抽水蓄能在泛欧洲超级电网中的作用

[德国]

R.布赫

刘可薇　　柯学莎　译



抽水蓄能在泛欧洲超级电网中的作用

[德国]

R.布赫

摘要：抽水蓄能电站最初设计的目的主要是利用其储能作用削峰填谷，如今在应对失去管控的电力市场和大幅增长的风能和太阳能发电装机容量所带来的挑战方面发挥着重要作用。概述了未来欧洲超级电网建设的可行性以及抽水蓄能电站在其中可发挥的优势。

关键词：抽水蓄能电站；超级电网；欧洲

据国际能源署报道，全球经济持续增长，而与发电相关的全球温室气体的排放量却稳定在某一水平。在此背景下，7个主要工业国家于近期达成协议，通过逐步淘汰化石燃料使用的方式减少21世纪末温室气体的排放量。七国集团(G7)领导人确认他们会支持政府间气候变化专门委员会(IPCC)的建议，在2050年前将温室气体排放量较2010年减少40%～70%。可再生能源发电将在实现这些目标中起到关键作用。

1能源转型

欧洲正在面临的能源挑战会改变电力供应的基础设施。主电网的基本架构已经得到发展，能满足大容量及主要为碳基能源或核能发电技术的需求。鉴于可再生能源的间歇性和随机性，网络集成的可再生能源系统会影响现有网络的运行特性。欧盟相关政策旨在提高间歇性可再生能源的普及率，促进能源系统架构的完善。

储能系统可促进可再生能源的利用，并为应对供求矛盾提供一些附属服务。作为一种已经十分完善的实用储电技术，抽水蓄能在欧洲却陷入了一个艰难的市场环境中，很多重大的项目分别在不同的规划设计阶段被搁置。

2可再生能源与抽水蓄能

当一个成员国可再生能源产量过剩且超过其输往其他国家的输送能力时，国际能源交易就出现了高峰期拥堵问题。最近几年，估计欧洲每年因电网繁忙拥堵造成的损失为13亿欧元。

为减轻不断增加的可再生能源发电份额所带来的影响，可以采取一些“灵活性措施”，比如储能，抽水蓄能可转化为燃气、热能、化学能，电力交通(车用蓄电池)以及需求辅助管理或电网增援。

为应对可再生能源时空上的显著变化，采取的措施之一是在欧盟大范围内建立高压直流(HVDC)电网的能源平衡体系，从而依托欧盟内部国家之间的电网扩大供电范围。这一措施在技术上是可行的，因为最近点对点HVDC连接已取得突破，超速调档的HVDC断路器的出现使HVDC输电网络运行方式的转换成为可能。

3泛欧洲超级电网的前景

泛欧洲高压电网，也就是所谓的超级电网，被定义为远距离大规模输电到用户集中地的传输系统。为解决风能与太阳能的间歇性问题，大容量传输层(即电网直流叠加)技术被引入传统的传输系统中。

挪威和德国之间长达623 km的Nord.Link互连线路项目是实现能源转换的基石。这项耗资15～20亿欧元，±525 kV的直流输电项目拥有1座功率为1 400 MW的换流站，并且能够双向操作。这项工程投资费用(大约1 400欧元/kW)与中欧最近研究的同等功率的抽水蓄能方案基本相同。挪威并不需要新的储能计划，因为其境内已建成的众多水库能通过维持库容的方式像自然储存可再生能源一样发挥作用。

英国和挪威之间的北海电网长达730 km,功率1 400 MW,±525 kV DC换流站，预计2021年投运。

上述已介绍的点对点连接和其他现有的或规划的项目，将最终并入横贯欧洲大陆的多网格高压直流电网。

欧洲输电运营商联盟(ENTOE-E)发布了电网“十年发展规划”(TYNDP)，主要内容如下。

(1) 到2030年，可再生能源的发展将一直是电网发展的驱动力。泛欧层面的工程会使更多气候友好型的机组投入运行，并帮助避免30～100 TW·h可再生能源的弃用。

(2) 如果不进行改造，欧洲电网中大约有100处已是或今后将成为今后发展瓶颈。到2030年，全欧洲电网的平均输电能力将翻一倍。

(3) 欧洲电网改造项目总投资额约为1 500亿欧元。电网总长度将以每年1%的速率延伸。与每年3%～5%的发电量增长率相比，电网延伸速度相对较缓。新的电网投资项目中有1/3位于海底，对现有设备的升级改造约占10%。

(4)电网虽不对CO2的排放产生直接影响，但也可以有效促进CO2的减排，到2030年，TYNDP 2014项目可使CO2减排20%，从而为2050年欧洲能源战略目标的实现铺平道路。

欧洲委员会表示会优先发展输电廊道，并明确指出，北海海上电网(北海、爱尔兰海、英吉利海峡、波罗的海)对于将离岸可再生能源电力输送到消费和储存中心相当重要,同时还可增加跨国电力交易。

4抽水蓄能在未来超级电网中的作用

德国能源转型过程中，一份有关新储蓄容量需求的详细研究报告指出，抽水蓄能可用来缓解可再生能源大规模生产带来的影响。这项研究最有价值的成果之一是，在电网容量稳步扩展的情况下，只有在可再生能源入网占比较高的情景方案(预计2040年后德国的占比超过90%，欧洲的占比超过60%)中，从长远来看，新建储能设施才会降低全网的运行成本。根据一项由慕尼黑工业大学完成的研究成果，全欧洲范围内，电网备用容量可减少2%。

抽水蓄能电站最初设计只是利用其储能作用削峰填谷，多年来却一直面临着失去管控的电力市场及可再生能源装机容量大幅增长带来的挑战。在整合可再生能源中，系统运营者和决策者们面临诸多技术难题，国际能源机构将其归纳如下。

(1) 短期有功功率平衡(惯量和频率响应)；

(2) 大波动(满足供需平衡的急剧波动)；

(3) 稳定负荷(负荷曲线和无功功率)；

(4) 暂态稳定(在暂态干扰严重时仍保持同步)；

(5) 网络拥堵和电网约束；

(6) 资源妥适性和长期投资的灵活性。

在考虑州际规模HVDC电网情况下的抽水蓄能时，以下背景信息至关重要：电压高低是直流电网系统的电力平衡指标。电力过剩时，直流电压增大；电力不足时，直流电压减小。而在交流系统中，频率则是电力平衡的指标。如果交流系统中输电量超过其耗电量，那么频率就会增加；反之亦然。比如，当交流系统总能量的变化同水轮发电系统中储存的动能变化相当时，直流系统中的能量变化是电容(和电感)中储存的能量变化总和。根据拓扑学和控制保护功能，直流电网若发生故障，其后果会很严重，因为电力半导体器件的热荷载能力有限，一旦遭遇过载电流，所有的电力电子器件都会受到损害。直流输电线中短路会瞬时产生强大的电流并且不能被交换器控制，因为电流只受限于所有低电阻的部件，这样短路就变得很严重。正因为只留有几毫秒的时间采取过电流保护，对直流系统中发电机组的动态操作要求提高。

在这种情况下，有着卓越的动态能力，诸如瞬时的电力输入(吸收)及改进的电压控制技术，可调速的发电机组和全尺寸的转换解决方案相当重要。由于传统的和抽水蓄能的水电机组的转动惯量高，如果可以实现相关的变频技术，其在提供电网稳定服务方面潜力巨大。

5结语

超级电网是否能成为现实，取决于经济和战略上可能产生的投入及不利影响是否大于战略性收益。系统分析和情景模拟量化了联网地区的系统收益(平滑效应)与支撑电网平衡所需的备用电站减少量的关系。

显然，大区域可再生能源利用的随机平滑性和供电平衡保障能力并不是超级电网唯一的优势，重要的是该电网还能促进跨国能源交易，从而提高能

源安全性。这被看作是欧盟单一电力交易市场进程的一部分。

在最近开展的各种可行性研究和相关概念规划中，欧盟公共事业部门要求详细研究调度灵活性高的水电站概念。

在电网延伸与一系列可变因素的有机组合之间找到一个平衡点，才能实现可再生能源电力系统的长期经济效益。由转换器控制的水电机组有助于减少未来直流电网的风险。

刘可薇柯学莎译

(编辑：朱晓红)

收稿日期：2016-01-18

文章编号：1006-0081(2016)05-0003-02

中图法分类号：TV743

文献标志码：A