中國儲能網(wǎng)訊：光伏、風(fēng)電發(fā)電量占比達(dá)75%，沒有煤電機(jī)組，其余依靠氣電和外來電，南澳大利亞州（以下簡稱南澳州）電網(wǎng)正在打造高比例可再生能源樣板。然而，近兩年來，南澳州電力市場“負(fù)需求”與“負(fù)電價”頻發(fā)，給電力系統(tǒng)和市場運行帶來挑戰(zhàn)。
2023年12月31日下午，屋頂光伏發(fā)電可滿足南澳州101%的電力總需求。南澳州電網(wǎng)成為全球首個實現(xiàn)負(fù)運營需求（Operational Demand）的吉瓦規(guī)模電網(wǎng)。
澳大利亞市場運營商（AEMO）的數(shù)據(jù)顯示，2023年第四季度澳大利亞國家電力市場（NEM）分布式光伏平均發(fā)電量達(dá)到歷史新高，為3433兆瓦，比2022年同期高出17%，并創(chuàng)下季度發(fā)電量新紀(jì)錄。目前NEM有超過31%的家庭用戶使用分布式光伏系統(tǒng)供電，其中南澳州的分布式光伏能提供該州48%的用電需求，該州的配電網(wǎng)更是在2023年多次出現(xiàn)電力“負(fù)需求”現(xiàn)象。
同時，NEM批發(fā)市場的“負(fù)電價”次數(shù)也達(dá)到歷史最高水平。AEMO發(fā)布的最新《季度能源動態(tài)報告》顯示，2023年第四季度NEM所有地區(qū)發(fā)生“負(fù)電價”的頻次均有所增加，創(chuàng)下歷史新高。在所有交易時段中，南澳州有33%的時段都是“負(fù)電價”；昆士蘭州有22%的時段是“負(fù)電價”；新南威爾士州和維多利亞州的負(fù)價頻次也達(dá)到歷史最高水平，分別為12%和29%。
“負(fù)需求”和“負(fù)電價”現(xiàn)象的根本原因是系統(tǒng)供需失衡。
2023年12月31日，南澳州天氣晴朗氣溫適中，屋頂光伏發(fā)電量超過當(dāng)?shù)厮杏脩舻碾娏π枨?。?dāng)日下午12點30分開始，屋頂光伏發(fā)電可提供南澳州能源需求的101.8%；截至下午1點30分，南澳州配電網(wǎng)的最低運營需求降至-26兆瓦，較2023年10月1日5兆瓦的最低記錄進(jìn)一步下降。
電力供過于求也導(dǎo)致南澳州電力批發(fā)市場價格下降。12月31日，南澳州平均批發(fā)電價為-66.54美元/兆瓦時，比該州以前的平均電價低20美元/兆瓦時。當(dāng)日下午12：30起，為應(yīng)對“負(fù)電價”，避免“價格蠶食”，一大批參與批發(fā)（現(xiàn)貨）市場的集中式風(fēng)電和光伏電站停發(fā)，發(fā)電量接近于零。
不過，屋頂光伏電價并不受此影響。屋頂光伏在配網(wǎng)側(cè)，AEMO對其沒有調(diào)度權(quán)，因此屋頂光伏不直接參與批發(fā)市場。而且由于享受電價補(bǔ)貼政策，屋頂光伏面對與集中式可再生能源開發(fā)商截然不同的價格信號，基本上應(yīng)發(fā)盡發(fā)。
圖1：2023年12月31日南澳州電網(wǎng)運行及批發(fā)市場電價情況
來源：OpenNEM
最低運營水平急劇下降
與“鴨子曲線”體現(xiàn)的凈負(fù)荷變化（凈負(fù)荷=負(fù)荷—風(fēng)光等可再生能源出力）不同，澳大利亞的運營需求曲線扣除的是分布式電源出力以及其他小型配網(wǎng)內(nèi)發(fā)電機(jī)的出力，即表后發(fā)電量（運營需求=負(fù)荷—分布式電源出力），但未扣除大規(guī)模集中式電站的發(fā)電量。
據(jù)澳大利亞AGL能源有限公司能源市場部原主任分析師劉東勝介紹，傳統(tǒng)的“鴨子曲線”是按電源品種區(qū)分，體現(xiàn)負(fù)荷變化，而運營需求曲線核減則是按發(fā)電機(jī)組的電壓等級區(qū)分，扣除配網(wǎng)側(cè)分布式出力。
這種區(qū)別很重要，原因有二。首先，電力批發(fā)市場是主網(wǎng)市場（面向接入輸電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)組），其運行交易需要通過負(fù)荷曲線進(jìn)行競價、出清。配網(wǎng)用戶參加電力市場，是以配網(wǎng)關(guān)口的負(fù)荷為基準(zhǔn)。也就是說，大部分商用、家庭分布式光伏用戶并不直接參與主網(wǎng)市場，而是將配網(wǎng)側(cè)的電源、負(fù)荷整合在一起，作為整體進(jìn)入電力市場。
通常AEMO預(yù)測電力需求的同時也要預(yù)測屋頂光伏發(fā)電量，用預(yù)測的這兩個電量相減后得到運營負(fù)荷曲線，這時的負(fù)荷數(shù)據(jù)已經(jīng)扣除了分布式電源的發(fā)電量；之后再進(jìn)一步扣除30兆瓦以下機(jī)組的出力，得到用于電力市場競價的負(fù)荷曲線（Scheduled Demand）。
其次，考慮到系統(tǒng)安全性，電網(wǎng)運營商可以根據(jù)系統(tǒng)運行約束削減部分電源。但大多數(shù)情況下，全球各地的電網(wǎng)極少基于安全約束削減分布式能源。
澳洲之所以采用運營需求曲線，是因為分布式電源未直接參與批發(fā)市場，在電力批發(fā)（現(xiàn)貨）市場出清時，運營需求反映的是參與批發(fā)市場的集中式機(jī)組的出力大小，并以此計算出清量。
實際上，自2012年以來，南澳州的最低運營需求水平（Minimum Operational Demand）就一直呈下降趨勢，并且隨著屋頂光伏規(guī)模的擴(kuò)大，近兩年南澳州電網(wǎng)的最低運營需求急劇下降，甚至降至負(fù)值。
2021年9月26日（周日13：00—13：30），由于屋頂光伏發(fā)電量超過了電網(wǎng)需求，南澳州配電網(wǎng)凈負(fù)荷需求首次降為負(fù)值，時長2.5小時，運營最低需求創(chuàng)新低，僅236兆瓦，隨后5天，該州配電網(wǎng)凈負(fù)荷需求連續(xù)出現(xiàn)負(fù)值。
2021年10月，南澳州配電網(wǎng)又多次出現(xiàn)“負(fù)需求”現(xiàn)象（均發(fā)生在周日）。10月31日，當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)的凈負(fù)荷連續(xù)4小時為負(fù)值，在13：00—13：30的半小時內(nèi)達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的-69.4兆瓦，運營最低需求僅188兆瓦。2021年11月21日，隨著屋頂光伏出力增加，運營最低需求又降至104兆瓦。
如圖2所示，2021年11月21日“負(fù)需求”出現(xiàn)期間，參與南澳州電力批發(fā)市場的三種電源的出力大幅下降。燃?xì)獍l(fā)電、風(fēng)電出力下降最多，集中式光伏電站的出力也在下降。在其中一個調(diào)度時段，系統(tǒng)需求為負(fù)（12:35為-38兆瓦）。這時，屋頂光伏擠壓了其他機(jī)組的發(fā)電容量，其發(fā)電量足已滿足南澳州100%的能源需求，超出的38兆瓦則通過州間的聯(lián)絡(luò)線輸送到維多利亞州。
圖2：2021年11月21日南澳州負(fù)荷與發(fā)電出力情況
來源：澳大利亞市場運營商（AEMO）
“負(fù)需求”挑戰(zhàn)
運營需求的持續(xù)下降令電網(wǎng)運營商壓力倍增。這是由于他們運營的是主網(wǎng)市場，無法實時了解光伏在配電網(wǎng)中的運行情況，更無法對其進(jìn)行管理。
為保障電力系統(tǒng)安全運行，AEMO為運營需求設(shè)置了底線，要求NEM市場在任何時段都要至少保證4—6吉瓦的運營需求處于在線狀態(tài)。這些集中式電源為電力系統(tǒng)提供了重要的強(qiáng)度、慣量、頻率以及電壓支撐。
系統(tǒng)強(qiáng)度是電力系統(tǒng)在應(yīng)對干擾時保持強(qiáng)電壓波形的能力，如機(jī)組意外停電、輸電線路故障和大負(fù)荷跳閘，通常來說具有高系統(tǒng)強(qiáng)度的電網(wǎng)能更好抵御這些干擾。對電力系統(tǒng)來說，慣量越大其強(qiáng)度就越高。慣量由傳統(tǒng)發(fā)電站的同步發(fā)電機(jī)（如煤電和氣電機(jī)組）提供，其旋轉(zhuǎn)頻率與電力系統(tǒng)相同，能讓電網(wǎng)更有能力承受電力激增和供需失衡，并從系統(tǒng)沖擊中恢復(fù)。如果缺乏慣量，電網(wǎng)不穩(wěn)定性就會大大增加。
對比傳統(tǒng)大型同步機(jī)，風(fēng)光發(fā)電單機(jī)容量小，且主要依靠變流器等電力電子設(shè)備并網(wǎng)，（風(fēng)機(jī)輸出不同步，光伏不通過旋轉(zhuǎn)發(fā)電，都無法獨立提供適合電網(wǎng)運行的慣性），在新能源占比高的地區(qū)同步機(jī)數(shù)量減少，由于慣量缺失，保障穩(wěn)定性成為電網(wǎng)亟須解決的問題。
白天屋頂光伏滿足了大部分需求，而當(dāng)夜晚需要化石燃料發(fā)電時，又會導(dǎo)致電價飆升，并且傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組難以立即啟動運行，可能無法在需要的時候及時滿足發(fā)電需求。AEMO在公告中表示，如果不進(jìn)行必要的調(diào)整，系統(tǒng)靈活性會持續(xù)降低，屆時保障系統(tǒng)安全運行將越來越有挑戰(zhàn)性。
據(jù)AEMO預(yù)測，隨著屋頂光伏發(fā)電量增加，到2025—2026年，整個NEM市場的最低運營需求將低于4—6吉瓦的臨界值，這種情況的發(fā)生頻率和持續(xù)時間也將增加；如遇線路中斷、孤島運行或其他極端條件（山火、風(fēng)暴等）臨界值會更快達(dá)到。
多措并舉應(yīng)對系統(tǒng)風(fēng)險
2020年，AEMO曾對南澳州的最低運行需求進(jìn)行審查，列出“負(fù)需求”風(fēng)險中的系統(tǒng)安全問題。審查發(fā)現(xiàn)，如果南澳州孤島運行，系統(tǒng)運行的復(fù)雜性和風(fēng)險將顯著增加，并可能存在電壓不穩(wěn)及停電風(fēng)險。
為此，AEMO提出了一系列措施緩解上述問題，包括緊急增強(qiáng)分布式電源的可控性和響應(yīng)能力，增加儲能和就地消納資源。
2020年9月28日，AEMO在南澳州設(shè)立了屋頂光伏緊急關(guān)閉機(jī)制。在光伏發(fā)電的高峰期間，如果使用其他措施不能穩(wěn)定電網(wǎng)，配電商可以削減屋頂光伏發(fā)電，或遠(yuǎn)程切斷其與電網(wǎng)的連接，保證電網(wǎng)安全運行。
此外，由于分布式光伏逆變器會因電壓下降而與電網(wǎng)自動斷開連接，南澳州制定了低壓穿越并網(wǎng)測試規(guī)范。該規(guī)范要求，逆變器在50V電壓下能夠支撐至少220毫秒，并在電網(wǎng)故障結(jié)束后1秒內(nèi)恢復(fù)功率，同時強(qiáng)制性要求未來新裝機(jī)的逆變器必須具備低壓穿越功能。這也是澳大利亞首次將低穿要求納入分布式逆變器的考核。
在儲能方面，南澳州政府對大型儲能電站和用戶側(cè)儲能項目都很重視。隨著2017年儲能電站Hornsdale Power Reserve（特斯拉電池）一期的快速推進(jìn)，南澳州成為全球關(guān)注的焦點。該電站是當(dāng)時全球最大的電池儲能電站，僅63天就投入使用。此后該項目又?jǐn)U大規(guī)模，截至2023年底總儲能容量達(dá)471兆瓦，該電站在多次電力緊急事件中發(fā)揮了重要作用。
南澳州政府還為4萬個家庭提供安裝電池儲能的補(bǔ)貼。居民用戶能通過補(bǔ)貼計劃獲得較低成本的融資，以支付電池補(bǔ)貼沒有覆蓋的部分，也可用于新增光伏板。
基于大量的用戶側(cè)儲能項目，南澳州還開展了虛擬電廠示范項目，探索分布式儲能聚合參與市場交易。以南澳大利亞州虛擬電廠儲能（VPP）項目為例，參與該項目可以獲得的收益包括：光儲系統(tǒng)售電收益、VPP參與電力市場的收益、南澳州政府的家用電池補(bǔ)貼收益、聯(lián)邦政府為光伏提供的小規(guī)模技術(shù)證書收益等。在這些收益的支持下，南澳州含儲能的VPP項目投資回收期通常在5年以內(nèi)。
為提高系統(tǒng)強(qiáng)度，2023年11月，南澳州輸電網(wǎng)公司（ElectraNet）就該州系統(tǒng)強(qiáng)度維護(hù)發(fā)布可行性報告，新的系統(tǒng)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)計劃將從2025年12月開始實施，其中一個解決方法是在2028年前購置5臺同步調(diào)相機(jī)。
與此同時，增加與周邊區(qū)域的互聯(lián)容量也被提上日程。南澳州電網(wǎng)化石燃料機(jī)組占比小，要加強(qiáng)與周邊地區(qū)的互聯(lián)互通，在需要時為南澳州提供電力支撐。AEMO在一份調(diào)查報告中表示，當(dāng)南澳孤網(wǎng)運行時，如果發(fā)生故障事件導(dǎo)致分布式光伏脫網(wǎng)，電網(wǎng)將無法維持標(biāo)準(zhǔn)運行頻率。區(qū)域電力市場對南澳州電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。
2016年9月，南澳州曾出現(xiàn)極端風(fēng)暴天氣，造成445兆瓦的風(fēng)機(jī)大規(guī)模脫網(wǎng)，負(fù)荷轉(zhuǎn)移到與維多利亞州相連的Heywood聯(lián)絡(luò)線，負(fù)荷激增讓聯(lián)絡(luò)線過載（Heywood聯(lián)絡(luò)線最大容量600兆瓦，線路故障前潮流有525兆瓦，風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)后潮流瞬間增大至850—900兆瓦），聯(lián)絡(luò)線跳閘使南澳州電網(wǎng)形成孤網(wǎng)，整個州陷入大規(guī)模停電。
據(jù)劉東勝介紹，南澳州通過200千伏直流聯(lián)絡(luò)線（Murraylink）和 500千伏交流聯(lián)絡(luò)線（Heywood）連接到維多利亞州。AEMO的數(shù)據(jù)顯示，2023年，Murraylink平均每小時凈輸入量為50兆瓦，Heywood平均每小時凈輸入量為44兆瓦，年凈輸入量為94兆瓦。這幾條聯(lián)絡(luò)線在“負(fù)需求”期間將多發(fā)的光伏輸送到維多利亞州，在南澳州電力緊缺時提供電源支撐，對電網(wǎng)平衡起到重要作用。
目前，聯(lián)接南澳洲與新南威爾士州的第三條聯(lián)絡(luò)線路（Energy Connect）也在建設(shè)中，已完成南澳大利亞州部分的建設(shè)。這條900公里的新建線路將助力區(qū)域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，并有助于降低用戶電價。
