抽水蓄能在泛歐洲超級電網(wǎng)中的作用

[德國]

R.布赫

劉可薇　　柯學(xué)莎　譯

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抽水蓄能在泛歐洲超級電網(wǎng)中的作用

[德國]

R.布赫

摘要：抽水蓄能電站最初設(shè)計的目的主要是利用其儲能作用削峰填谷，如今在應(yīng)對失去管控的電力市場和大幅增長的風(fēng)能和太陽能發(fā)電裝機容量所帶來的挑戰(zhàn)方面發(fā)揮著重要作用。概述了未來歐洲超級電網(wǎng)建設(shè)的可行性以及抽水蓄能電站在其中可發(fā)揮的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站；超級電網(wǎng)；歐洲

據(jù)國際能源署報道，全球經(jīng)濟持續(xù)增長，而與發(fā)電相關(guān)的全球溫室氣體的排放量卻穩(wěn)定在某一水平。在此背景下，7個主要工業(yè)國家于近期達成協(xié)議，通過逐步淘汰化石燃料使用的方式減少21世紀(jì)末溫室氣體的排放量。七國集團(G7)領(lǐng)導(dǎo)人確認(rèn)他們會支持政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的建議，在2050年前將溫室氣體排放量較2010年減少40%～70%。可再生能源發(fā)電將在實現(xiàn)這些目標(biāo)中起到關(guān)鍵作用。

1能源轉(zhuǎn)型

歐洲正在面臨的能源挑戰(zhàn)會改變電力供應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施。主電網(wǎng)的基本架構(gòu)已經(jīng)得到發(fā)展，能滿足大容量及主要為碳基能源或核能發(fā)電技術(shù)的需求。鑒于可再生能源的間歇性和隨機性，網(wǎng)絡(luò)集成的可再生能源系統(tǒng)會影響現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的運行特性。歐盟相關(guān)政策旨在提高間歇性可再生能源的普及率，促進能源系統(tǒng)架構(gòu)的完善。

儲能系統(tǒng)可促進可再生能源的利用，并為應(yīng)對供求矛盾提供一些附屬服務(wù)。作為一種已經(jīng)十分完善的實用儲電技術(shù)，抽水蓄能在歐洲卻陷入了一個艱難的市場環(huán)境中，很多重大的項目分別在不同的規(guī)劃設(shè)計階段被擱置。

2可再生能源與抽水蓄能

當(dāng)一個成員國可再生能源產(chǎn)量過剩且超過其輸往其他國家的輸送能力時，國際能源交易就出現(xiàn)了高峰期擁堵問題。最近幾年，估計歐洲每年因電網(wǎng)繁忙擁堵造成的損失為13億歐元。

為減輕不斷增加的可再生能源發(fā)電份額所帶來的影響，可以采取一些“靈活性措施”，比如儲能，抽水蓄能可轉(zhuǎn)化為燃?xì)?、熱能、化學(xué)能，電力交通(車用蓄電池)以及需求輔助管理或電網(wǎng)增援。

為應(yīng)對可再生能源時空上的顯著變化，采取的措施之一是在歐盟大范圍內(nèi)建立高壓直流(HVDC)電網(wǎng)的能源平衡體系，從而依托歐盟內(nèi)部國家之間的電網(wǎng)擴大供電范圍。這一措施在技術(shù)上是可行的，因為最近點對點HVDC連接已取得突破，超速調(diào)檔的HVDC斷路器的出現(xiàn)使HVDC輸電網(wǎng)絡(luò)運行方式的轉(zhuǎn)換成為可能。

3泛歐洲超級電網(wǎng)的前景

泛歐洲高壓電網(wǎng)，也就是所謂的超級電網(wǎng)，被定義為遠距離大規(guī)模輸電到用戶集中地的傳輸系統(tǒng)。為解決風(fēng)能與太陽能的間歇性問題，大容量傳輸層(即電網(wǎng)直流疊加)技術(shù)被引入傳統(tǒng)的傳輸系統(tǒng)中。

挪威和德國之間長達623 km的Nord.Link互連線路項目是實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換的基石。這項耗資15～20億歐元，±525 kV的直流輸電項目擁有1座功率為1 400 MW的換流站，并且能夠雙向操作。這項工程投資費用(大約1 400歐元/kW)與中歐最近研究的同等功率的抽水蓄能方案基本相同。挪威并不需要新的儲能計劃，因為其境內(nèi)已建成的眾多水庫能通過維持庫容的方式像自然儲存可再生能源一樣發(fā)揮作用。

英國和挪威之間的北海電網(wǎng)長達730 km,功率1 400 MW,±525 kV DC換流站，預(yù)計2021年投運。

上述已介紹的點對點連接和其他現(xiàn)有的或規(guī)劃的項目，將最終并入橫貫歐洲大陸的多網(wǎng)格高壓直流電網(wǎng)。

歐洲輸電運營商聯(lián)盟(ENTOE-E)發(fā)布了電網(wǎng)“十年發(fā)展規(guī)劃”(TYNDP)，主要內(nèi)容如下。

(1) 到2030年，可再生能源的發(fā)展將一直是電網(wǎng)發(fā)展的驅(qū)動力。泛歐層面的工程會使更多氣候友好型的機組投入運行，并幫助避免30～100 TW·h可再生能源的棄用。

(2) 如果不進行改造，歐洲電網(wǎng)中大約有100處已是或今后將成為今后發(fā)展瓶頸。到2030年，全歐洲電網(wǎng)的平均輸電能力將翻一倍。

(3) 歐洲電網(wǎng)改造項目總投資額約為1 500億歐元。電網(wǎng)總長度將以每年1%的速率延伸。與每年3%～5%的發(fā)電量增長率相比，電網(wǎng)延伸速度相對較緩。新的電網(wǎng)投資項目中有1/3位于海底，對現(xiàn)有設(shè)備的升級改造約占10%。

(4)電網(wǎng)雖不對CO2的排放產(chǎn)生直接影響，但也可以有效促進CO2的減排，到2030年，TYNDP 2014項目可使CO2減排20%，從而為2050年歐洲能源戰(zhàn)略目標(biāo)的實現(xiàn)鋪平道路。

歐洲委員會表示會優(yōu)先發(fā)展輸電廊道，并明確指出，北海海上電網(wǎng)(北海、愛爾蘭海、英吉利海峽、波羅的海)對于將離岸可再生能源電力輸送到消費和儲存中心相當(dāng)重要,同時還可增加跨國電力交易。

4抽水蓄能在未來超級電網(wǎng)中的作用

德國能源轉(zhuǎn)型過程中，一份有關(guān)新儲蓄容量需求的詳細(xì)研究報告指出，抽水蓄能可用來緩解可再生能源大規(guī)模生產(chǎn)帶來的影響。這項研究最有價值的成果之一是，在電網(wǎng)容量穩(wěn)步擴展的情況下，只有在可再生能源入網(wǎng)占比較高的情景方案(預(yù)計2040年后德國的占比超過90%，歐洲的占比超過60%)中，從長遠來看，新建儲能設(shè)施才會降低全網(wǎng)的運行成本。根據(jù)一項由慕尼黑工業(yè)大學(xué)完成的研究成果，全歐洲范圍內(nèi)，電網(wǎng)備用容量可減少2%。

抽水蓄能電站最初設(shè)計只是利用其儲能作用削峰填谷，多年來卻一直面臨著失去管控的電力市場及可再生能源裝機容量大幅增長帶來的挑戰(zhàn)。在整合可再生能源中，系統(tǒng)運營者和決策者們面臨諸多技術(shù)難題，國際能源機構(gòu)將其歸納如下。

(1) 短期有功功率平衡(慣量和頻率響應(yīng))；

(2) 大波動(滿足供需平衡的急劇波動)；

(3) 穩(wěn)定負(fù)荷(負(fù)荷曲線和無功功率)；

(4) 暫態(tài)穩(wěn)定(在暫態(tài)干擾嚴(yán)重時仍保持同步)；

(5) 網(wǎng)絡(luò)擁堵和電網(wǎng)約束；

(6) 資源妥適性和長期投資的靈活性。

在考慮州際規(guī)模HVDC電網(wǎng)情況下的抽水蓄能時，以下背景信息至關(guān)重要：電壓高低是直流電網(wǎng)系統(tǒng)的電力平衡指標(biāo)。電力過剩時，直流電壓增大；電力不足時，直流電壓減小。而在交流系統(tǒng)中，頻率則是電力平衡的指標(biāo)。如果交流系統(tǒng)中輸電量超過其耗電量，那么頻率就會增加；反之亦然。比如，當(dāng)交流系統(tǒng)總能量的變化同水輪發(fā)電系統(tǒng)中儲存的動能變化相當(dāng)時，直流系統(tǒng)中的能量變化是電容(和電感)中儲存的能量變化總和。根據(jù)拓?fù)鋵W(xué)和控制保護功能，直流電網(wǎng)若發(fā)生故障，其后果會很嚴(yán)重，因為電力半導(dǎo)體器件的熱荷載能力有限，一旦遭遇過載電流，所有的電力電子器件都會受到損害。直流輸電線中短路會瞬時產(chǎn)生強大的電流并且不能被交換器控制，因為電流只受限于所有低電阻的部件，這樣短路就變得很嚴(yán)重。正因為只留有幾毫秒的時間采取過電流保護，對直流系統(tǒng)中發(fā)電機組的動態(tài)操作要求提高。

在這種情況下，有著卓越的動態(tài)能力，諸如瞬時的電力輸入(吸收)及改進的電壓控制技術(shù)，可調(diào)速的發(fā)電機組和全尺寸的轉(zhuǎn)換解決方案相當(dāng)重要。由于傳統(tǒng)的和抽水蓄能的水電機組的轉(zhuǎn)動慣量高，如果可以實現(xiàn)相關(guān)的變頻技術(shù)，其在提供電網(wǎng)穩(wěn)定服務(wù)方面潛力巨大。

5結(jié)語

超級電網(wǎng)是否能成為現(xiàn)實，取決于經(jīng)濟和戰(zhàn)略上可能產(chǎn)生的投入及不利影響是否大于戰(zhàn)略性收益。系統(tǒng)分析和情景模擬量化了聯(lián)網(wǎng)地區(qū)的系統(tǒng)收益(平滑效應(yīng))與支撐電網(wǎng)平衡所需的備用電站減少量的關(guān)系。

顯然，大區(qū)域可再生能源利用的隨機平滑性和供電平衡保障能力并不是超級電網(wǎng)唯一的優(yōu)勢，重要的是該電網(wǎng)還能促進跨國能源交易，從而提高能

源安全性。這被看作是歐盟單一電力交易市場進程的一部分。

在最近開展的各種可行性研究和相關(guān)概念規(guī)劃中，歐盟公共事業(yè)部門要求詳細(xì)研究調(diào)度靈活性高的水電站概念。

在電網(wǎng)延伸與一系列可變因素的有機組合之間找到一個平衡點，才能實現(xiàn)可再生能源電力系統(tǒng)的長期經(jīng)濟效益。由轉(zhuǎn)換器控制的水電機組有助于減少未來直流電網(wǎng)的風(fēng)險。

劉可薇柯學(xué)莎譯

(編輯：朱曉紅)

收稿日期：2016-01-18

文章編號：1006-0081(2016)05-0003-02

中圖法分類號：TV743

文獻標(biāo)志碼：A