中国储能网讯：光伏、风电发电量占比达75%，没有煤电机组，其余依靠气电和外来电，南澳大利亚州（以下简称南澳州）电网正在打造高比例可再生能源样板。然而，近两年来，南澳州电力市场“负需求”与“负电价”频发，给电力系统和市场运行带来挑战。

2023年12月31日下午，屋顶光伏发电可满足南澳州101%的电力总需求。南澳州电网成为全球首个实现负运营需求（Operational Demand）的吉瓦规模电网。

澳大利亚市场运营商（AEMO）的数据显示，2023年第四季度澳大利亚国家电力市场（NEM）分布式光伏平均发电量达到历史新高，为3433兆瓦，比2022年同期高出17%，并创下季度发电量新纪录。目前NEM有超过31%的家庭用户使用分布式光伏系统供电，其中南澳州的分布式光伏能提供该州48%的用电需求，该州的配电网更是在2023年多次出现电力“负需求”现象。

同时，NEM批发市场的“负电价”次数也达到历史最高水平。AEMO发布的最新《季度能源动态报告》显示，2023年第四季度NEM所有地区发生“负电价”的频次均有所增加，创下历史新高。在所有交易时段中，南澳州有33%的时段都是“负电价”；昆士兰州有22%的时段是“负电价”；新南威尔士州和维多利亚州的负价频次也达到历史最高水平，分别为12%和29%。

“负需求”和“负电价”现象的根本原因是系统供需失衡。

2023年12月31日，南澳州天气晴朗气温适中，屋顶光伏发电量超过当地所有用户的电力需求。当日下午12点30分开始，屋顶光伏发电可提供南澳州能源需求的101.8%；截至下午1点30分，南澳州配电网的最低运营需求降至-26兆瓦，较2023年10月1日5兆瓦的最低记录进一步下降。

电力供过于求也导致南澳州电力批发市场价格下降。12月31日，南澳州平均批发电价为-66.54美元/兆瓦时，比该州以前的平均电价低20美元/兆瓦时。当日下午12：30起，为应对“负电价”，避免“价格蚕食”，一大批参与批发（现货）市场的集中式风电和光伏电站停发，发电量接近于零。

不过，屋顶光伏电价并不受此影响。屋顶光伏在配网侧，AEMO对其没有调度权，因此屋顶光伏不直接参与批发市场。而且由于享受电价补贴政策，屋顶光伏面对与集中式可再生能源开发商截然不同的价格信号，基本上应发尽发。

图1：2023年12月31日南澳州电网运行及批发市场电价情况

来源：OpenNEM

最低运营水平急剧下降

与“鸭子曲线”体现的净负荷变化（净负荷=负荷—风光等可再生能源出力）不同，澳大利亚的运营需求曲线扣除的是分布式电源出力以及其他小型配网内发电机的出力，即表后发电量（运营需求=负荷—分布式电源出力），但未扣除大规模集中式电站的发电量。

据澳大利亚AGL能源有限公司能源市场部原主任分析师刘东胜介绍，传统的“鸭子曲线”是按电源品种区分，体现负荷变化，而运营需求曲线核减则是按发电机组的电压等级区分，扣除配网侧分布式出力。

这种区别很重要，原因有二。首先，电力批发市场是主网市场（面向接入输电网的发电机组），其运行交易需要通过负荷曲线进行竞价、出清。配网用户参加电力市场，是以配网关口的负荷为基准。也就是说，大部分商用、家庭分布式光伏用户并不直接参与主网市场，而是将配网侧的电源、负荷整合在一起，作为整体进入电力市场。

通常AEMO预测电力需求的同时也要预测屋顶光伏发电量，用预测的这两个电量相减后得到运营负荷曲线，这时的负荷数据已经扣除了分布式电源的发电量；之后再进一步扣除30兆瓦以下机组的出力，得到用于电力市场竞价的负荷曲线（Scheduled Demand）。

其次，考虑到系统安全性，电网运营商可以根据系统运行约束削减部分电源。但大多数情况下，全球各地的电网极少基于安全约束削减分布式能源。

澳洲之所以采用运营需求曲线，是因为分布式电源未直接参与批发市场，在电力批发（现货）市场出清时，运营需求反映的是参与批发市场的集中式机组的出力大小，并以此计算出清量。

实际上，自2012年以来，南澳州的最低运营需求水平（Minimum Operational Demand）就一直呈下降趋势，并且随着屋顶光伏规模的扩大，近两年南澳州电网的最低运营需求急剧下降，甚至降至负值。

2021年9月26日（周日13：00—13：30），由于屋顶光伏发电量超过了电网需求，南澳州配电网净负荷需求首次降为负值，时长2.5小时，运营最低需求创新低，仅236兆瓦，随后5天，该州配电网净负荷需求连续出现负值。

2021年10月，南澳州配电网又多次出现“负需求”现象（均发生在周日）。10月31日，当地配电网的净负荷连续4小时为负值，在13：00—13：30的半小时内达到创纪录的-69.4兆瓦，运营最低需求仅188兆瓦。2021年11月21日，随着屋顶光伏出力增加，运营最低需求又降至104兆瓦。

如图2所示，2021年11月21日“负需求”出现期间，参与南澳州电力批发市场的三种电源的出力大幅下降。燃气发电、风电出力下降最多，集中式光伏电站的出力也在下降。在其中一个调度时段，系统需求为负（12:35为-38兆瓦）。这时，屋顶光伏挤压了其他机组的发电容量，其发电量足已满足南澳州100%的能源需求，超出的38兆瓦则通过州间的联络线输送到维多利亚州。

图2：2021年11月21日南澳州负荷与发电出力情况

来源：澳大利亚市场运营商（AEMO）

“负需求”挑战

运营需求的持续下降令电网运营商压力倍增。这是由于他们运营的是主网市场，无法实时了解光伏在配电网中的运行情况，更无法对其进行管理。

为保障电力系统安全运行，AEMO为运营需求设置了底线，要求NEM市场在任何时段都要至少保证4—6吉瓦的运营需求处于在线状态。这些集中式电源为电力系统提供了重要的强度、惯量、频率以及电压支撑。

系统强度是电力系统在应对干扰时保持强电压波形的能力，如机组意外停电、输电线路故障和大负荷跳闸，通常来说具有高系统强度的电网能更好抵御这些干扰。对电力系统来说，惯量越大其强度就越高。惯量由传统发电站的同步发电机（如煤电和气电机组）提供，其旋转频率与电力系统相同，能让电网更有能力承受电力激增和供需失衡，并从系统冲击中恢复。如果缺乏惯量，电网不稳定性就会大大增加。

对比传统大型同步机，风光发电单机容量小，且主要依靠变流器等电力电子设备并网，（风机输出不同步，光伏不通过旋转发电，都无法独立提供适合电网运行的惯性），在新能源占比高的地区同步机数量减少，由于惯量缺失，保障稳定性成为电网亟须解决的问题。

白天屋顶光伏满足了大部分需求，而当夜晚需要化石燃料发电时，又会导致电价飙升，并且传统发电机组难以立即启动运行，可能无法在需要的时候及时满足发电需求。AEMO在公告中表示，如果不进行必要的调整，系统灵活性会持续降低，届时保障系统安全运行将越来越有挑战性。

据AEMO预测，随着屋顶光伏发电量增加，到2025—2026年，整个NEM市场的最低运营需求将低于4—6吉瓦的临界值，这种情况的发生频率和持续时间也将增加；如遇线路中断、孤岛运行或其他极端条件（山火、风暴等）临界值会更快达到。

多措并举应对系统风险

2020年，AEMO曾对南澳州的最低运行需求进行审查，列出“负需求”风险中的系统安全问题。审查发现，如果南澳州孤岛运行，系统运行的复杂性和风险将显著增加，并可能存在电压不稳及停电风险。

为此，AEMO提出了一系列措施缓解上述问题，包括紧急增强分布式电源的可控性和响应能力，增加储能和就地消纳资源。

2020年9月28日，AEMO在南澳州设立了屋顶光伏紧急关闭机制。在光伏发电的高峰期间，如果使用其他措施不能稳定电网，配电商可以削减屋顶光伏发电，或远程切断其与电网的连接，保证电网安全运行。

此外，由于分布式光伏逆变器会因电压下降而与电网自动断开连接，南澳州制定了低压穿越并网测试规范。该规范要求，逆变器在50V电压下能够支撑至少220毫秒，并在电网故障结束后1秒内恢复功率，同时强制性要求未来新装机的逆变器必须具备低压穿越功能。这也是澳大利亚首次将低穿要求纳入分布式逆变器的考核。

在储能方面，南澳州政府对大型储能电站和用户侧储能项目都很重视。随着2017年储能电站Hornsdale Power Reserve（特斯拉电池）一期的快速推进，南澳州成为全球关注的焦点。该电站是当时全球最大的电池储能电站，仅63天就投入使用。此后该项目又扩大规模，截至2023年底总储能容量达471兆瓦，该电站在多次电力紧急事件中发挥了重要作用。

南澳州政府还为4万个家庭提供安装电池储能的补贴。居民用户能通过补贴计划获得较低成本的融资，以支付电池补贴没有覆盖的部分，也可用于新增光伏板。

基于大量的用户侧储能项目，南澳州还开展了虚拟电厂示范项目，探索分布式储能聚合参与市场交易。以南澳大利亚州虚拟电厂储能（VPP）项目为例，参与该项目可以获得的收益包括：光储系统售电收益、VPP参与电力市场的收益、南澳州政府的家用电池补贴收益、联邦政府为光伏提供的小规模技术证书收益等。在这些收益的支持下，南澳州含储能的VPP项目投资回收期通常在5年以内。

为提高系统强度，2023年11月，南澳州输电网公司（ElectraNet）就该州系统强度维护发布可行性报告，新的系统强度标准计划将从2025年12月开始实施，其中一个解决方法是在2028年前购置5台同步调相机。

与此同时，增加与周边区域的互联容量也被提上日程。南澳州电网化石燃料机组占比小，要加强与周边地区的互联互通，在需要时为南澳州提供电力支撑。AEMO在一份调查报告中表示，当南澳孤网运行时，如果发生故障事件导致分布式光伏脱网，电网将无法维持标准运行频率。区域电力市场对南澳州电网的安全稳定运行至关重要。

2016年9月，南澳州曾出现极端风暴天气，造成445兆瓦的风机大规模脱网，负荷转移到与维多利亚州相连的Heywood联络线，负荷激增让联络线过载（Heywood联络线最大容量600兆瓦，线路故障前潮流有525兆瓦，风机脱网后潮流瞬间增大至850—900兆瓦），联络线跳闸使南澳州电网形成孤网，整个州陷入大规模停电。

据刘东胜介绍，南澳州通过200千伏直流联络线（Murraylink）和 500千伏交流联络线（Heywood）连接到维多利亚州。AEMO的数据显示，2023年，Murraylink平均每小时净输入量为50兆瓦，Heywood平均每小时净输入量为44兆瓦，年净输入量为94兆瓦。这几条联络线在“负需求”期间将多发的光伏输送到维多利亚州，在南澳州电力紧缺时提供电源支撑，对电网平衡起到重要作用。

目前，联接南澳洲与新南威尔士州的第三条联络线路（Energy Connect）也在建设中，已完成南澳大利亚州部分的建设。这条900公里的新建线路将助力区域电网的安全稳定运行，并有助于降低用户电价。