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(yùn)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(shí)現(xiàn)負(fù)運(yùn)營需求（Operational Demand）的吉瓦規(guī)模電網(wǎng)。
澳大利亞市場運(yùn)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(bào)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(diǎn)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(diǎn)30分，南澳州配電網(wǎng)的最低運(yùn)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(yùn)行及批發(fā)市場電價情況
來源：OpenNEM
最低運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)營商可以根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)營需求曲線，是因?yàn)榉植际诫娫次粗苯訁⑴c批發(fā)市場，在電力批發(fā)（現(xiàn)貨）市場出清時，運(yùn)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(jì)算出清量。
實(shí)際上，自2012年以來，南澳州的最低運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)營商（AEMO）
“負(fù)需求”挑戰(zhàn)
運(yùn)營需求的持續(xù)下降令電網(wǎng)運(yùn)營商壓力倍增。這是由于他們運(yùn)營的是主網(wǎng)市場，無法實(shí)時了解光伏在配電網(wǎng)中的運(yùn)行情況，更無法對其進(jìn)行管理。
為保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行，AEMO為運(yùn)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(yùn)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(dú)立提供適合電網(wǎng)運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(xiǎn)
2020年，AEMO曾對南澳州的最低運(yùn)行需求進(jìn)行審查，列出“負(fù)需求”風(fēng)險(xiǎn)中的系統(tǒng)安全問題。審查發(fā)現(xiàn)，如果南澳州孤島運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行的復(fù)雜性和風(fēng)險(xiǎn)將顯著增加，并可能存在電壓不穩(wěn)及停電風(fēng)險(xiǎn)。
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(yùn)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(xiàng)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(diǎn)。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(xiàng)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(jì)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(xiàng)目，南澳州還開展了虛擬電廠示范項(xiàng)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(xiàng)目為例，參與該項(xiàng)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(xiàng)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(bào)告，新的系統(tǒng)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃將從2025年12月開始實(shí)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(bào)告中表示，當(dāng)南澳孤網(wǎng)運(yùn)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(yùn)行頻率。區(qū)域電力市場對南澳州電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)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(yùn)行，并有助于降低用戶電價。
