海島可再生能源電力儲能模式的探討分析

李 懿，王根成，劉會(huì)勇，向 楠，沈 沉，李 妍

（國網(wǎng)舟山供電公司，浙江 舟山 316021）

以海利國是近現(xiàn)代西方國家崛起的普遍歷史經(jīng)驗(yàn)，充分開發(fā)海洋是走向強(qiáng)國之路的重要基礎(chǔ)條件。我國在2013年10月提出合作建設(shè) “二十一世紀(jì)海上絲綢之路”的戰(zhàn)略構(gòu)想，旨在綜合利用海洋資源，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，建設(shè)海洋強(qiáng)國。隨著國家海洋專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)范圍的日漸擴(kuò)大，沿海各島嶼開發(fā)進(jìn)程加速，用電負(fù)荷需求也隨之增加，對電力供應(yīng)的安全穩(wěn)定性將提出更高要求。開展可再生能源電力的開發(fā)建設(shè)，對于緩解海島供電壓力、提高海洋資源開發(fā)水平、維護(hù)國家海洋權(quán)益、保障海疆國防安全、保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境都將起到積極的推動(dòng)作用。

由于大量分布式發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)接入，電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行受到影響，多余電量的消納問題逐步突顯?，F(xiàn)有設(shè)備將難以滿足電能的儲存需求，系統(tǒng)迫切需要強(qiáng)大的儲能設(shè)施作為有效支撐。與陸地電網(wǎng)相比，海島電網(wǎng)在負(fù)荷分布、施工條件、運(yùn)檢模式和技術(shù)經(jīng)濟(jì)等方面均存在較大不同。從事海島可再生能源電力儲能模式分析探討對調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、保障能源供給、維護(hù)電網(wǎng)安全、促進(jìn)學(xué)科研究等方面均具有較為深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 儲能問題出現(xiàn)原因分析

儲能問題的出現(xiàn)源于產(chǎn)出的多余電能無法及時(shí)妥善處理，從側(cè)面折射出電網(wǎng)系統(tǒng)在安全運(yùn)行與供需平衡等多種條件約束下的靈活性不足。電網(wǎng)的靈活性不足主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是大機(jī)組加小負(fù)荷的運(yùn)行方式導(dǎo)致系統(tǒng)分區(qū)就近平衡電能空間的先天不足；二是由于可再生能源電力存在間歇性和隨意性的特點(diǎn)，以及其滲透率的不斷提高，傳統(tǒng)以火力發(fā)電機(jī)組為主的調(diào)峰手段無法滿足在增加可再生能源發(fā)電場后電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)度控制的需要；三是部分地區(qū)以熱定電的系統(tǒng)機(jī)組運(yùn)行模式，進(jìn)一步壓縮了電網(wǎng)有限的消納空間。電網(wǎng)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)難免受到外界因素的擾動(dòng)影響，尤其是在送電端發(fā)生故障時(shí)，儲能裝置能夠在最短時(shí)間內(nèi)投入運(yùn)行，起到應(yīng)急電源支撐作用；在負(fù)荷高峰期削峰填谷，減少備用容量的建設(shè)投資；改善末端電網(wǎng)電能電壓質(zhì)量，為受電端提供高質(zhì)量高可靠性的用電服務(wù)。伴隨可再生能源電力產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，全球儲能項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模呈現(xiàn)逐年遞增趨勢，具體情況如圖1所示。

圖1 全球儲能項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模

2 海島電網(wǎng)的特點(diǎn)與現(xiàn)狀

舟山電網(wǎng)屬于典型的海島電網(wǎng)，傳輸距離遠(yuǎn)，線路損耗大，電源結(jié)構(gòu)較為單一，缺少水電、抽水蓄能、燃?xì)獍l(fā)電等調(diào)峰機(jī)組，統(tǒng)調(diào)負(fù)荷基數(shù)較低，受氣候變化影響明顯，日負(fù)荷曲線波動(dòng)較大，對系統(tǒng)運(yùn)行控制要求較高。

舟山電網(wǎng)通過2回220kV線路、3回110 kV線路與浙江大陸主網(wǎng)相聯(lián)，共有220kV變電站5座，變電容量為2 040MVA；110kV變電站25座，變電容量2 395MVA。由于受到海島地理因素制約，舟山的負(fù)荷分布相對松散，主力電源點(diǎn)是位于本島北部的舟山發(fā)電廠（火電機(jī)組，裝機(jī)容量910MW）。2014年，全網(wǎng)最高用電負(fù)荷為822 MW。據(jù)預(yù)測，到2020年，全網(wǎng)最高用電負(fù)荷將達(dá)2 196MW，接近最高負(fù)荷的2.67倍。

考慮到用電需求的持續(xù)增長和發(fā)電機(jī)組的到期退役，若干年以后，舟山的自有電源點(diǎn)將無法滿足負(fù)荷缺口，來自寧波和上海兩地的外來供電成為電網(wǎng)重要的電源支撐。電力平衡情況見表1。

表1 舟山地區(qū)電力平衡情況 MW

舟山群島的海上風(fēng)電、潮汐能等可再生能源電力開發(fā)已初具規(guī)模，目前建成投運(yùn)的海上風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到123.3MW，潮汐能發(fā)電容量約3.4MW，遠(yuǎn)景若出現(xiàn)大規(guī)模海上風(fēng)電和潮汐能并網(wǎng)接入，必將對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定控制產(chǎn)生較大影響，一旦發(fā)生嚴(yán)重故障造成舟山電網(wǎng)脫離浙江大陸主網(wǎng)呈現(xiàn)小系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，極易引發(fā)頻率失穩(wěn)問題。

3 各種儲能技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)比較

常用的儲能技術(shù)可分成四大類，分別為機(jī)械類儲能、電氣類儲能、電化學(xué)類儲能和熱儲能。機(jī)械類儲能技術(shù)包含抽水蓄能、飛輪儲能和壓縮空氣儲能。電氣類儲能技術(shù)包括超級電容器儲能和超導(dǎo)儲能。電化學(xué)儲能技術(shù)以儲能蓄電池為主。熱儲能技術(shù)分為顯熱儲能和潛熱儲能。目前，在電網(wǎng)中應(yīng)用較多的為機(jī)械類儲能技術(shù)和電化學(xué)儲能技術(shù)。

3.1 抽水蓄能

抽水蓄能是最常用的電網(wǎng)儲能技術(shù)。抽水蓄能電站可按照任意容量設(shè)計(jì)建造，儲能效率達(dá)到70%～85%左右，在削峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、緊急事故備用、系統(tǒng)黑啟動(dòng)等方面可起到重要作用。抽水蓄能電站一般需要設(shè)置上、下兩個(gè)水庫，利用深夜負(fù)荷低谷或豐水期的多余電力，使得水輪機(jī)以水泵方式工作，將下水庫的水抽至上水庫，再在白天負(fù)荷高峰或枯水期時(shí)將水放出進(jìn)行發(fā)電。

抽水蓄能電站設(shè)計(jì)建設(shè)須滿足三個(gè)技術(shù)條件：（1）要有良好的地質(zhì)和地形基礎(chǔ)，上下庫之間應(yīng)具備防滲透條件，保證擁有足夠大的水庫庫容和高大雄厚山體作為支撐，適合修建大深度和跨度的地下廠房；（2）選址應(yīng)考慮盡量靠近負(fù)荷中心，樞紐變電站，大型發(fā)電廠、核電站和缺少電源支撐地區(qū)；（3）抽水蓄能電站水頭要高，隧洞要短。

海島上缺乏充足的土地資源，多為崎嶇不平的沿海丘陵，沒有高大巖石山體作為建站支持，即便將海洋作為下水庫使用，依舊無法修建具有足夠容量的高壩上水庫和大深度的地下廠房。除技術(shù)層面外，抽水蓄能電站的開發(fā)存在立項(xiàng)審批復(fù)雜、工程周期長、前期投資大和成本回收慢等弱點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)性較差。顯然，抽水蓄能技術(shù)并不適合海島電網(wǎng)儲能的建設(shè)需要。

3.2 蓄電池儲能

儲能蓄電池包括鉛酸電池、鈉硫電池、液流電池和鋰電池等。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，全球每年對于蓄電池的需求量達(dá)到150億美元以上。

鉛酸電池是將二氧化鉛和海綿狀金屬鉛分別作為正、負(fù)極活性物質(zhì)，硫酸溶液為電解質(zhì)的蓄電池。作為一種低成本的通用技術(shù)，鉛酸電池可勝任電能質(zhì)量調(diào)節(jié)和重要設(shè)備不間斷供電等工作。鉛酸電池具備價(jià)格低廉、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，但也存在循環(huán)壽命較短，不可深度放電，運(yùn)檢維修費(fèi)用高等缺點(diǎn)，影響了其在儲能領(lǐng)域的持久應(yīng)用。

鉛酸電池之后，各類新型蓄電池相繼出現(xiàn)，鈉硫電池和鋰電池是其中的典型代表。

與鋅溴、全釩等液流電池相比，鈉硫電池不但擁有較高的儲能效率（大約89%），而且還具備輸出脈沖能力，輸出的脈沖頻率能在30秒內(nèi)達(dá)到連續(xù)額定功率值的6倍以上，可同時(shí)適用于削峰填谷和電能質(zhì)量調(diào)節(jié)兩種工作。鈉硫電池的劣勢在于其運(yùn)行溫度過高，根據(jù)目前技術(shù)水平，安全問題暫時(shí)還未能徹底解決。

鋰電池具有儲能密度高、儲能效率高（將近100%）和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，并已占據(jù)小容量移動(dòng)電源市場50%以上的份額。由于鋰電池需要特殊的保障和配置必要的內(nèi)部過充電保護(hù)電路，導(dǎo)致其成本居高不下，成為生產(chǎn)和推廣大容量鋰電池技術(shù)的最大障礙。

3.3 飛輪儲能

飛輪儲能系統(tǒng)是由圓柱形的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊和通過磁懸浮軸承組成的支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)成。為減小風(fēng)阻，飛輪儲能系統(tǒng)必須運(yùn)行在真空環(huán)境中，通過電力電子裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，完成儲能系統(tǒng)和電網(wǎng)設(shè)備的功率交換。

該系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)為沒有摩擦損耗、可循環(huán)使用、設(shè)備壽命長以及對周圍環(huán)境影響?。蝗秉c(diǎn)為能量密度低、系統(tǒng)復(fù)雜，對軸承與轉(zhuǎn)子的要求較高。由于系統(tǒng)持續(xù)時(shí)間較短，僅能維持?jǐn)?shù)分鐘至數(shù)小時(shí)，所以飛輪儲能技術(shù)只可用在對于小型通信設(shè)備的供電，無法滿足需要長時(shí)間不間斷運(yùn)行的電力系統(tǒng)的儲能要求。

3.4 超級電容器儲能

電容器是電網(wǎng)廣泛應(yīng)用的儲能設(shè)備。與常規(guī)電容器相比，由超級電容器組成的儲能系統(tǒng)具有更高的介電常數(shù)、更大的表面積和更高的耐壓能力。超級電容器可在電壓跌落和瞬間干擾等暫態(tài)故障出現(xiàn)時(shí)穩(wěn)定供電水平，安裝和維修相對簡便，在充滿電的浮充狀下正常工作10年以上。

雖然超級電容器具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是其主要適用于低容量的儲能環(huán)境，而對于大容量的電網(wǎng)系統(tǒng)而言，存在局限性。

3.5 超導(dǎo)磁儲能和壓縮空氣儲能

超導(dǎo)磁儲能和壓縮空氣儲能是近年來學(xué)術(shù)界較為關(guān)注兩種前沿儲能技術(shù)，雖然研究發(fā)展較快，但是目前還大多處于實(shí)驗(yàn)室理論和示范工程階段，投入商業(yè)運(yùn)營比例極低，技術(shù)上還不成熟。

超導(dǎo)磁儲能單元由置于低溫環(huán)境的超導(dǎo)線圈組成，低溫由液氮或液氦容器系統(tǒng)設(shè)備提供。由變流器組成的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)將超導(dǎo)磁儲能單元與電網(wǎng)系統(tǒng)相連，根據(jù)電網(wǎng)的潮流平衡需求對儲能線圈實(shí)時(shí)完成充放電工作。與別的儲能設(shè)備相比，超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)造價(jià)成本仍比較昂貴，除去超導(dǎo)磁本體的成本外，維護(hù)其外部低溫環(huán)境所耗費(fèi)的成本也相當(dāng)高昂。經(jīng)濟(jì)成本問題成為制約超導(dǎo)磁儲能技術(shù)推廣應(yīng)用的首要障礙。

就本質(zhì)而言，壓縮空氣儲能系統(tǒng)可看作供電網(wǎng)調(diào)峰使用的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠。系統(tǒng)利用電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)段的廉價(jià)剩余電能預(yù)先用來壓縮空氣，空氣被壓縮儲存在地下礦井、深海儲氣罐或熔巖山洞中，當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷高峰來釋放壓縮空氣推動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行發(fā)電。壓縮空氣儲能電站安全系數(shù)高、響應(yīng)速度快，可用于峰谷調(diào)節(jié)、負(fù)荷平衡、系統(tǒng)備用等，但電站建設(shè)受到地形條件制約，對地質(zhì)結(jié)構(gòu)有特殊要求。

4 海島電力儲能模式探討

4.1 儲能方案的選擇

由于技術(shù)上的不成熟和經(jīng)濟(jì)上的局限性，加之海島獨(dú)特的氣象條件和地理環(huán)境對于施工的特殊要求，故而在海島上建設(shè)專門的儲能設(shè)施，借助固定儲能設(shè)備進(jìn)行“靜態(tài)儲能”的方案操作難度較大。參考大陸上同行的工作經(jīng)驗(yàn)，可采用通過建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)來平衡消納多余電能的“動(dòng)態(tài)儲能”方案。

能源的分布與利用具有明顯的地域性特征。我國中東部是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)和用電負(fù)荷中心，電能需求量大，電網(wǎng)接納能力強(qiáng)，調(diào)峰途徑多，而西部和北部則是可再生能源電力的資源富集區(qū)。國家電網(wǎng)通過加強(qiáng)跨區(qū)域輸電線路建設(shè)，在滿足本區(qū)域用電需求的前提下，將多余電量外送，把西北部風(fēng)電和西南水電進(jìn)行重新布局規(guī)劃，將哈密和酒泉的風(fēng)電通過特高壓直流輸電工程向華中送電，同時(shí)將蒙西、錫盟和張北的風(fēng)電通過特高壓交直流工程向華北、華東和華中輸送；將四川的水電通過特高壓交直流工程向華東和華中輸送，在全國范圍內(nèi)消納多余的可再生能源電力。

海島地區(qū)的可再生能源電力儲存可嘗試選擇采取這一模式，通過加強(qiáng)跨海輸電線路的新建擴(kuò)容和技術(shù)改造，發(fā)揮互聯(lián)電網(wǎng)對電能的集中調(diào)度和統(tǒng)一分配功能，將小電網(wǎng)系統(tǒng)中無法消化的富余電量通過島際聯(lián)網(wǎng)工程輸送到大電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)儲存。

4.2 柔性直流技術(shù)與舟山柔直輸電工程

柔性直流技術(shù)具有響應(yīng)速度快、可控性強(qiáng)、運(yùn)行方式靈活等特點(diǎn)，潮流反轉(zhuǎn)方便靈活，能夠快速地控制與交流系統(tǒng)交換有功和無功功率，提高現(xiàn)有交流電網(wǎng)的輸電能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

由于柔性直流輸電技術(shù)是由傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)基礎(chǔ)上衍生發(fā)展而來，因而傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，柔性直流輸電系統(tǒng)也大都具備，并且比其占地更小、安裝維護(hù)更方便、噪聲環(huán)境干擾更低，尤其適合連接分散的獨(dú)立電源點(diǎn)、弱交流節(jié)點(diǎn)處的交流電網(wǎng)非同步互聯(lián)以及海上鉆井平臺和海上孤島等偏遠(yuǎn)負(fù)荷的供電保障。

世界首個(gè)五端柔性直流輸電工程已在浙江舟山群島投入運(yùn)行。該工程包括五個(gè)換流站、四段直流電纜工程和配套送出工程。工程總建筑面積3.5萬平方米，五個(gè)換流站位于五個(gè)獨(dú)立的島嶼，容量分別為400、300、100、100和100MW；四段直流電纜是連接五站的四段共八根直流電纜，總長280.8km，其中海底電纜總長度258km，陸地電纜22.8km；新建36芯專用海底光纜1條30 km；配套送出工程為新建220kV交流線路2回，共計(jì)22.1km，新建110kV交流線路3回，共9.25km，其中電纜1.65km，擴(kuò)建交流變電站間隔5個(gè)。系統(tǒng)接線情況見圖2。

圖2 舟山柔直輸電工程系統(tǒng)接線圖

五端柔性直流示范工程的建成使舟山群島北部各島嶼間形成遠(yuǎn)距離、大容量、多端點(diǎn)的直流互聯(lián)電網(wǎng)，將有利于海上風(fēng)電場、潮汐能等可再生能源發(fā)電設(shè)備等產(chǎn)出電能的輸送與分配，更好地服務(wù)當(dāng)?shù)仉娏I(yè)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的均衡發(fā)展。

4.3 意見建議和對策措施

舟山地區(qū)的可再生能源電力儲存可借助五端柔性直流輸電工程進(jìn)行內(nèi)部調(diào)配外，也可通過新建對外輸電通道或?qū)ΜF(xiàn)有大陸至舟山聯(lián)網(wǎng)線路進(jìn)行升壓擴(kuò)容，完成對多余電能的外送消納。

在保證現(xiàn)有電網(wǎng)安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，建議對舟山電網(wǎng)做出如下若干技術(shù)改造措施：（1）新建舟山與大陸第二高壓聯(lián)網(wǎng)輸電通道，即完成500kV舟山至鎮(zhèn)海輸電線路建設(shè)；（2）對現(xiàn)有的220kV舟山與大陸聯(lián)網(wǎng)輸電通道升壓，即擴(kuò)容至500kV舟山昌洲變至寧波春曉變輸電線路；（3）在若干地處偏遠(yuǎn)，在負(fù)荷條件相對較好的島嶼（比如東極島、摘箬山島等地）建設(shè)風(fēng)光儲互補(bǔ)的微網(wǎng)供電系統(tǒng)，淘汰島上原有自備柴油發(fā)電機(jī)，并通過納入當(dāng)?shù)睾Ｋこ?，消耗多余電能，順帶解決當(dāng)?shù)鼐用窦榜v軍生活用水問題。

5 結(jié)語

在電力規(guī)劃建設(shè)中，分區(qū)就近平衡和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)合理是需要遵循的兩項(xiàng)基本原則。可再生能源電力具有隨機(jī)性、間歇性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，而電力用戶需要的是穩(wěn)定持續(xù)的電能供給，這就要求電網(wǎng)系統(tǒng)合理配置儲能裝置設(shè)備用以儲存處理?？紤]到海島地區(qū)的特殊性，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對薄弱，可用土地面積有限，擇地安裝大型儲能裝置設(shè)備存在較大困難，分區(qū)就近平衡電能方案將無法實(shí)現(xiàn)。

因此，在海島可再生能源電力規(guī)劃建設(shè)階段，可通過新建擴(kuò)容和技術(shù)改造跨海輸電線路，加強(qiáng)完善原有電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，將帶有分布式電源的微網(wǎng)系統(tǒng)接入大電網(wǎng)，進(jìn)行跨區(qū)調(diào)用分配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)富余電量的對外消納和系統(tǒng)潮流的平衡調(diào)用。