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【热点研究】新冠疫情对电力行业影响综述

以下文章来源于透视能源新视角 ,作者透视能源新视角

【编者按】新冠疫情深刻影响人类生活生产活动,各界机构和学者积极研究疫情对本行业的短期影响,以谋求未来可持续发展的战略共识。清华大学能源互联网智库研究中心在CSEE Journal of Power and Energy Systems最新发表的《新冠疫情对电力行业影响综述》 (Implications of COVID-19 for the Electricity Industry: a Comprehensive Review),主要聚焦新冠疫情对电力系统不同方面的短期影响,指出电力领域的长期投资以及未来能源转型的发展不会受到太大影响,但需要注意经济恢复过程中的排放反弹。该论文由清华大学康重庆教授、钟海旺副教授团队与美国德州农工大学(Texas A&M University)谢乐教授共同完成。

作者

钟海旺、谭振飞、何一鎏、谢乐、康重庆

内容提要

由新型冠状病毒COVID-19引起的疫情于2020年初爆发,目前已蔓延全球几乎所有国家和地区。根据世界卫生组织(WHO)的数据,截至2020年6月28日,已有216个国家和地区的960万人确认感染了该病毒,并有491,000人因此死亡。为了减轻疾病的传播,许多国家采取了各种减少社会活动的措施,包括旅行禁令、城市封锁和居家工作的政策。新冠疫情席卷全球、深刻影响人类生活生产活动的同时,也给电力行业带来一系列变化和挑战。为了帮助相关的研究人员、管理人员和政策制定者更完整地了解新冠疫情对电力行业的影响,本文在梳理相关学术论文、报告、新闻和公开数据的基础上,提供了简短而相对全面的综述。从四个方面分析了新冠疫情对电力行业的影响,即:1)对电力需求和供应的影响;2)电力系统运行和控制面临的挑战;3)对市场、投资和监管的影响;4)环境外部影响。




一、对电力需求和供应的影响


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电力需求

在新冠疫情爆发后,世界各国政府采取了各种行动来遏制该病毒的传播,包括封城、社会隔离、工厂关闭和旅行禁令。这些措施极大地改变了人们的工作和生活方式,从而导致电力需求的显著变化。

首先是用电量的变化。本文搜集了四个国家(见图1,其中(a)意大利,(b)日本,(c)美国和(d)巴西)2018~2020三年中1~5月的每日用电量数据。从图中可看到,与2018、2019年相比,意大利,美国和巴西的电力需求显著下降。在意大利,封城政策于2020年3月8日在该国北部地区实施,并于2020年3月10日扩展至全国。从图1(a)可以看出,在三月的第二周,即封城政策开始全面推行后,每日的用电量下降了近20%。此后,需求平稳抬升,至5月下旬已接近去年水平。在美国和巴西,电力需求的减少也很明显。两国的日用电量分别在4月1日和3月20日之后显著下降。同时,截至5月底,这两个国家的电力需求尚未有显著回升。在日本,用电量的变化并不明显,如图1(b)所示。这可能归因于日本政府的防疫措施中并不包含全面的封城和停工。

⬆ 图1 日用电量对比

(a. 意大利,b. 日本,c. 美国,d. 巴西)

在实行城市封锁政策的国家中,电力需求的结构也发生了变化。由于停工停产,工业部门消耗的电力减少。在中国,建筑和制造业的用电需求下降了12%[2]。在美国,预计2020年工商业部门的电力需求将下降20%[3]。相反,由于限制外出政策,大多数经济体的住宅负荷增加,例如,某些欧洲国家的住宅负荷增加了近40%[2]。

随着负荷构成的改变,负荷曲线形态也发生了变化。在图2中,我们比较了纽约市在2019年和2020年4月第一周的负荷情况。该市是美国遭受新冠疫情冲击最严重的地区,并于2020年3月22日开始实施限制外出(stay-at-home)政策。从图中可以看出,每日的高峰负荷在工作日下降了近20%,在周末下降了约12%。在2019年,高峰负荷通常发生在工作日的早晨。从2020年的封锁政策开始,工作日的早高峰有所推迟,且峰值减小。相反,傍晚的峰值占据了主导地位。负荷曲线的这种变化可能是由关闭商业和工业负荷引起的。在其它地区也观察到类似的变化。在英国,封城政策实施后,工作日的负荷开始变得与周末相似。据报道,早高峰负荷的爬升速度比平时慢两倍[4]。在美国加州实施限制外出政策后,该地区扣除太阳能发电后的净负荷曲线呈现出更加明显的“鸭子曲线(duck curve)”特征,原因是用电需求的减少与太阳能发电占比的增加[5]。

⬆ 图2 纽约市负荷曲线形态对比

2

电力供给

供给方面,在总发电量下降的情况下,可再生能源发电占比反而有所增加。根据国际能源署(IEA)的统计,2020年一季度全球发电量同比下降2.6%,而可再生能源发电量增长了3%,所占份额从26%上升至28%[2]。负荷需求下降后,主要通过压减化石燃料发电以实现电力平衡,到2020年一季度,煤炭和天然气发电量分别减少了8%和3%。在英国,天然气和燃煤发电占比在2020年一季度降至29.1%,而去年同期水平为36.1%。在美国,预计到2020年燃煤发电将下降25%左右,而可再生能源发电的份额或将增加[3]。IEA的报告还显示,在大部分国家,燃气发电受到了压减,其受影响程度仅次于燃煤发电。同时,随着天然气发电的减少,水电提供的灵活性对于电力系统变得更加重要。作为清洁灵活的电力来源,水力发电在大多数国家没有受到影响。新冠疫情期间,清洁能源占比较高的一些国家,例如秘鲁,水电和可再生能源已几乎取代了火电[5]。尽管可再生能源发电占比增加了,但在某些地区风电和光伏发电的实际消纳量是减少的。例如,在美国加州CAISO,2020年一季度弃风弃光电量逐月增加,这主要是由电力需求减少导致的。



二、对电力系统运营控制的影响


一般而言,负荷水平的下降会增加电力系统运行的安全裕度,使得电力系统安全稳定运行更加容易。然而,负荷曲线以及负荷空间分布的变化仍然给电力系统带来一些挑战。

1

电力平衡

第一个挑战是电力平衡。在封城和居家办公的政策影响下,昼夜特征明显的居民负荷增加导致负荷峰谷差异更大。分布式光伏的增加更加剧了这种情况,并使净负荷(net load)曲线演变为腹部较低和颈部较长的“鸭子曲线(duck curve)” [8]。为此,必须在晚间关闭火电机组以平衡低谷负荷,并且必须预留更多的天然气机组以提供爬坡的灵活性。这凸显了智能电网新兴灵活性资源的重要性,例如储能和需求响应。

需求侧和发电侧不确定性的增加也对电力平衡带来了困难[9]。电力系统的平衡是通过多种时间尺度的计划和调度实现的,包括年度/月度计划,周计划,日前计划,日内滚动调度和实时调度等。这些过程十分依赖于准确的负荷预测,尤其是在一些燃煤发电占比较高的电力系统,需要提前更多的时间安排火电机组启停方案。新冠疫情的突然爆发和快速变化的防疫政策使负荷需求变得更加不确定,从而给负荷预测带来了更多困难。另外,预测的基本原理是向历史规律学习。然而,新冠疫情对经济和社会的影响是历史罕见的,这使得基于学习的预测方法缺少有效的历史数据从而难以精准预报疫情期间的负荷变化。为此,必须在负荷预测中充分评估并详细考虑各政策(防疫策略和复工复产政策)的影响,以跟踪疫情期间电力负荷模式的动态变化。

此外,间歇性可再生资源在发电组合中所占比例的增加也加剧了不确定性。因此,在发电调度中需要更大的灵活性裕量,以对冲负荷需求、风电和太阳能发电的波动。

2

电压控制

电力需求模式的转变也给一些局部地区的电压调节带来了挑战。在分布式发电较少的情况下,配电网中的电压随着馈线的延伸而降低。随着分布式发电(例如屋顶光伏)的不断增加,由这些分布式发电注入的反向功率流可能导致馈电线电压升高[10],[11]和更高的波动性[12]。在新冠疫情期间,电力需求下降,而分布式发电却不受影响。发电过剩加剧了配电系统中的电压上升问题。例如,疫情期间,南美的公用事业公司观察到由负荷减少引起的电压上升的现象。中国、印度和北美的电力调度机构也关注到类似问题[5]。

为了减轻电网中的过电压,多个国家/地区的调度机构采取了预防控制措施。例如,印度的区域负荷调度中心(RLDC)通过以下方式管理电压:1)投入电抗器,同时从配网中切除电容器组;2)使STATCOM和静态VAR处于电压控制模式;3)利用装配了STATCOM的光伏发电吸收电网中的多余无功功率[9]。通过这些措施,在疫情期间降低了印度的电压偏差水平。文献[5]中也报道了类似的措施,包括在低负荷期间关闭自动电压控制系统(AVC)和电容器,并开断一些高压传输线。除了使用VAR设备,也包括主动控制分布式的同步发电机和光伏系统的逆变器以维持电压在额定范围[13]。

3

运维和管理

新冠疫情还给电力系统带来运维和管理上的困难。发输电设备的定期维护通常提前几年计划,但是在新冠疫情期间,受封城、交通限制、供应链中断的影响,检修和维护工作被部分推迟甚至取消。在比利时,用于检修的输电网重构被控制在最小风险级别[5]。在新西兰和澳大利亚,计划的检修工作被推迟,只有那些对系统的安全运行至关重要的断电检修才按计划进行[14]。在美国部分州,发电厂的检修工作也被推迟,以降低员工的感染风险[15]。对于必须每18-24个月更换燃料的核电站,仍然在严格的管理下进行有计划的检修和燃料棒更换[16]。

在系统运行和人员管理方面,考虑到调度员和其他管理人员对电力系统调控运行的重要性,他们的健康和安全受到严格保护。在许多受到新冠疫情影响的国家,例如中国、美国、印度,电力系统调度中心采取了最为严格的防疫措施。在中国,调度员和管理人员被隔离在工作单位,备用团队随时准备待命。同时,调度中心、超高压变电站和高压直流换流站的调度和运行人员实施14天的轮换制度。在文献[17]中,美国电力科学研究院(EPRI)总结了电力公司在疫情期间的运营策略。为了最大程度地减少病毒的影响并保持控制中心的正常运转,公用事业公司采取了一些策略,例如:使用备用控制中心、执行轮换工作方案、隔离调度员以及执行更严格的清洁和消毒措施。在部分州,某些100kV以下配电网的控制系统(如DMS, OMS, SCADA)可以远程访问,这使得员工可以在家工作。正如云会议和在线工作在疫情期间被广泛接受一样,新冠疫情的爆发也使得电力系统管理和运维中的新技术受到更多关注,例如AI辅助调度系统、无人值守变电站、高弹性电网等。




三、对市场、投资、监管的影响


1

电价

由于电力需求减少以及天然气和石油价格暴跌,自2020年3月以来,大多数电力市场的整体价格水平急剧下降。其中欧洲电力市场价格下跌最为严重,月平均价格跌至过去六年的最低水平。图3显示了欧洲几个主要电力市场平均价格的相对变化。与今年3月相比,N2EX英国市场价格下降了22.3%,EPEX SPOT法国市场价格下降了43.6%。而与去年同期相比,下降幅度更大,其中Nord Pool北欧市场价格降幅高达87.2%[18]。

⬆ 图3 欧洲电力市场月平均价格的相对变化

在美国,电价也随着疫情的发展而显著下降。图4显示了2020年2月和2020年3月几个独立系统运营商(Independent System Operator, ISO)的日平均节点电价(Locational Marginal Price, LMP)变化趋势。在两个月内,日平均LMP下降了7%-25%[19]。在印度,电力市场出清价格在封城开始后的前几天迅速下降,然后保持相对稳定。与2019年相比,印度2020年3月和2020年4月的平均市场出清价格(Market Clearing Price, MCP)分别下降了21%和24%[9]。

⬆ 图4 美国多个ISO的每日平均LMP

此外,在疫情期间负电价频繁出现。自2020年3月以来,许多欧洲国家出现了前所未有的小时级的负价格现象,特别是在白天午间时段。例如,仅在2020年一季度,德国就经历了128小时的负电价。在4月13日, EPEX SPOT比利时市场的最低价格甚至达到-115.31欧元/兆瓦时[18]。这主要是负荷大幅下降、接近零边际成本的可再生能源发电增加引起的。

2

财务状况

在发电方面,燃煤发电厂受新冠疫情的影响最大。据国际能源署(IEA)估计,大多数国家的燃煤发电厂的发电量已大幅下降,与2019年一季度相比,2020年一季度燃煤发电量下降了8%[19]。在英国,由于经营亏损,3.5GW的燃煤装机容量提前退役[4]。

在需求方面,尽管大多数用户的财务状况受到新冠疫情的影响,但世界各地的政府都在努力保障用户的电能使用。文献[23]汇总了主要国家为缓解用户的电费压力而采取的措施。几乎所有公用事业都自愿或强制提供了账单延缓支付等服务。

但是,公用事业企业因此正经历着相当艰难的时期。一方面,由于需求减少和价格下降,企业的经营收入缩水。另一方面,在这种特殊情况下维持电力系统正常运行的成本增加了。例如,印度的发电公司估计遭受了250至3,000亿卢比的净收入损失[8]。美国的公用事业股票价格从3月2日到4月8日下跌了10.9%[19]。

3

投资规划

从短期来看,新冠疫情确实阻碍了许多投资项目的按时完成。由于当地的封锁政策和供应链中断,大多数在建项目被迫中止。许多计划中的项目也被推迟或取消。例如,仅在印度,就有3GW的可再生能源项目面临延期[24]。美国能源信息署(EIA)估计,美国约4.9 GW的容量扩展计划将延期[25]。此外,公司可能无法获得可再生能源和碳捕集项目的税收减免[26]。

⬆ 图5 2017-2020年全球能源总投资

⬆ 图6 2015-2020年全球在清洁能源和效率上的投资以及在总投资中的份额 欧洲电力市场月平均价格的相对变化

从长远来看,新冠疫情不会对电力部门的投资和能源清洁化发展产生太大影响。图5显示,2020年能源总投资相对于2019年下降了20%,主要由燃料供应(浅蓝色条)下降造成。电力行业投资(深蓝色条)和能效项目投资(绿色条)的下降幅度有限。如图6所示,新冠疫情对清洁能源和能效项目投资的影响相对较小,而其在总投资中所占的份额则增加了5%。国际能源署IEA还估计,到2020年,全球将增加167GW的可再生能源发电能力,与2019年相比下降13%,但放缓的步伐有望在2021年加快[29]。




四、外部性评估


作为排放大户,疫情期间发电结构的改变也对环境带来了外部影响。化石燃料发电每年产生大量的温室气体。根据美国环境保护署的数据,2018年电力部门排放的温室气体百分比为27%[30]。此外,燃煤发电还会排放一些空气污染物,例如氮氧化物,PM2.5和PM10。而随着人类生产活动强度的下降,全球二氧化碳排放量已大幅减少。一项研究表明,到2020年一季度,全球电力部门的CO2排放量减少131.6 Mt [31]。IEA估计,各国的减排量与新冠疫情的严重程度和持续时间呈正相关,其中美国(-9%),中国(-8%)和欧盟(-8%)影响显著。相较于2019年,预计2020年全年减排量为2.6 Gt(-8%),是2009年以前的0.4Gt纪录的六倍以上[2]。

此外,据报道,全球主要的空气污染物,例如NOx和PM2.5的排放量也在减少。在中国,2月的平均PM2.5浓度与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]。在英国,3月份的NO2和PM2.5平均浓度比以前降低了25%,在伦敦,卡迪夫和伯明翰等城市,降幅超过50%[33]。

但是,新冠疫情期间的碳排放减少更多是短期现象。需要指出的是,2008年金融危机结束后不久的2010年,全球CO2排放量反弹1.7Gt。在新冠疫情期间,社会和政府的关注点主要在公众健康和经济恢复上,为此采取了诸多未充分考虑气候和环境影响的紧急行动和救济措施。而在疫情后的经济恢复阶段,事先制定的环境和气候政策也将让步于经济刺激方案[29]。可见,通过减少人类活动来减轻气候变化是不可持续且不切实际的,更有效的方法是实现能源的清洁化转型[23]。



五、小结


新冠疫情在许多方面极大地影响了人类生产生活。本文通过广泛调研和梳理疫情爆发以来的各类公开资料,全面地回顾了新冠疫情对电力部门的影响。

首先,分析了新冠疫情和防控措施对电力需求、供给的影响。在电力需求方面,大多数实行封锁政策的国家总用电量减少了,而居民负荷却有所增加,并由此导致了负荷曲线形态的变化。电力供给方面,总发电量随需求下降而下降,其中燃煤发电量的减少最大,可再生能源的份额有所增加,但弃风弃光仍在不少地区发生。

其次,本文讨论了新冠疫情对电力系统运行、调控和运维带来的影响,包括电力平衡,电压控制,检修计划和人员管理,同时梳理了不同国家的应对措施。再次,回顾了疫情期间电力市场的表现,多个电力市场的电价大幅下降,同时负电价更加频繁地出现。许多燃煤发电厂和公用事业公司都遇到了财务问题,大多数投资项目被暂停,但电力领域的长期投资以及未来能源转型的发展不会受到太大影响。

最后,讨论了疫情期间电力系统的减排和环境影响,同时指出燃煤发电减少带来的减排只是短期的,需要注意经济恢复过程中的排放反弹。需要说明本文主要聚焦新冠疫情对电力系统不同方面的短期影响,而疫情和后续经济恢复措施对电力系统供需结构、运行调控、市场投资以及能源转型的长期影响值得关注和进一步研究。



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编辑:张鹏

审核:白恺