)荷變化。為此，必須在負(fù)荷預(yù)測(cè)中充分評(píng)估并詳細(xì)考慮各政策（防疫策略和復(fù)工復(fù)產(chǎn)政策）的影響，以跟蹤疫情期間電力負(fù)荷模式的動(dòng)態(tài)變化。
此外，間歇性可再生資源在發(fā)電組合中所占比例的增加也加劇了不確定性。因此，在發(fā)電調(diào)度中需要更大的靈活性裕量，以對(duì)沖負(fù)荷需求、風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電的波動(dòng)。
2、電壓控制
電力需求模式的轉(zhuǎn)變也給一些局部地區(qū)的電壓調(diào)節(jié)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。在分布式發(fā)電較少的情況下，配電網(wǎng)中的電壓隨著饋線的延伸而降低。隨著分布式發(fā)電（例如屋頂光伏）的不斷增加，由這些分布式發(fā)電注入的反向功率流可能導(dǎo)致饋電線電壓升高[10]，[11]和更高的波動(dòng)性[12]。在新冠疫情期間，電力需求下降，而分布式發(fā)電卻不受影響。發(fā)電過(guò)剩加劇了配電系統(tǒng)中的電壓上升問(wèn)題。例如，疫情期間，南美的公用事業(yè)公司觀察到由負(fù)荷減少引起的電壓上升的現(xiàn)象。中國(guó)、印度和北美的電力調(diào)度機(jī)構(gòu)也關(guān)注到類似問(wèn)題[5]。
為了減輕電網(wǎng)中的過(guò)電壓，多個(gè)國(guó)家/地區(qū)的調(diào)度機(jī)構(gòu)采取了預(yù)防控制措施。例如，印度的區(qū)域負(fù)荷調(diào)度中心（RLDC）通過(guò)以下方式管理電壓：1）投入電抗器，同時(shí)從配網(wǎng)中切除電容器組；2）使STATCOM和靜態(tài)VAR處于電壓控制模式；3）利用裝配了STATCOM的光伏發(fā)電吸收電網(wǎng)中的多余無(wú)功功率[9]。通過(guò)這些措施，在疫情期間降低了印度的電壓偏差水平。文獻(xiàn)[5]中也報(bào)道了類似的措施，包括在低負(fù)荷期間關(guān)閉自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)（AVC）和電容器，并開(kāi)斷一些高壓傳輸線。除了使用VAR設(shè)備，也包括主動(dòng)控制分布式的同步發(fā)電機(jī)和光伏系統(tǒng)的逆變器以維持電壓在額定范圍[13]。
3、運(yùn)維和管理
新冠疫情還給電力系統(tǒng)帶來(lái)運(yùn)維和管理上的困難。發(fā)輸電設(shè)備的定期維護(hù)通常提前幾年計(jì)劃，但是在新冠疫情期間，受封城、交通限制、供應(yīng)鏈中斷的影響，檢修和維護(hù)工作被部分推遲甚至取消。在比利時(shí)，用于檢修的輸電網(wǎng)重構(gòu)被控制在最小風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別[5]。在新西蘭和澳大利亞，計(jì)劃的檢修工作被推遲，只有那些對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要的斷電檢修才按計(jì)劃進(jìn)行[14]。在美國(guó)部分州，發(fā)電廠的檢修工作也被推遲，以降低員工的感染風(fēng)險(xiǎn)[15]。對(duì)于必須每18-24個(gè)月更換燃料的核電站，仍然在嚴(yán)格的管理下進(jìn)行有計(jì)劃的檢修和燃料棒更換[16]。
在系統(tǒng)運(yùn)行和人員管理方面，考慮到調(diào)度員和其他管理人員對(duì)電力系統(tǒng)調(diào)控運(yùn)行的重要性，他們的健康和安全受到嚴(yán)格保護(hù)。在許多受到新冠疫情影響的國(guó)家，例如中國(guó)、美國(guó)、印度，電力系統(tǒng)調(diào)度中心采取了最為嚴(yán)格的防疫措施。在中國(guó)，調(diào)度員和管理人員被隔離在工作單位，備用團(tuán)隊(duì)隨時(shí)準(zhǔn)備待命。同時(shí)，調(diào)度中心、超高壓變電站和高壓直流換流站的調(diào)度和運(yùn)行人員實(shí)施14天的輪換制度。在文獻(xiàn)[17]中，美國(guó)電力科學(xué)研究院（EPRI）總結(jié)了電力公司在疫情期間的運(yùn)營(yíng)策略。為了最大程度地減少病毒的影響并保持控制中心的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，公用事業(yè)公司采取了一些策略，例如：使用備用控制中心、執(zhí)行輪換工作方案、隔離調(diào)度員以及執(zhí)行更嚴(yán)格的清潔和消毒措施。在部分州，某些100kV以下配電網(wǎng)的控制系統(tǒng)（如DMS, OMS, SCADA）可以遠(yuǎn)程訪問(wèn)，這使得員工可以在家工作。正如云會(huì)議和在線工作在疫情期間被廣泛接受一樣，新冠疫情的爆發(fā)也使得電力系統(tǒng)管理和運(yùn)維中的新技術(shù)受到更多關(guān)注，例如AI輔助調(diào)度系統(tǒng)、無(wú)人值守變電站、高彈性電網(wǎng)等。
三、對(duì)市場(chǎng)、投資、監(jiān)管的影響
1 、電價(jià)
由于電力需求減少以及天然氣和石油價(jià)格暴跌，自2020年3月以來(lái)，大多數(shù)電力市場(chǎng)的整體價(jià)格水平急劇下降。其中歐洲電力市場(chǎng)價(jià)格下跌最為嚴(yán)重，月平均價(jià)格跌至過(guò)去六年的最低水平。圖3顯示了歐洲幾個(gè)主要電力市場(chǎng)平均價(jià)格的相對(duì)變化。與今年3月相比，N2EX英國(guó)市場(chǎng)價(jià)格下降了22.3％，EPEX SPOT法國(guó)市場(chǎng)價(jià)格下降了43.6％。而與去年同期相比，下降幅度更大，其中Nord Pool北歐市場(chǎng)價(jià)格降幅高達(dá)87.2％[18]。
在美國(guó)，電價(jià)也隨著疫情的發(fā)展而顯著下降。圖4顯示了2020年2月和2020年3月幾個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（Independent System Operator, ISO）的日平均節(jié)點(diǎn)電價(jià)（Locational Marginal Price, LMP）變化趨勢(shì)。在兩個(gè)月內(nèi)，日平均LMP下降了7％-25％[19]。在印度，電力市場(chǎng)出清價(jià)格在封城開(kāi)始后的前幾天迅速下降，然后保持相對(duì)穩(wěn)定。與2019年相比，印度2020年3月和2020年4月的平均市場(chǎng)出清價(jià)格（Market Clearing Price, MCP）分別下降了21％和24％[9]。
此外，在疫情期間負(fù)電價(jià)頻繁出現(xiàn)。自2020年3月以來(lái)，許多歐洲國(guó)家出現(xiàn)了前所未有的小時(shí)級(jí)的負(fù)價(jià)格現(xiàn)象，特別是在白天午間時(shí)段。例如，僅在2020年一季度，德國(guó)就經(jīng)歷了128小時(shí)的負(fù)電價(jià)。在4月13日， EPEX SPOT比利時(shí)市場(chǎng)的最低價(jià)格甚至達(dá)到-115.31歐元/兆瓦時(shí)[18]。這主要是負(fù)荷大幅下降、接近零邊際成本的可再生能源發(fā)電增加引起的。
2、財(cái)務(wù)狀況
在發(fā)電方面，燃煤發(fā)電廠受新冠疫情的影響最大。據(jù)國(guó)際能源署（IEA）估計(jì)，大多數(shù)國(guó)家的燃煤發(fā)電廠的發(fā)電量已大幅下降，與2019年一季度相比，2020年一季度燃煤發(fā)電量下降了8％[19]。在英國(guó)，由于經(jīng)營(yíng)虧損，3.5GW的燃煤裝機(jī)容量提前退役[4]。
在需求方面，盡管大多數(shù)用戶的財(cái)務(wù)狀況受到新冠疫情的影響，但世界各地的政府都在努力保障用戶的電能使用。文獻(xiàn)[23]匯總了主要國(guó)家為緩解用戶的電費(fèi)壓力而采取的措施。幾乎所有公用事業(yè)都自愿或強(qiáng)制提供了賬單延緩支付等服務(wù)。
但是，公用事業(yè)企業(yè)因此正經(jīng)歷著相當(dāng)艱難的時(shí)期。一方面，由于需求減少和價(jià)格下降，企業(yè)的經(jīng)營(yíng)收入縮水。另一方面，在這種特殊情況下維持電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的成本增加了。例如，印度的發(fā)電公司估計(jì)遭受了250至3,000億盧比的凈收入損失[8]。美國(guó)的公用事業(yè)股票價(jià)格從3月2日到4月8日下跌了10.9％[19]。
3、投資規(guī)劃
從短期來(lái)看，新冠疫情確實(shí)阻礙了許多投資項(xiàng)目的按時(shí)完成。由于當(dāng)?shù)氐姆怄i政策和供應(yīng)鏈中斷，大多數(shù)在建項(xiàng)目被迫中止。許多計(jì)劃中的項(xiàng)目也被推遲或取消。例如，僅在印度，就有3GW的可再生能源項(xiàng)目面臨延期[24]。美國(guó)能源信息署（EIA）估計(jì)，美國(guó)約4.9 GW的容量擴(kuò)展計(jì)劃將延期[25]。此外，公司可能無(wú)法獲得可再生能源和碳捕集項(xiàng)目的稅收減免[26]。
從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，新冠疫情不會(huì)對(duì)電力部門的投資和能源清潔化發(fā)展產(chǎn)生太大影響。圖5顯示，2020年能源總投資相對(duì)于2019年下降了20％，主要由燃料供應(yīng)（淺藍(lán)色條）下降造成。電力行業(yè)投資（深藍(lán)色條）和能效項(xiàng)目投資（綠色條）的下降幅度有限。如圖6所示，新冠疫情對(duì)清潔能源和能效項(xiàng)目投資的影響相對(duì)較小，而其在總投資中所占的份額則增加了5％。國(guó)際能源署IEA還估計(jì)，到2020年，全球?qū)⒃黾?67GW的可再生能源發(fā)電能力，與2019年相比下降13％，但放緩的步伐有望在2021年加快[29]。
四、外部性評(píng)估
作為排放大戶，疫情期間發(fā)電結(jié)構(gòu)的改變也對(duì)環(huán)境帶來(lái)了外部影響?；剂习l(fā)電每年產(chǎn)生大量的溫室氣體。根據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)署的數(shù)據(jù)，2018年電力部門排放的溫室氣體百分比為27％[30]。此外，燃煤發(fā)電還會(huì)排放一些空氣污染物，例如氮氧化物，PM2.5和PM10。而隨著人類生產(chǎn)活動(dòng)強(qiáng)度的下降，全球二氧化碳排放量已大幅減少。一項(xiàng)研究表明，到2020年一季度，全球電力部門的CO2排放量減少131.6 Mt [31]。IEA估計(jì)，各國(guó)的減排量與新冠疫情的嚴(yán)重程度和持續(xù)時(shí)間呈正相關(guān)，其中美國(guó)（-9％），中國(guó)（-8％）和歐盟（-8％）影響顯著。相較于2019年，預(yù)計(jì)2020年全年減排量為2.6 Gt（-8％），是2009年以前的0.4Gt紀(jì)錄的六倍以上[2]。
此外，據(jù)報(bào)道，全球主要的空氣污染物，例如NOx和PM2.5的排放量也在減少。在中國(guó)，2月的平均PM2.5濃度與2019年2月，2018年和2017年2月的月平均水平相比下降了20％-30％[32]。在英國(guó)，3月份的NO2和PM2.5平均濃度比以前降低了25％，在倫敦，卡迪夫和伯明翰等城市，降幅超過(guò)50％[33]。
但是，新冠疫情期間的碳排放減少更多是短期現(xiàn)象。需要指出的是，2008年金融危機(jī)結(jié)束后不久的2010年，全球CO2排放量反彈1.7Gt。在新冠疫情期間，社會(huì)和政府的關(guān)注點(diǎn)主要在公眾健康和經(jīng)濟(jì)恢復(fù)上，為此采取了諸多未充分考慮氣候和環(huán)境影響的緊急行動(dòng)和救濟(jì)措施。而在疫情后的經(jīng)濟(jì)恢復(fù)階段，事先制定的環(huán)境和氣候政策也將讓步于經(jīng)濟(jì)刺激方案[29]?？梢?jiàn)，通過(guò)減少人類活動(dòng)來(lái)減輕氣候變化是不可持續(xù)且不切實(shí)際的，更有效的方法是實(shí)現(xiàn)能源的清潔化轉(zhuǎn)型[23]。
五、小結(jié)
新冠疫情在許多方面極大地影響了人類生產(chǎn)生活。通過(guò)梳理疫情爆發(fā)以來(lái)的各類公開(kāi)資料，全面地回顧了新冠疫情對(duì)電力部門的影響。
首先，分析了新冠疫情和防控措施對(duì)電力需求、供給的影響。在電力需求方面，大多數(shù)實(shí)行封鎖政策的國(guó)家總用電量減少了，而居民負(fù)荷卻有所增加，并由此導(dǎo)致了負(fù)荷曲線形態(tài)的變化。電力供給方面，總發(fā)電量隨需求下降而下降，其中燃煤發(fā)電量的減少最大，可再生能源的份額有所增加，但棄風(fēng)棄光仍在不少地區(qū)發(fā)生。
其次，本文討論了新冠疫情對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行、調(diào)控和運(yùn)維帶來(lái)的影響，包括電力平衡，電壓控制，檢修計(jì)劃和人員管理，同時(shí)梳理了不同國(guó)家的應(yīng)對(duì)措施。再次，回顧了疫情期間電力市場(chǎng)的表現(xiàn)，多個(gè)電力市場(chǎng)的電價(jià)大幅下降，同時(shí)負(fù)電價(jià)更加頻繁地出現(xiàn)。許多燃煤發(fā)電廠和公用事業(yè)公司都遇到了財(cái)務(wù)問(wèn)題，大多數(shù)投資項(xiàng)目被暫停，但電力領(lǐng)域的長(zhǎng)期投資以及未來(lái)能源轉(zhuǎn)型的發(fā)展不會(huì)受到太大影響。
最后，討論了疫情期間電力系統(tǒng)的減排和環(huán)境影響，同時(shí)指出燃煤發(fā)電減少帶來(lái)的減排只是短期的，需要注意經(jīng)濟(jì)恢復(fù)過(guò)程中的排放反彈。需要說(shuō)明本文主要聚焦新冠疫情對(duì)電力系統(tǒng)不同方面的短期影響，而疫情和后續(xù)經(jīng)濟(jì)恢復(fù)措施對(duì)電力系統(tǒng)供需結(jié)構(gòu)、運(yùn)行調(diào)控、市場(chǎng)投資以及能源轉(zhuǎn)型的長(zhǎng)期影響值得關(guān)注和進(jìn)一步研究。
摘要：文章轉(zhuǎn)自北極星電力網(wǎng)
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