[德國(guó)]

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(jí)電網(wǎng)中的作用

[德國(guó)]

R.布赫

摘要：抽水蓄能電站最初設(shè)計(jì)的目的主要是利用其儲(chǔ)能作用削峰填谷，如今在應(yīng)對(duì)失去管控的電力市場(chǎng)和大幅增長(zhǎng)的風(fēng)能和太陽能發(fā)電裝機(jī)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(jí)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(shì)。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站；超級(jí)電網(wǎng)；歐洲

據(jù)國(guó)際能源署報(bào)道，全球經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)，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(gè)主要工業(yè)國(guó)家于近期達(dá)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(guó)集團(tuán)(G7)領(lǐng)導(dǎo)人確認(rèn)他們會(huì)支持政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)的建議，在2050年前將溫室氣體排放量較2010年減少40%～70%?？稍偕茉窗l(fā)電將在實(shí)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(huì)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(jī)性，網(wǎng)絡(luò)集成的可再生能源系統(tǒng)會(huì)影響現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)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(jìn)能源系統(tǒng)架構(gòu)的完善。

儲(chǔ)能系統(tǒng)可促進(jìn)可再生能源的利用，并為應(yīng)對(duì)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(shí)用儲(chǔ)電技術(shù)，抽水蓄能在歐洲卻陷入了一個(gè)艱難的市場(chǎng)環(huán)境中，很多重大的項(xiàng)目分別在不同的規(guī)劃設(shè)計(jì)階段被擱置。

2可再生能源與抽水蓄能

當(dāng)一個(gè)成員國(guó)可再生能源產(chǎn)量過剩且超過其輸往其他國(guó)家的輸送能力時(shí)，國(guó)際能源交易就出現(xiàn)了高峰期擁堵問題。最近幾年，估計(jì)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(chǔ)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(duì)可再生能源時(shí)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(guó)家之間的電網(wǎng)擴(kuò)大供電范圍。這一措施在技術(shù)上是可行的，因?yàn)樽罱c(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(yùn)行方式的轉(zhuǎn)換成為可能。

3泛歐洲超級(jí)電網(wǎng)的前景

泛歐洲高壓電網(wǎng)，也就是所謂的超級(jí)電網(wǎng)，被定義為遠(yuǎn)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(guó)之間長(zhǎng)達(dá)623 km的Nord.Link互連線路項(xiàng)目是實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換的基石。這項(xiàng)耗資15～20億歐元，±525 kV的直流輸電項(xiàng)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(xiàng)工程投資費(fèi)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(chǔ)能計(jì)劃，因?yàn)槠渚硟?nèi)已建成的眾多水庫能通過維持庫容的方式像自然儲(chǔ)存可再生能源一樣發(fā)揮作用。

英國(guó)和挪威之間的北海電網(wǎng)長(zhǎng)達(dá)730 km,功率1 400 MW,±525 kV DC換流站，預(yù)計(jì)2021年投運(yùn)。

上述已介紹的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接和其他現(xiàn)有的或規(guī)劃的項(xiàng)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(yùn)營(yíng)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(dòng)力。泛歐層面的工程會(huì)使更多氣候友好型的機(jī)組投入運(yùn)行，并幫助避免30～100 TW·h可再生能源的棄用。

(2) 如果不進(jìn)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(xiàng)目總投資額約為1 500億歐元。電網(wǎng)總長(zhǎng)度將以每年1%的速率延伸。與每年3%～5%的發(fā)電量增長(zhǎng)率相比，電網(wǎng)延伸速度相對(duì)較緩。新的電網(wǎng)投資項(xiàng)目中有1/3位于海底，對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的升級(jí)改造約占10%。

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

歐洲委員會(huì)表示會(huì)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(duì)于將離岸可再生能源電力輸送到消費(fèi)和儲(chǔ)存中心相當(dāng)重要,同時(shí)還可增加跨國(guó)電力交易。

4抽水蓄能在未來超級(jí)電網(wǎng)中的作用

德國(guó)能源轉(zhuǎn)型過程中，一份有關(guān)新儲(chǔ)蓄容量需求的詳細(xì)研究報(bào)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(xiàng)研究最有價(jià)值的成果之一是，在電網(wǎng)容量穩(wěn)步擴(kuò)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(jì)2040年后德國(guó)的占比超過90%，歐洲的占比超過60%)中，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，新建儲(chǔ)能設(shè)施才會(huì)降低全網(wǎng)的運(yùn)行成本。根據(jù)一項(xiàng)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(jì)只是利用其儲(chǔ)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(chǎng)及可再生能源裝機(jī)容量大幅增長(zhǎng)帶來的挑戰(zhàn)。在整合可再生能源中，系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)者和決策者們面臨諸多技術(shù)難題，國(guó)際能源機(jī)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(dòng)(滿足供需平衡的急劇波動(dòng))；

(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(shí)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(zhǎng)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(shí)，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(shí)，直流電壓增大；電力不足時(shí)，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(huì)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(chǔ)存的動(dòng)能變化相當(dāng)時(shí)，直流系統(tǒng)中的能量變化是電容(和電感)中儲(chǔ)存的能量變化總和。根據(jù)拓?fù)鋵W(xué)和控制保護(hù)功能，直流電網(wǎng)若發(fā)生故障，其后果會(huì)很嚴(yán)重，因?yàn)殡娏Π雽?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(huì)受到損害。直流輸電線中短路會(huì)瞬時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)大的電流并且不能被交換器控制，因?yàn)殡娏髦皇芟抻谒械碗娮璧牟考?，這樣短路就變得很嚴(yán)重。正因?yàn)橹涣粲袔缀撩氲臅r(shí)間采取過電流保護(hù)，對(duì)直流系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)操作要求提高。

在這種情況下，有著卓越的動(dòng)態(tài)能力，諸如瞬時(shí)的電力輸入(吸收)及改進(jìn)的電壓控制技術(shù)，可調(diào)速的發(fā)電機(jī)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(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量高，如果可以實(shí)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(jí)電網(wǎng)是否能成為現(xiàn)實(shí)，取決于經(jīng)濟(jì)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(jī)平滑性和供電平衡保障能力并不是超級(jí)電網(wǎng)唯一的優(yōu)勢(shì)，重要的是該電網(wǎng)還能促進(jìn)跨國(guó)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(chǎng)進(jìn)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(jī)組合之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，才能實(shí)現(xiàn)可再生能源電力系統(tǒng)的長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益。由轉(zhuǎn)換器控制的水電機(jī)組有助于減少未來直流電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。

劉可薇柯學(xué)莎譯

(編輯：朱曉紅)

收稿日期：2016-01-18

文章編號(hào)：1006-0081(2016)05-0003-02

中圖法分類號(hào)：TV743

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A