澳大利亞是世界上人均屋頂太陽能用戶最多的國家，目前在國家電力市場覆蓋區(qū)域有超過31%的家庭用戶使用分布式光伏供電，對于電力市場產(chǎn)生了深遠影響。本文在歸納澳大利亞能源監(jiān)管機構(gòu)發(fā)布的資料和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，初步分析屋頂太陽能對電力市場影響，并從負電價這個側(cè)面凸顯了其影響的深遠程度。

屋頂光伏發(fā)展迅猛

澳大利亞幅員遼闊、人口密度低，即使在大城市絕大多數(shù)居民住房都是獨棟別墅，全國大部分地區(qū)風(fēng)光資源都極其豐富，是世界上人均屋頂太陽能用戶最多的國家。在州政府激勵措施的支持下，自2015年以來，家庭和企業(yè)每年都繼續(xù)安裝大量屋頂太陽能容量(見圖1中的左圖)。從2022年初到2023年6月30日，澳大利亞電力市場區(qū)域中的家庭屋頂太陽能板容量增加了3.7吉瓦。這不僅是由于更多的用戶安裝大量屋頂太陽板，而且平均每戶安裝的容量也更大。

截至2023年6月30日，其屋頂光伏總?cè)萘砍^18吉瓦，超過動力煤機組的裝機容量16吉瓦，成為按發(fā)電容量計算最大的電源類型，占整個裝機容量的23%。昆士蘭州和新南威爾士州的屋頂光伏裝機容量最多，但南澳大利亞州的人均屋頂光伏裝機容量最高。2022年，電力市場區(qū)域中的屋頂太陽能發(fā)電量較2021年增長15%;自2018年以來，其發(fā)電量增長了一倍以上，占2022年總發(fā)電量的9%(見圖1中的右圖)。2023年2月11日下午1點，屋頂太陽能在半小時內(nèi)創(chuàng)下了能夠滿足當(dāng)時市場總需求38%的新紀錄。

對系統(tǒng)運行影響深遠

在澳大利亞，屋頂光伏發(fā)電不通過電力市場進行交易，用戶安裝太陽能板后的收益主要是通過直接使用太陽能電池板產(chǎn)生的電能而節(jié)省電費，特別是能夠節(jié)省可觀的電網(wǎng)費。當(dāng)然，富余的發(fā)電可以被傳送到電網(wǎng)中，供其他用戶使用，但是其上網(wǎng)電價并不是很高。從2021年起，澳大利亞的屋頂光伏用戶(直接或通過聚合商)能夠作為發(fā)電主體直接參加電力市場的需求響應(yīng)交易。雖然屋頂光伏發(fā)電不在電力現(xiàn)貨市場進行交易，但其能夠直接影響電力市場運行。

在電力現(xiàn)貨市場出清前，澳大利亞電力市場運營機構(gòu)會把屋頂光伏發(fā)電從負荷預(yù)測中扣除，其降低了的系統(tǒng)負荷才是電力市場對發(fā)電側(cè)的需求。屋頂太陽能的快速普及不僅減少了系統(tǒng)發(fā)電量，也極大地改變了每日的電力需求曲線的形狀。光伏發(fā)電使得歷史上常發(fā)生在夜間的系統(tǒng)最低負荷，如今已經(jīng)常見于白天午間，徹底反轉(zhuǎn)了夏天中午通常會出現(xiàn)需求峰值的情況。如圖2所示。隨著近幾年屋頂光伏發(fā)電量的不斷增加，澳大利亞各州系統(tǒng)最低負荷呈持續(xù)下降趨勢。

對電力價格的影響

屋頂光伏發(fā)電對系統(tǒng)負荷的影響會反映到電力市場價格上。鑒于驅(qū)動電力價格的因素很多，例如燃料價格，因此，筆者聚焦負電價來體現(xiàn)屋頂光伏發(fā)電對電力市場價格的影響。澳大利亞電力市場的地板價為-1000澳元/兆瓦時，約為-5元/千瓦時。

一般來說電廠在兩種情況下會主動報負電價，一是火電機組為了維持其開機狀態(tài)，二是可再生能源發(fā)電為了獲得綠證收入。如果電力需求非常低，又存在多個火電機組競爭發(fā)電，那么市場以負價格出清的可能性就高。可再生能源發(fā)電的地理分布可以增強這種效果，因為某地區(qū)的發(fā)電條件往往會同時有利該地區(qū)所有場站。負價格通常發(fā)生在電力需求低且天氣條件對可再生能源發(fā)電有利時。在歷史上常發(fā)生在夜間，因為在全天負荷最低的夜間風(fēng)電出力往往更好。

可最近幾年，負電價在白天午間更為常見，在天氣晴朗時屋頂光伏發(fā)電大幅度減少了中午時段電力需求，同時集中式光伏發(fā)電也接近其最大功率，屋頂太陽能和集中式光伏雙重加持，極大加強了負電價形成力度。圖3展示了電力市場區(qū)域電價在每個季度發(fā)生的折算小時數(shù)。澳大利亞電力市場的出清結(jié)算周期為5分鐘，每次發(fā)生負電價均折算為1/12小時。2022~2023年是連續(xù)第四個財政年度，負價格數(shù)量創(chuàng)下了新紀錄，與澳大利亞電力市場中可再生能源及屋頂太陽能容量的增加趨勢一致。

近3/4的負電價發(fā)生在南澳州和維多利亞州，因為南澳州和維多利亞州風(fēng)電和太陽能發(fā)電(包括集中式地面光伏電站和屋頂太陽能光伏)占總發(fā)電比例更高。當(dāng)風(fēng)能和太陽能大發(fā)時，出現(xiàn)負現(xiàn)貨價格的情況最多。從圖中可以看出負電價多集中發(fā)生在夏季(南半球夏天為12月、1月、2月、3月)。2022年至2023年超過60%的負價格發(fā)生在夏季。在2022年10月至12月期間，維多利亞州出現(xiàn)了電力市場有史以來的首次負的周均價(Negative Weekly Average Price)。

屋頂光伏發(fā)電與負電價的高度吻合極大地降低了其電力市場價值，例如澳大利亞能源市場委員會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示南澳州和維多利亞州的售電公司所制定的屋頂光伏富余電量的上網(wǎng)電價還不到輸配電價的1/10。用戶安裝屋頂太陽能板的最主要考慮還是節(jié)省其中包含過網(wǎng)費的電費。

對電力市場其他方面的影響

家用儲能電池。用戶越來越多地將屋頂太陽能系統(tǒng)的剩余能源存儲在電池中，以便在需要時使用，從而減少高峰時段對電網(wǎng)電力的需求。家用電池系統(tǒng)可能在滿足電網(wǎng)需求峰值方面發(fā)揮重要作用，具體取決于技術(shù)改進可以在多大程度上降低安裝成本。

虛擬電廠。屋頂太陽能與小型儲能電池安裝相結(jié)合可以降低單個家庭的電費，但將這些技術(shù)聚集到數(shù)千個家庭可以提高電力系統(tǒng)的可靠性和安全性。通過將家用儲能電池和電動汽車電池連接到能源共享的電網(wǎng)，其中存儲的電力可用于在電力短缺時補充供應(yīng)。在需求高峰期間，當(dāng)電網(wǎng)供應(yīng)緊張時，存儲在消費者擁有的電池中的電力可以協(xié)調(diào)響應(yīng)進行調(diào)度，滿足過剩的需求并減輕電網(wǎng)供應(yīng)的壓力。通過彌補供應(yīng)短缺期間的缺口，參與虛擬電廠的家庭有助于緩解高現(xiàn)貨價格，防止?jié)撛谕ｋ姷娘L(fēng)險，并根據(jù)其節(jié)省電費的貢獻獲得電費減免。

配電網(wǎng)運行。傳統(tǒng)上，電網(wǎng)向消費者提供單向傳輸服務(wù)。然而，隨著技術(shù)不斷改變電力的生產(chǎn)和使用方式，電網(wǎng)的作用正在不斷發(fā)展。許多小型發(fā)電機，如屋頂太陽能系統(tǒng)，現(xiàn)在都嵌入配電網(wǎng)中，導(dǎo)致電能沿著電網(wǎng)雙向流動。屋頂太陽能系統(tǒng)的用戶可以在需要時從配電網(wǎng)獲取電力，并在其他時間出售其產(chǎn)生的剩余電能。使用屋頂太陽能系統(tǒng)產(chǎn)生的電能也越來越多地使用蓄電池系統(tǒng)進行存儲。由于電池技術(shù)的多功能性和成本下降，預(yù)計未來幾年屋頂光伏的裝機容量將繼續(xù)增長。

輸配電價格改革。澳大利亞能源監(jiān)管機構(gòu)正在推動電網(wǎng)費用改革(Network tariff reform)，以期鼓勵更有效地利用電網(wǎng)，推遲電網(wǎng)擴建和投資的需要，并更公平地分攤電網(wǎng)成本。起初，改革的重點是需求高峰時期的信號成本(這在歷史上推動了電網(wǎng)投資)。近來，電網(wǎng)費用改革涉及發(fā)送價格信號，以有效地將消費者能源資源(如屋頂太陽能、儲能電池和電動汽車)整合到分布式電網(wǎng)中。

未來展望

澳大利亞得天獨厚的自然條件促使了分布式屋頂光伏的迅猛發(fā)展。本文中所展示的AER數(shù)據(jù)截至2023年6月，最近的電力市場數(shù)據(jù)仍然顯示正文所描述的屋頂光伏發(fā)展趨勢。但是，隨著政府對可再生能源鼓勵政策的退坡、電力市場價格走低，未來屋頂光伏發(fā)展動力很可能來源于電力市場之外的因素，例如電動汽車的普及、家庭燃料電池的使用。

反過來，更大規(guī)模的屋頂光伏容量會進一步?jīng)_擊電力市場，例如導(dǎo)致更多的負電價發(fā)生。在另一方面，澳大利亞在未來的10~15年期間將迎來大批火電機組退役，電力系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)將會發(fā)生根本性改變，所剩存的火電機組寥寥無幾，屆時分布式屋頂光伏發(fā)電如何影響電力系統(tǒng)運行將會是一個更大的未知數(shù)。

對中國電力市場發(fā)展借鑒之處

在新型電力系統(tǒng)建設(shè)方面，包含屋頂光伏在內(nèi)的可再生能源在澳大利亞發(fā)展迅猛，滲透比例高。澳大利亞積累的提高能源利用效率、電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性等方面經(jīng)驗對中國推動新型電力系統(tǒng)建設(shè)有著非常難得的借鑒參考價值。

在完善市場機制方面，目前中國電力市場正式運行與試點的大多數(shù)省份，市場地板價為零價，鮮有負電價者。從激勵用電積極性，提高消納新能源能力角度看，負電價的效果更好。參考澳大利亞的負電價市場機制，借鑒其市場運行成熟經(jīng)驗，優(yōu)化電力市場規(guī)則，減少政府干預(yù)，完善市場化交易和價格形成機制，可以制定更加有利于新能源發(fā)展的政策和措施來推動電力市場改革。

本文系《中國電力企業(yè)管理》獨家稿件，作者劉東勝系華南理工大學(xué)客座教授，喬錦潤供職于中國長江三峽集團有限公司廣東分公司。稿件原標題為《澳大利亞高普及屋頂光伏對電力市場影響分析》