王若為，李音璇，葛維春，張?jiān)娿g，劉闖，楚帥

（1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林省 吉林市 132012；2.國網(wǎng)天津營銷服務(wù)中心(計(jì)量中心)，天津市 河西區(qū) 300120；3.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧省 沈陽市 110006；4.沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧省 沈陽市 110870）

0 引言

力爭(zhēng)于2030年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”，2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”是我國目前重要戰(zhàn)略之一[1-2]。隨著我國對(duì)能源需求量的持續(xù)增長(zhǎng)，化石能源存貯量不斷下降，同時(shí)化石能源的燃燒會(huì)生成大量的NOx和CO2等有害氣體，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和全球變暖等問題。大力發(fā)展太陽能等可再生清潔能源，構(gòu)建新型低碳電力系統(tǒng)，是我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要舉措之一。與其他能源相比，太陽能具有分布廣、無污染、儲(chǔ)量豐富等優(yōu)勢(shì)，這使得光伏發(fā)電在全世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展起來。截至2021年11月底，我國累計(jì)光伏發(fā)電裝機(jī)容量已經(jīng)超過2.9億kW。但是，隨著光伏裝機(jī)容量的急速擴(kuò)張，光伏電能輸送問題愈演愈烈。

目前，學(xué)者們針對(duì)生命周期成本、最小能耗、投資回收期、凈現(xiàn)值等指標(biāo)對(duì)沙漠光伏發(fā)電站經(jīng)濟(jì)性問題進(jìn)行了研究。其中凈現(xiàn)值是沙漠光伏電站建設(shè)運(yùn)營通常采用的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，其考慮了整個(gè)光伏發(fā)電廠項(xiàng)目的壽命和資本周期的及時(shí)性[3]。在成本方面，文獻(xiàn)[4]通過對(duì)比光伏發(fā)電與傳統(tǒng)發(fā)電的成本與使用壽命，認(rèn)為光伏發(fā)電優(yōu)于傳統(tǒng)發(fā)電。在全壽命成本方面，文獻(xiàn)[5]構(gòu)建了光伏發(fā)電全壽命周期模型，將多種成本概念深入貫徹到成本核算，并以中國某光伏發(fā)電項(xiàng)目為例，測(cè)算了光伏發(fā)電的全壽命周期。文獻(xiàn)[6]建立了不同光伏發(fā)電的碳排放清單，并將不同環(huán)境下的碳排放進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)于新能源接入電網(wǎng)問題，文獻(xiàn)[7]通過分析不同輸電距離和容量，構(gòu)建了新能源并網(wǎng)直流電網(wǎng)的場(chǎng)景，得出不同組合下年費(fèi)用最低的直流電壓等級(jí)以及柔性直流輸電技術(shù)更優(yōu)的結(jié)論。上述文獻(xiàn)著重研究了沙漠光伏電站建設(shè)經(jīng)濟(jì)性與光伏電能接入電網(wǎng)能力，對(duì)光伏發(fā)電成本組成、影響因素、核算方法、不同并網(wǎng)方式適用范圍等方面進(jìn)行分析與總結(jié)，采用對(duì)光伏電廠優(yōu)化配置等方式改善沙漠光伏發(fā)電項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性，提高了光伏發(fā)電競(jìng)爭(zhēng)力，有助于光伏發(fā)電系統(tǒng)向著高穩(wěn)定性、低成本方向發(fā)展。目前關(guān)于提高光伏輸送電能并網(wǎng)能力方面已有較多研究，而鮮有關(guān)于沙漠區(qū)域光伏輸電經(jīng)濟(jì)性方面的研究。

長(zhǎng)距離輸電需要高電壓等級(jí)的傳輸線路支持，因此特高壓交流輸電與高壓直流輸電在中國電力傳輸中占據(jù)重要的地位[8-10]。目前學(xué)者針對(duì)高壓直流和特高壓交流輸電等方面進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[11]研究了高壓直流輸電線路線路故障測(cè)距方法，提出一種基于雙端行波頻差比值的高壓直流輸電線路故障測(cè)距方法，消除了波速衰減的影響，實(shí)現(xiàn)無需線路兩側(cè)時(shí)鐘同步的雙端測(cè)距。文獻(xiàn)[12]對(duì)實(shí)際運(yùn)行的特高壓交流線路應(yīng)對(duì)雷電繞擊防護(hù)性進(jìn)行了研究，另外還對(duì)桿塔波阻抗、接地電流等對(duì)避雷裝置保護(hù)特性的影響進(jìn)行了解析，從而證明了在實(shí)際工作中特高壓輸電系統(tǒng)中交流線路避雷器對(duì)雷電繞擊保護(hù)的有效性。文獻(xiàn)[13]提出一種面向高比例新能源外送的送端電壓源型換流器-電網(wǎng)換相換流器混合級(jí)聯(lián)型特高壓直流輸電方案，有效解決了高比例新能源外送所面臨的送端系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定、暫態(tài)過電壓與慣量缺乏等難題，降低了送端系統(tǒng)對(duì)同步調(diào)相機(jī)和靜止同步補(bǔ)償器的容量需求。綜上所述，高壓輸電能夠有效解決我國長(zhǎng)距離新能源輸電需求，相較于傳統(tǒng)輸電線路具有距離遠(yuǎn)、容量大、損耗低等優(yōu)勢(shì)，目前廣泛應(yīng)用于我國遠(yuǎn)距離電能傳輸、新能源接入電網(wǎng)等領(lǐng)域。由于線路較長(zhǎng)，途經(jīng)區(qū)域氣候和環(huán)境變化較大，線路故障概率很高，對(duì)高壓輸電線路安全問題仍需進(jìn)一步研究。

針對(duì)沙漠光伏電能輸送困難的問題，本文提出了一種利用運(yùn)輸電池進(jìn)行電能運(yùn)輸?shù)牟呗?。通過分析光伏發(fā)電系統(tǒng)及電池運(yùn)輸技術(shù)的工作原理，圍繞設(shè)備經(jīng)濟(jì)輸送距離、投資成本、運(yùn)行損耗等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，對(duì)比運(yùn)輸電池與其他沙漠光伏輸電方式的差異，發(fā)現(xiàn)運(yùn)輸電池技術(shù)具有操作難度低，應(yīng)對(duì)沙漠氣候強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)由于采用駱駝運(yùn)輸方式輸送電能，能夠有效緩解我國西部地區(qū)就業(yè)壓力。

1 運(yùn)輸電池技術(shù)

沙漠光伏發(fā)電呈現(xiàn)大規(guī)模集中開發(fā)、中高壓接入、高壓遠(yuǎn)距離外送消納的特點(diǎn)。運(yùn)輸電池技術(shù)無需高壓輸電，相較于傳統(tǒng)的輸電技術(shù)具有更大的優(yōu)勢(shì)。運(yùn)輸電池技術(shù)可將沙漠光伏輸出的電能存儲(chǔ)在電池中，通過人工駱駝運(yùn)輸方式將電池運(yùn)輸至換電站進(jìn)行應(yīng)用，該運(yùn)輸方式能夠有效避免沙漠風(fēng)沙、高鹽等特性對(duì)輸電線路的危害，提升應(yīng)對(duì)沙漠氣候能力。

1.1 沙漠光伏電站

光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要組成部分為光伏陣列、逆變器、變壓器及其他并網(wǎng)環(huán)節(jié)，如圖1所示。其中，光伏陣列由多個(gè)光伏電池經(jīng)串并聯(lián)組合而成，光伏陣列產(chǎn)生的電能通過逆變器、濾波器和升壓變壓器等輸送到電網(wǎng)[14]。

圖1 光伏電池電站Fig.1 Photovoltaic cell power station

在運(yùn)輸電池技術(shù)中，先利用光伏系統(tǒng)為電池充電，電池充電功率可通過計(jì)算光伏電站發(fā)電功率獲得。根據(jù)單個(gè)太陽能光伏電池組件的受光面積，計(jì)算所有太陽能方陣電池組件受光面積：

式中：A(t)為t時(shí)刻所有太陽能方陣電池組件受光總面積，m2；M為太陽能方陣電池組件數(shù)，個(gè)；Am(t)為t時(shí)刻第m個(gè)太陽能光伏電池組件的受光面積，m2。

根據(jù)單個(gè)太陽能光伏電池組件的光電轉(zhuǎn)換效率，計(jì)算光伏電站的光電轉(zhuǎn)換效率η：

式中ηm為第m個(gè)太陽能光伏電池組件的光電轉(zhuǎn)換效率，%。

根據(jù)式(1)、(2)，計(jì)算光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率：

式中：Ps(t)為t時(shí)刻光伏電站的輸出功率，kW；r為輻射度，kW/m2。

1.2 電池荷電狀態(tài)

當(dāng)光伏能源的輸出功率波動(dòng)時(shí)，電池容量及其最大允許充放電功率限制儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電功率[15]。為此，建立了光伏蓄能電池充放電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型(如圖2所示)，研究光伏儲(chǔ)能電池系統(tǒng)在各個(gè)時(shí)刻的充放電功率和電池S(t)(荷電狀態(tài))，以滿足光伏電池儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電池充放電控制要求，并通過S(t)判斷電池的荷電狀態(tài)。

圖2 電池荷電狀態(tài)Fig.2 Battery state of charge

光伏電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的充蓄電池在使用一段時(shí)間或長(zhǎng)期擱置不用后的剩余容量與其在完全充電狀態(tài)下容量的比值通常以百分?jǐn)?shù)表示。其取值范圍為0~1，當(dāng)S(t)=0時(shí)表示光伏電池中電能完全放出，當(dāng)S(t)=1時(shí)表示光伏電池中電能達(dá)到滿值。

式中：S(t)、S(t-1)分別為t時(shí)刻與t-1時(shí)刻的電池荷電狀態(tài)；ε為電池自放電率，%；ηch為儲(chǔ)能電池的充電效率，%；Δt為采樣時(shí)段，h；Cb為儲(chǔ)能電池容量，A?h。

1.3 沙漠輸電方式

在沙漠中輸電方式有很多種，本文主要介紹運(yùn)輸電池技術(shù)、220 kV輸電線路、特高壓交流輸電、±800 kV直流輸電。

1）運(yùn)輸電池技術(shù)

運(yùn)輸電池技術(shù)與傳統(tǒng)輸電方式具有諸多不同。首先，需要在沙漠集中式光伏發(fā)電站設(shè)立光伏電能轉(zhuǎn)電池電能充電裝置，將波動(dòng)的光伏電能轉(zhuǎn)化為電池電能。然后，采用駱駝馱運(yùn)的方式人工在沙漠上運(yùn)輸電池到達(dá)附近的換電站，從而實(shí)現(xiàn)沙漠光伏電能的輸送。運(yùn)輸電池技術(shù)無需建設(shè)輸電線路，避免了沙漠氣候?qū)旊娋€路的損耗。但是，其輸送距離和輸送容量相對(duì)較低。

2）特高壓交流輸電

特高壓交流輸電通過提高傳統(tǒng)輸電線路電壓等級(jí)，增大輸電線路輸送容量，增加系統(tǒng)輸送距離，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸電，該輸電原理與普通交流輸電系統(tǒng)基本相同[16-18]。特高壓交流1 000 kV的輸電工程已經(jīng)在我國建設(shè)應(yīng)用，雖然目前特高壓交流工程輸送距離仍然較短，但研究表明，如果對(duì)1 000 kV交流輸電線路每500 km進(jìn)行分段，利用中間開關(guān)站加靜止無功補(bǔ)償器和線路串聯(lián)電容補(bǔ)償，其輸送距離可以達(dá)到2 000 km，并且輸送功率可以達(dá)到4 000 MW[19-21]。蘇通雙回路敷設(shè)，全長(zhǎng)約34 200 m，是目前世界上電壓等級(jí)最高、輸送容量最大、輸送距離最長(zhǎng)、技術(shù)水平最先進(jìn)的剛性氣體絕緣輸電線路工程，此項(xiàng)工程已于2019年9月建成投運(yùn)。

3）特高壓直流輸電

我國特高壓直流輸電電壓通常為±800 kV以上電壓等級(jí)。近年來，隨著我國各地區(qū)對(duì)輸電線路輸電能力要求的不斷提高，為了合理開發(fā)利用我國電力資源，特高壓直流輸電技術(shù)的研究正在逐漸深入[22-24]。高壓直流輸電的基本原理是：將發(fā)送端的交流變?yōu)橹绷?，然后通過特高壓直流線路將電力傳輸?shù)浇邮斩?，將接收端的直流變?yōu)榻涣?，從而?shí)現(xiàn)電力傳輸。特高壓直流的電壓等級(jí)有直流±800 kV和直流±1 100 kV兩種。目前，我國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了特高壓直流±800 kV輸電工程的建設(shè)。向家壩到上海的特高壓輸電線路采用的是特高壓直流輸電±800 kV電壓等級(jí)的輸電方式，其輸送距離達(dá)到了2 000 km，輸送容量達(dá)到了6 400 MW。目前在建的新疆哈密到鄭州的±800 kV輸電線路其輸送距離將達(dá)到2 200 km，輸送容量為8 000 MW。

2 運(yùn)輸電池與其他輸電方式經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

為了體現(xiàn)各種運(yùn)輸方式的經(jīng)濟(jì)性，本文針對(duì)沙漠光伏與電池輸送各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，包括設(shè)備經(jīng)濟(jì)輸送距離、投資成本、運(yùn)行損耗、單位年費(fèi)用、設(shè)計(jì)復(fù)雜程度、輸電容量、應(yīng)對(duì)沙漠氣候能力等。各輸電方式的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)總覽見表1。

表1 運(yùn)輸電池與其他輸電方式經(jīng)濟(jì)性對(duì)比Tab.1 Performance comparison of the transportation battery technology with other methods

1）經(jīng)濟(jì)輸送距離

經(jīng)濟(jì)輸送距離是指各輸電方式在對(duì)應(yīng)電壓等級(jí)下輸電線路經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)時(shí)對(duì)應(yīng)的輸電距離。運(yùn)輸電池技術(shù)不架設(shè)輸電線路，其輸送電能方式完全以人工的方式通過駱駝運(yùn)輸光伏儲(chǔ)能電池到達(dá)附近的換電站，其經(jīng)濟(jì)輸送距離較短。在輸送電能的過程中，運(yùn)輸電池技術(shù)的輸電損耗比其他傳統(tǒng)輸電方式大，輸電損耗主要集中于駱駝和電池的損耗，隨著距離的增加，人工成本將大幅增加，其經(jīng)濟(jì)性將大幅降低。220 kV輸電線路輸電電壓較低，損耗隨著距離過長(zhǎng)將大幅增大，經(jīng)濟(jì)輸送距離適中。對(duì)于高壓輸電線路，其建設(shè)成本遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)輸電線路，但其電壓等級(jí)比傳統(tǒng)輸電方式高，傳輸容量為傳統(tǒng)輸電方式的數(shù)倍，輸電距離也大幅度增加，走廊占地面積只有傳統(tǒng)輸電線路的一半左右，輸送相同容量電能時(shí)輸電損耗不到傳統(tǒng)輸電損耗的一半。

2）投資成本

圖3為各類輸電方式投資成本對(duì)比示意圖。運(yùn)輸電池技術(shù)輸電投資費(fèi)用主要集中于電池設(shè)備和換電站的建設(shè)以及駱駝和電池的購買，投資費(fèi)用較低。220 kV輸電線路成本包含普通鋼塔、高強(qiáng)鋼塔、導(dǎo)線、地線及其他材料，人工、材料、機(jī)械按同期價(jià)格水平調(diào)整，其中人工費(fèi)調(diào)整系數(shù)約為45.92%，材機(jī)費(fèi)調(diào)整系數(shù)約為29.83%[25]。特高壓交流輸電成本較常規(guī)輸電線路價(jià)格高，其中導(dǎo)線架設(shè)安裝成本和組件安裝成本的價(jià)格水平遠(yuǎn)高于常規(guī)線路。在1 000 kV晉東南-南陽-荊門特高壓交流輸電線路工程的實(shí)際成本控制中，也反映出這2個(gè)項(xiàng)目的成本增加過多，這主要是由于特高壓工程建設(shè)和管理的特殊性?！?00 kV直流輸電設(shè)備成本含有換流站、直流線路、避雷器等。高壓直流輸電線路的造價(jià)成本相比運(yùn)輸電池技術(shù)和傳統(tǒng)輸電線路較高，相較于特高壓交流輸電線路較低，但其中高壓直流換流站的造價(jià)相對(duì)于交流輸電線路變電站更加昂貴。由于電磁環(huán)境對(duì)輸電線路的影響，特高壓交流輸電線路導(dǎo)線型號(hào)在設(shè)計(jì)時(shí)橫截面積要超出其實(shí)際使用的需要，這將導(dǎo)致輸電線路工程造價(jià)偏高。

圖3 各類輸電方式投資成本Fig.3 Investment cost of various transmission modes

3）運(yùn)行損耗

運(yùn)輸電池技術(shù)運(yùn)行損耗主要考慮駱駝和電池的損耗程度，由于駱駝和電池壽命緣故，損耗相對(duì)較低，但損耗率相對(duì)較高。當(dāng)采用大量駱駝排成長(zhǎng)隊(duì)連續(xù)對(duì)電池進(jìn)行運(yùn)輸時(shí)，可將駝隊(duì)近似看作以一定速率持續(xù)運(yùn)輸電池的傳送帶。沙漠地區(qū)風(fēng)速過大會(huì)增加駝隊(duì)的單次運(yùn)輸時(shí)間，單次駱駝運(yùn)輸效率減慢，但對(duì)整體輸送過程運(yùn)輸效率作用較小。此外，由于駝隊(duì)在運(yùn)輸電池過程中不需要消耗電能，電池在運(yùn)輸過程中通常不會(huì)產(chǎn)生電能損耗。220 kV輸電系統(tǒng)由于不同的設(shè)計(jì)、施工及電流密度，年平均線損率在1%~3%。特高壓交流輸電損耗主要由輸電線路電能損耗及變電站的電能損耗組成。由于線路損耗，輸送端發(fā)出的電能在到達(dá)接收端時(shí)會(huì)導(dǎo)致電能降低，從而影響輸電效率[26-27]。變電站損耗主要包含電力設(shè)備的功率損耗，如變壓器、電抗器、無功補(bǔ)償裝置及電站功率損耗。高壓直流輸電的運(yùn)行損耗主要分為換流站的損耗和電能在輸電線路損耗2部分。換流站的損耗主要是換流變壓器、換流閥和濾波器的損耗。當(dāng)交流輸電系統(tǒng)不受事故干擾時(shí)，交流系統(tǒng)的利用率遠(yuǎn)低于直流系統(tǒng)。

4）單位年費(fèi)用

圖4為各類輸電方式單位年費(fèi)用。運(yùn)輸電池技術(shù)在短距離輸電時(shí)年費(fèi)用較低，經(jīng)濟(jì)性較高。由于運(yùn)輸電池技術(shù)輸電采用駱駝馱運(yùn)電池方式，隨著輸電距離增加，其人工費(fèi)用及駱駝?chuàng)p耗將大幅增加，年費(fèi)用也隨之增加，經(jīng)濟(jì)性將降低。220 kV在0~50 km范圍內(nèi)單位年費(fèi)用略高于運(yùn)輸電池技術(shù)，當(dāng)輸電距離在100~200 km時(shí)經(jīng)濟(jì)性最好。當(dāng)輸電距離大于500 km時(shí)，高壓直流輸電和特高壓交流輸電的經(jīng)濟(jì)性更高，隨著距離大幅度增加，高壓輸電與運(yùn)輸電池技術(shù)的年費(fèi)用差距將大幅度拉大。這主要是因?yàn)楫?dāng)輸電距離較近時(shí)，運(yùn)輸電池技術(shù)和220 kV輸電線路的設(shè)備運(yùn)行損耗相對(duì)較低，投資成本較小。隨著輸電距離的增大，運(yùn)輸電池技術(shù)和220 kV投資成本和維護(hù)成本將大幅度增大，而高壓輸電線路傳輸容量大，直流的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)。直流工程投資中，換流站投資不隨距離變化；電壓等級(jí)越高，線路的單位容量造價(jià)隨距離下降越快。同時(shí)，隨著光伏電能輸電距離的增加，線路投資比重提高，較高電壓等級(jí)直流輸電的經(jīng)濟(jì)性也有所提高。

圖4 各類輸電方式單位年費(fèi)用Fig.4 Annual cost of various transmission modes

5）設(shè)計(jì)復(fù)雜程度

運(yùn)輸電池技術(shù)對(duì)環(huán)境要求低，不需要考慮沙漠中風(fēng)、沙的綜合效應(yīng)，設(shè)計(jì)光伏電站、光伏電池充電站以及從光伏發(fā)電站到換電站適應(yīng)沙漠氣候的線路即可。傳統(tǒng)沙漠輸電方式設(shè)計(jì)十分復(fù)雜，需要考慮風(fēng)、沙的綜合效應(yīng)，研究輸電塔線耦合體系、構(gòu)架避雷針等風(fēng)致振動(dòng)特性，同時(shí)需考慮風(fēng)速、時(shí)間和腐蝕等因素的影響。輸電線路的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與建設(shè)除需要考慮風(fēng)積沙的特點(diǎn)外，還需要考慮后期運(yùn)行，因此需要長(zhǎng)期考察風(fēng)速條件下輸電塔線耦合體系的穩(wěn)定性，建立典型區(qū)域風(fēng)積沙地基的監(jiān)控點(diǎn)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，評(píng)估輸電塔線耦合體系的穩(wěn)定性。對(duì)于交流輸電而言，由于輸電線路同時(shí)輸送有功和無功功率，線路的電壓降落要大于直流輸電線路的電壓降落，設(shè)計(jì)沙漠光伏電站輸送方式需要考慮電壓降落的問題，這使得未來擴(kuò)建傳輸線路更為困難。

6）輸電容量

沙漠輸電技術(shù)中，運(yùn)輸電池技術(shù)輸電容量主要取決于運(yùn)輸電池的規(guī)模，如單只駱駝運(yùn)輸電池量、單次運(yùn)輸駱駝總數(shù)。但總體而言，運(yùn)輸電池技術(shù)的輸電容量低于高壓輸電容量。傳統(tǒng)輸電方法的電壓等級(jí)高，同時(shí)輸送容量又很大，有利于傳遞大功率、中長(zhǎng)距離的電力。特高壓直流輸電主要用于輸電方向穩(wěn)定的中長(zhǎng)距離大容量輸電，如部分省網(wǎng)之間的電能傳輸。特高壓交流輸電主要用于距離較近的大容量輸電，同時(shí)用于構(gòu)建更高電壓等級(jí)的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。但大容量遠(yuǎn)距離交流輸電也存在輸送容量限制問題，如受到輸電傳輸線路所允許的最大電壓降落的限制。沙漠光伏電能供電，發(fā)出的電能受到環(huán)境的影響，輸送功率將隨之波動(dòng)，因此需要考慮輸電線路的安全性問題。

7）應(yīng)對(duì)沙漠氣候能力

沙漠區(qū)域風(fēng)速較大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，并且沙塵具有高鹽特性[28-29]，這些因素均影響著沙漠區(qū)域輸變電構(gòu)架設(shè)備的使用壽命。對(duì)于運(yùn)輸電池技術(shù)，沙漠氣候主要會(huì)對(duì)單次運(yùn)輸途中的駱駝和人工造成影響，風(fēng)速過大會(huì)降低單次駱駝運(yùn)輸電池的運(yùn)輸效率。相較于車輛運(yùn)輸電池方式，駱駝運(yùn)輸電池受天氣影響較小。若采用車輛進(jìn)行電池運(yùn)輸，沙漠惡劣天氣會(huì)影響運(yùn)輸路線的通暢程度，提高運(yùn)輸行駛難度，同時(shí)風(fēng)沙天氣會(huì)降低道路能見度，增加車輛運(yùn)輸過程的安全隱患，降低運(yùn)輸?shù)陌踩Ｕ铣潭?。而駱駝運(yùn)輸電池不受既定鋪設(shè)道路的限制，可靈活地調(diào)整路徑，減少天氣對(duì)電池運(yùn)輸?shù)挠绊懗潭龋蓪?shí)現(xiàn)電池電能的持續(xù)供應(yīng)。沙漠氣候?qū)?20 kV輸電線路和特高壓有非常大的影響。在沙漠地區(qū)，輸電線路將遭受不同形式和程度的沙漠危害。沙漠中的風(fēng)蝕、風(fēng)沙的傳遞和積聚會(huì)給輸電線路工程造成不同程度的危害，其中風(fēng)蝕會(huì)造成線路鐵塔基礎(chǔ)的破壞；風(fēng)沙的輸送會(huì)造成輸電塔的磨損，甚至?xí)纬娠L(fēng)沙電，危及輸變電線路的安全。風(fēng)和沙的積累會(huì)縮短架空線路與地面的距離，對(duì)輸電線路引起潛在的安全隱患。另外，特高壓專用設(shè)備的一次性造價(jià)和技術(shù)要求高，目前部分已投入使用的線路存在抗烈性自然災(zāi)害的能力偏低的問題。

8）安全程度

在安全性方面，運(yùn)輸電池技術(shù)安全程度最高，在向電池充電過程中，一般人員即可操作。同時(shí)，在運(yùn)輸途中，無需考慮輸電線路電壓降落、雷擊等安全問題，電池運(yùn)輸?shù)陌踩禂?shù)也相對(duì)較高。特高壓交流輸電方式雖然主要用于近距離輸電，但其仍具有沙漠地區(qū)輸電的安全隱患問題。特高壓交流線路輸電線路的電壓等級(jí)高，如果其使用單回線路向附近電網(wǎng)輸電功率達(dá)到輸電線保護(hù)率所能承擔(dān)的10%~15%時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致傳輸線故障和跳閘，從而危及配電網(wǎng)的安全運(yùn)行。一旦發(fā)生多重故障而造成相鄰走廊上的多回特高壓輸電線路同時(shí)停止工作，會(huì)給地方的電力安全運(yùn)營帶來重大影響。所以，在某一地方如果有多條特高壓線路同時(shí)饋入或送電運(yùn)行，這些交流輸電線路就不需要再從個(gè)別大電廠集中輸送出，最好將幾個(gè)不同的大型發(fā)電廠劃分為多條特高壓交流輸電線路，便于深度控制過電壓，降低設(shè)備和線路絕緣水平，節(jié)省工程投資[30-31]。當(dāng)特高壓直流輸電模式用于長(zhǎng)距離大容量輸電時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定性問題。首先，由于特高壓直流輸電的高電壓水平，每千瓦設(shè)備和每千米線路的成本非常高，這可能導(dǎo)致單回線路長(zhǎng)期運(yùn)行，而輸電容量又非常大。當(dāng)電源或者線路發(fā)生故障時(shí)，將對(duì)受端電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。當(dāng)供電設(shè)備和線路均出現(xiàn)故障時(shí)，將對(duì)受端供電的系統(tǒng)安全及平穩(wěn)運(yùn)營形成巨大危害。

3 運(yùn)輸電池技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

3.1 運(yùn)輸電池技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

隨著中國對(duì)新能源的越發(fā)重視，近年來西部地區(qū)光伏產(chǎn)業(yè)持續(xù)良好發(fā)展。未來，中國光伏發(fā)電技術(shù)將穩(wěn)步增長(zhǎng)，具有很大的發(fā)展空間，與之配套的運(yùn)輸電池技術(shù)具有十分可觀的發(fā)展空間。運(yùn)輸電池技術(shù)的輸電方式不同于傳統(tǒng)沙漠輸電線路，輸電損耗更小，如圖5所示。采用電池輸電方式可實(shí)現(xiàn)光伏電能就地使用，應(yīng)用更靈活。運(yùn)輸電池技術(shù)在以下2方面具有十分顯著的優(yōu)勢(shì)：1）借助其電池靈活的響應(yīng)速度快、靈活性強(qiáng)的能力，能夠有效參與電網(wǎng)調(diào)頻，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性；2）憑借其成本低廉、構(gòu)造簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，能夠有效減少沙漠輸電損耗和提升應(yīng)對(duì)沙漠氣候能力。

圖5 運(yùn)輸電池技術(shù)Fig.5 Transportation battery technology

3.2 參與調(diào)頻，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性

近年來，利用電池儲(chǔ)能技術(shù)參與電網(wǎng)調(diào)頻得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。頻率調(diào)制的充電和放電周期能夠達(dá)到秒級(jí)。采用電池儲(chǔ)能技術(shù)能夠有效避免沙漠光伏電站輸出功率會(huì)隨著環(huán)境的變化而波動(dòng)，進(jìn)而引起電網(wǎng)電能質(zhì)量問題。同時(shí)電池儲(chǔ)能技術(shù)具有如下特點(diǎn)：1）響應(yīng)速度快，可在毫秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)全功率輸出；2）控制穩(wěn)定，可在額定功率范圍內(nèi)的任何功率點(diǎn)保持穩(wěn)定輸出[32-34]。儲(chǔ)能對(duì)于頻率變化的響應(yīng)速度遠(yuǎn)快于火電機(jī)組，這可以令儲(chǔ)能先于火電機(jī)組參與頻率調(diào)整，可有效減小系統(tǒng)最大頻率偏差[35]。隨著新能源發(fā)電占比增加，儲(chǔ)能對(duì)火電機(jī)組在同一指標(biāo)下的容量替代能力將不斷增加，高比例可再生能源電力系統(tǒng)中增加儲(chǔ)能遠(yuǎn)比增加火電機(jī)組所增加的頻率穩(wěn)定性要大，這給儲(chǔ)能容量配置提供了參考。

3.3 經(jīng)濟(jì)性高，應(yīng)對(duì)沙漠氣候能力強(qiáng)

傳統(tǒng)沙漠輸電方式普遍需要架設(shè)輸電線路，遠(yuǎn)距離輸電建設(shè)逆變站、變電站等造價(jià)更加高昂。相較傳統(tǒng)輸電方式，電池運(yùn)輸技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì)：1）采用電池運(yùn)輸技術(shù)成本相較其他輸電方式低。采用駱駝運(yùn)輸電池方式運(yùn)輸光伏電能，取代傳統(tǒng)輸電方式建設(shè)沙漠輸電線路，極大減少了建設(shè)成本；2）其工藝含量較低。只需建設(shè)光伏發(fā)電站及換電站即可滿足運(yùn)輸電池技術(shù)需求，操作過程無需專業(yè)人員；3）應(yīng)對(duì)沙漠氣候能力強(qiáng)。沙漠區(qū)域氣候多變，風(fēng)沙和高鹽等性質(zhì)嚴(yán)重危害輸電線路壽命。沙漠氣候?qū)\(yùn)輸電池技術(shù)影響主要在于運(yùn)輸途中對(duì)駱駝和人工的影響，風(fēng)速過大會(huì)使駱駝運(yùn)輸效率減慢，但對(duì)運(yùn)輸電池本身的危害并不大。

3.4 現(xiàn)存技術(shù)難題

目前，國內(nèi)對(duì)沙漠輸電方式研究較少，大多集中于構(gòu)建沙漠氣候模型以減少其對(duì)輸電線路損耗，但未能從理論上確定沙漠輸電方式經(jīng)濟(jì)性問題并進(jìn)行量化。運(yùn)輸電池技術(shù)作為輸送電能途徑為現(xiàn)有沙漠電能輸送難題提供了新的可能，但運(yùn)輸電池技術(shù)通過駱駝運(yùn)輸電池到換電站，輸送距離小于100 km，輸送距離較短。運(yùn)輸電池技術(shù)輸電容量主要取決于運(yùn)輸電池的規(guī)模，如單只駱駝運(yùn)輸電池量、單次運(yùn)輸駱駝總數(shù)。但總體而言，運(yùn)輸電池技術(shù)的輸電容量相較于高壓輸電容量較低。

4 結(jié)論

推動(dòng)光伏電能在電力系統(tǒng)中的發(fā)展，積極響應(yīng)國家政策，助力實(shí)現(xiàn)我過“雙碳”目標(biāo)。通過對(duì)比沙漠光伏電能不同運(yùn)輸方式，從經(jīng)濟(jì)性的角度分析得出了運(yùn)輸電池技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性極高，且其工藝技術(shù)含量較低，應(yīng)對(duì)沙漠氣候能力強(qiáng)，更適合在沙漠中近距離傳輸光電電能。同時(shí)運(yùn)輸電池技術(shù)采用儲(chǔ)能電池的方式運(yùn)輸電能，借助儲(chǔ)能電池響應(yīng)快、精確控制的優(yōu)勢(shì)，使得運(yùn)輸電池技術(shù)能夠參與電網(wǎng)調(diào)頻，有效提升電網(wǎng)接納清潔能源的能力。運(yùn)輸電池技術(shù)為現(xiàn)有沙漠電能輸送難題提供了新的可能。