抽水蓄能在泛歐洲超級電網中的作用

[德國]

R.布赫

劉可薇　　柯學莎　譯

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抽水蓄能在泛歐洲超級電網中的作用

[德國]

R.布赫

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

關鍵詞：抽水蓄能電站；超級電網；歐洲

據國際能源署報道，全球經濟持續增長，而與發電相關的全球溫室氣體的排放量卻穩定在某一水平。在此背景下，7個主要工業國家于近期達成協議，通過逐步淘汰化石燃料使用的方式減少21世紀末溫室氣體的排放量。七國集團(G7)領導人確認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%。可再生能源發電將在實現這些目標中起到關鍵作用。

1能源轉型

歐洲正在面臨的能源挑戰會改變電力供應的基礎設施。主電網的基本架構已經得到發展，能滿足大容量及主要為碳基能源或核能發電技術的需求。鑒于可再生能源的間歇性和隨機性，網絡集成的可再生能源系統會影響現有網絡的運行特性。歐盟相關政策旨在提高間歇性可再生能源的普及率，促進能源系統架構的完善。

儲能系統可促進可再生能源的利用，并為應對供求矛盾提供一些附屬服務。作為一種已經十分完善的實用儲電技術，抽水蓄能在歐洲卻陷入了一個艱難的市場環境中，很多重大的項目分別在不同的規劃設計階段被擱置。

2可再生能源與抽水蓄能

當一個成員國可再生能源產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了高峰期擁堵問題。最近幾年，估計歐洲每年因電網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，抽水蓄能可轉化為燃氣、熱能、化學能，電力交通(車用蓄電池)以及需求輔助管理或電網增援。

為應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建立高壓直流(HVDC)電網的能源平衡體系，從而依托歐盟內部國家之間的電網擴大供電范圍。這一措施在技術上是可行的，因為最近點對點HVDC連接已取得突破，超速調檔的HVDC斷路器的出現使HVDC輸電網絡運行方式的轉換成為可能。

3泛歐洲超級電網的前景

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

挪威和德國之間長達623 km的Nord.Link互連線路項目是實現能源轉換的基石。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揮作用。

英國和挪威之間的北海電網長達730 km,功率1 400 MW,±525 kV DC換流站，預計2021年投運。

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

歐洲輸電運營商聯盟(ENTOE-E)發布了電網“十年發展規劃”(TYNDP)，主要內容如下。

(1) 到2030年，可再生能源的發展將一直是電網發展的驅動力。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，歐洲電網中大約有100處已是或今后將成為今后發展瓶頸。到2030年，全歐洲電網的平均輸電能力將翻一倍。

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

(4)電網雖不對CO2的排放產生直接影響，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年歐洲能源戰略目標的實現鋪平道路。

歐洲委員會表示會優先發展輸電廊道，并明確指出，北海海上電網(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中的作用

德國能源轉型過程中，一份有關新儲蓄容量需求的詳細研究報告指出，抽水蓄能可用來緩解可再生能源大規模生產帶來的影響。這項研究最有價值的成果之一是，在電網容量穩步擴展的情況下，只有在可再生能源入網占比較高的情景方案(預計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，新建儲能設施才會降低全網的運行成本。根據一項由慕尼黑工業大學完成的研究成果，全歐洲范圍內，電網備用容量可減少2%。

抽水蓄能電站最初設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。在整合可再生能源中，系統運營者和決策者們面臨諸多技術難題，國際能源機構將其歸納如下。

(1) 短期有功功率平衡(慣量和頻率響應)；

(2) 大波動(滿足供需平衡的急劇波動)；

(3) 穩定負荷(負荷曲線和無功功率)；

(4) 暫態穩定(在暫態干擾嚴重時仍保持同步)；

(5) 網絡擁堵和電網約束；

(6) 資源妥適性和長期投資的靈活性。

在考慮州際規模HVDC電網情況下的抽水蓄能時，以下背景信息至關重要：電壓高低是直流電網系統的電力平衡指標。電力過剩時，直流電壓增大；電力不足時，直流電壓減小。而在交流系統中，頻率則是電力平衡的指標。如果交流系統中輸電量超過其耗電量，那么頻率就會增加；反之亦然。比如，當交流系統總能量的變化同水輪發電系統中儲存的動能變化相當時，直流系統中的能量變化是電容(和電感)中儲存的能量變化總和。根據拓撲學和控制保護功能，直流電網若發生故障，其后果會很嚴重，因為電力半導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，對直流系統中發電機組的動態操作要求提高。

在這種情況下，有著卓越的動態能力，諸如瞬時的電力輸入(吸收)及改進的電壓控制技術，可調速的發電機組和全尺寸的轉換解決方案相當重要。由于傳統的和抽水蓄能的水電機組的轉動慣量高，如果可以實現相關的變頻技術，其在提供電網穩定服務方面潛力巨大。

5結語

超級電網是否能成為現實，取決于經濟和戰略上可能產生的投入及不利影響是否大于戰略性收益。系統分析和情景模擬量化了聯網地區的系統收益(平滑效應)與支撐電網平衡所需的備用電站減少量的關系。

顯然，大區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唯一的優勢，重要的是該電網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概念規劃中，歐盟公共事業部門要求詳細研究調度靈活性高的水電站概念。

在電網延伸與一系列可變因素的有機組合之間找到一個平衡點，才能實現可再生能源電力系統的長期經濟效益。由轉換器控制的水電機組有助于減少未來直流電網的風險。

劉可薇柯學莎譯

(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

文獻標志碼：A