中國儲能網訊：光伏、風電發(fā)電量占比達75%，沒有煤電機組，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“負需求”與“負電價”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。南澳州電網成為全球首個實現(xiàn)負運營需求（Operational Demand）的吉瓦規(guī)模電網。
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，該州的配電網更是在2023年多次出現(xiàn)電力“負需求”現(xiàn)象。
同時，NEM批發(fā)市場的“負電價”次數(shù)也達到歷史最高水平。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“負電價”；昆士蘭州有22%的時段是“負電價”；新南威爾士州和維多利亞州的負價頻次也達到歷史最高水平，分別為12%和29%。
“負需求”和“負電價”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?shù)厮杏脩舻碾娏π枨?。當日下?2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一步下降。
電力供過于求也導致南澳州電力批發(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。當日下午12：30起，為應對“負電價”，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。屋頂光伏在配網側，AEMO對其沒有調度權，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，基本上應發(fā)盡發(fā)。
圖1：2023年12月31日南澳州電網運行及批發(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)的凈負荷變化（凈負荷=負荷—風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內發(fā)電機的出力，即表后發(fā)電量（運營需求=負荷—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)負荷變化，而運營需求曲線核減則是按發(fā)電機組的電壓等級區(qū)分，扣除配網側分布式出力。
這種區(qū)別很重要，原因有二。首先，電力批發(fā)市場是主網市場（面向接入輸電網的發(fā)電機組），其運行交易需要通過負荷曲線進行競價、出清。配網用戶參加電力市場，是以配網關口的負荷為基準。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市場，而是將配網側的電源、負荷整合在一起，作為整體進入電力市場。
通常AEMO預測電力需求的同時也要預測屋頂光伏發(fā)電量，用預測的這兩個電量相減后得到運營負荷曲線，這時的負荷數(shù)據(jù)已經扣除了分布式電源的發(fā)電量；之后再進一步扣除30兆瓦以下機組的出力，得到用于電力市場競價的負荷曲線（Scheduled Demand）。
其次，考慮到系統(tǒng)安全性，電網運營商可以根據(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)模的擴大，近兩年南澳州電網的最低運營需求急劇下降，甚至降至負值。
2021年9月26日（周日13：00—13：30），由于屋頂光伏發(fā)電量超過了電網需求，南澳州配電網凈負荷需求首次降為負值，時長2.5小時，運營最低需求創(chuàng)新低，僅236兆瓦，隨后5天，該州配電網凈負荷需求連續(xù)出現(xiàn)負值。
2021年10月，南澳州配電網又多次出現(xiàn)“負需求”現(xiàn)象（均發(fā)生在周日）。10月31日，當?shù)嘏潆娋W的凈負荷連續(xù)4小時為負值，在13：00—13：30的半小時內達到創(chuàng)紀錄的-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。燃氣發(fā)電、風電出力下降最多，集中式光伏電站的出力也在下降。在其中一個調度時段，系統(tǒng)需求為負（12:35為-38兆瓦）。這時，屋頂光伏擠壓了其他機組的發(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)絡線輸送到維多利亞州。
圖2：2021年11月21日南澳州負荷與發(fā)電出力情況
來源：澳大利亞市場運營商（AEMO）
“負需求”挑戰(zhàn)
運營需求的持續(xù)下降令電網運營商壓力倍增。這是由于他們運營的是主網市場，無法實時了解光伏在配電網中的運行情況，更無法對其進行管理。
為保障電力系統(tǒng)安全運行，AEMO為運營需求設置了底線，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)提供了重要的強度、慣量、頻率以及電壓支撐。
系統(tǒng)強度是電力系統(tǒng)在應對干擾時保持強電壓波形的能力，如機組意外停電、輸電線路故障和大負荷跳閘，通常來說具有高系統(tǒng)強度的電網能更好抵御這些干擾。對電力系統(tǒng)來說，慣量越大其強度就越高。慣量由傳統(tǒng)發(fā)電站的同步發(fā)電機（如煤電和氣電機組）提供，其旋轉頻率與電力系統(tǒng)相同，能讓電網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。如果缺乏慣量，電網不穩(wěn)定性就會大大增加。
對比傳統(tǒng)大型同步機，風光發(fā)電單機容量小，且主要依靠變流器等電力電子設備并網，（風機輸出不同步，光伏不通過旋轉發(fā)電，都無法獨立提供適合電網運行的慣性），在新能源占比高的地區(qū)同步機數(shù)量減少，由于慣量缺失，保障穩(wěn)定性成為電網亟須解決的問題。
白天屋頂光伏滿足了大部分需求，而當夜晚需要化石燃料發(fā)電時，又會導致電價飆升，并且傳統(tǒng)發(fā)電機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，如果不進行必要的調整，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、風暴等）臨界值會更快達到。
多措并舉應對系統(tǒng)風險
2020年，AEMO曾對南澳州的最低運行需求進行審查，列出“負需求”風險中的系統(tǒng)安全問題。審查發(fā)現(xiàn)，如果南澳州孤島運行，系統(tǒng)運行的復雜性和風險將顯著增加，并可能存在電壓不穩(wěn)及停電風險。
為此，AEMO提出了一系列措施緩解上述問題，包括緊急增強分布式電源的可控性和響應能力，增加儲能和就地消納資源。
2020年9月28日，AEMO在南澳州設立了屋頂光伏緊急關閉機制。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，配電商可以削減屋頂光伏發(fā)電，或遠程切斷其與電網的連接，保證電網安全運行。
此外，由于分布式光伏逆變器會因電壓下降而與電網自動斷開連接，南澳州制定了低壓穿越并網測試規(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，并在電網故障結束后1秒內恢復功率，同時強制性要求未來新裝機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，南澳州成為全球關注的焦點。該電站是當時全球最大的電池儲能電站，僅63天就投入使用。此后該項目又擴大規(guī)模，截至2023年底總儲能容量達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貼。居民用戶能通過補貼計劃獲得較低成本的融資，以支付電池補貼沒有覆蓋的部分，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貼收益、聯(lián)邦政府為光伏提供的小規(guī)模技術證書收益等。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。
為提高系統(tǒng)強度，2023年11月，南澳州輸電網公司（ElectraNet）就該州系統(tǒng)強度維護發(fā)布可行性報告，新的系統(tǒng)強度標準計劃將從2025年12月開始實施，其中一個解決方法是在2028年前購置5臺同步調相機。
與此同時，增加與周邊區(qū)域的互聯(lián)容量也被提上日程。南澳州電網化石燃料機組占比小，要加強與周邊地區(qū)的互聯(lián)互通，在需要時為南澳州提供電力支撐。AEMO在一份調查報告中表示，當南澳孤網運行時，如果發(fā)生故障事件導致分布式光伏脫網，電網將無法維持標準運行頻率。區(qū)域電力市場對南澳州電網的安全穩(wěn)定運行至關重要。
2016年9月，南澳州曾出現(xiàn)極端風暴天氣，造成445兆瓦的風機大規(guī)模脫網，負荷轉移到與維多利亞州相連的Heywood聯(lián)絡線，負荷激增讓聯(lián)絡線過載（Heywood聯(lián)絡線最大容量600兆瓦，線路故障前潮流有525兆瓦，風機脫網后潮流瞬間增大至850—900兆瓦），聯(lián)絡線跳閘使南澳州電網形成孤網，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)絡線（Murraylink）和 500千伏交流聯(lián)絡線（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)絡線在“負需求”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)絡線路（Energy Connect）也在建設中，已完成南澳大利亞州部分的建設。這條900公里的新建線路將助力區(qū)域電網的安全穩(wěn)定運行，并有助于降低用戶電價。
