沙漠光伏電能外送技術綜述

王若為，李音璇，葛維春，張詩鉭，劉闖，楚帥

（1.東北電力大學電氣工程學院，吉林省 吉林市 132012；2.國網天津營銷服務中心(計量中心)，天津市 河西區 300120；3.國網遼寧省電力有限公司，遼寧省 沈陽市 110006；4.沈陽工業大學電氣工程學院，遼寧省 沈陽市 110870）

0 引言

力爭于2030年前實現“碳達峰”，2060年前實現“碳中和”是我國目前重要戰略之一[1-2]。隨著我國對能源需求量的持續增長，化石能源存貯量不斷下降，同時化石能源的燃燒會生成大量的NOx和CO2等有害氣體，造成嚴重的環境污染和全球變暖等問題。大力發展太陽能等可再生清潔能源，構建新型低碳電力系統，是我國實現“雙碳”目標的重要舉措之一。與其他能源相比，太陽能具有分布廣、無污染、儲量豐富等優勢，這使得光伏發電在全世界范圍內迅速發展起來。截至2021年11月底，我國累計光伏發電裝機容量已經超過2.9億kW。但是，隨著光伏裝機容量的急速擴張，光伏電能輸送問題愈演愈烈。

目前，學者們針對生命周期成本、最小能耗、投資回收期、凈現值等指標對沙漠光伏發電站經濟性問題進行了研究。其中凈現值是沙漠光伏電站建設運營通常采用的經濟性指標，其考慮了整個光伏發電廠項目的壽命和資本周期的及時性[3]。在成本方面，文獻[4]通過對比光伏發電與傳統發電的成本與使用壽命，認為光伏發電優于傳統發電。在全壽命成本方面，文獻[5]構建了光伏發電全壽命周期模型，將多種成本概念深入貫徹到成本核算，并以中國某光伏發電項目為例，測算了光伏發電的全壽命周期。文獻[6]建立了不同光伏發電的碳排放清單，并將不同環境下的碳排放進行了對比。對于新能源接入電網問題，文獻[7]通過分析不同輸電距離和容量，構建了新能源并網直流電網的場景，得出不同組合下年費用最低的直流電壓等級以及柔性直流輸電技術更優的結論。上述文獻著重研究了沙漠光伏電站建設經濟性與光伏電能接入電網能力，對光伏發電成本組成、影響因素、核算方法、不同并網方式適用范圍等方面進行分析與總結，采用對光伏電廠優化配置等方式改善沙漠光伏發電項目經濟性，提高了光伏發電競爭力，有助于光伏發電系統向著高穩定性、低成本方向發展。目前關于提高光伏輸送電能并網能力方面已有較多研究，而鮮有關于沙漠區域光伏輸電經濟性方面的研究。

長距離輸電需要高電壓等級的傳輸線路支持，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重要的地位[8-10]。目前學者針對高壓直流和特高壓交流輸電等方面進行了研究。文獻[11]研究了高壓直流輸電線路線路故障測距方法，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距方法，消除了波速衰減的影響，實現無需線路兩側時鐘同步的雙端測距。文獻[12]對實際運行的特高壓交流線路應對雷電繞擊防護性進行了研究，另外還對桿塔波阻抗、接地電流等對避雷裝置保護特性的影響進行了解析，從而證明了在實際工作中特高壓輸電系統中交流線路避雷器對雷電繞擊保護的有效性。文獻[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-電網換相換流器混合級聯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靜態電壓穩定、暫態過電壓與慣量缺乏等難題，降低了送端系統對同步調相機和靜止同步補償器的容量需求。綜上所述，高壓輸電能夠有效解決我國長距離新能源輸電需求，相較于傳統輸電線路具有距離遠、容量大、損耗低等優勢，目前廣泛應用于我國遠距離電能傳輸、新能源接入電網等領域。由于線路較長，途經區域氣候和環境變化較大，線路故障概率很高，對高壓輸電線路安全問題仍需進一步研究。

針對沙漠光伏電能輸送困難的問題，本文提出了一種利用運輸電池進行電能運輸的策略。通過分析光伏發電系統及電池運輸技術的工作原理，圍繞設備經濟輸送距離、投資成本、運行損耗等經濟性指標，對比運輸電池與其他沙漠光伏輸電方式的差異，發現運輸電池技術具有操作難度低，應對沙漠氣候強等優勢，同時由于采用駱駝運輸方式輸送電能，能夠有效緩解我國西部地區就業壓力。

1 運輸電池技術

沙漠光伏發電呈現大規模集中開發、中高壓接入、高壓遠距離外送消納的特點。運輸電池技術無需高壓輸電，相較于傳統的輸電技術具有更大的優勢。運輸電池技術可將沙漠光伏輸出的電能存儲在電池中，通過人工駱駝運輸方式將電池運輸至換電站進行應用，該運輸方式能夠有效避免沙漠風沙、高鹽等特性對輸電線路的危害，提升應對沙漠氣候能力。

1.1 沙漠光伏電站

光伏發電系統的主要組成部分為光伏陣列、逆變器、變壓器及其他并網環節，如圖1所示。其中，光伏陣列由多個光伏電池經串并聯組合而成，光伏陣列產生的電能通過逆變器、濾波器和升壓變壓器等輸送到電網[14]。

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

在運輸電池技術中，先利用光伏系統為電池充電，電池充電功率可通過計算光伏電站發電功率獲得。根據單個太陽能光伏電池組件的受光面積，計算所有太陽能方陣電池組件受光面積：

式中：A(t)為t時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，個；Am(t)為t時刻第m個太陽能光伏電池組件的受光面積，m2。

根據單個太陽能光伏電池組件的光電轉換效率，計算光伏電站的光電轉換效率η：

式中ηm為第m個太陽能光伏電池組件的光電轉換效率，%。

根據式(1)、(2)，計算光伏發電系統的輸出功率：

式中：Ps(t)為t時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

當光伏能源的輸出功率波動時，電池容量及其最大允許充放電功率限制儲能系統的充放電功率[15]。為此，建立了光伏蓄能電池充放電系統的數學模型(如圖2所示)，研究光伏儲能電池系統在各個時刻的充放電功率和電池S(t)(荷電狀態)，以滿足光伏電池儲能系統對電池充放電控制要求，并通過S(t)判斷電池的荷電狀態。

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

光伏電池儲能系統的充蓄電池在使用一段時間或長期擱置不用后的剩余容量與其在完全充電狀態下容量的比值通常以百分數表示。其取值范圍為0~1，當S(t)=0時表示光伏電池中電能完全放出，當S(t)=1時表示光伏電池中電能達到滿值。

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

1.3 沙漠輸電方式

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

1）運輸電池技術

運輸電池技術與傳統輸電方式具有諸多不同。首先，需要在沙漠集中式光伏發電站設立光伏電能轉電池電能充電裝置，將波動的光伏電能轉化為電池電能。然后，采用駱駝馱運的方式人工在沙漠上運輸電池到達附近的換電站，從而實現沙漠光伏電能的輸送。運輸電池技術無需建設輸電線路，避免了沙漠氣候對輸電線路的損耗。但是，其輸送距離和輸送容量相對較低。

2）特高壓交流輸電

特高壓交流輸電通過提高傳統輸電線路電壓等級，增大輸電線路輸送容量，增加系統輸送距離，實現遠距離輸電，該輸電原理與普通交流輸電系統基本相同[16-18]。特高壓交流1 000 kV的輸電工程已經在我國建設應用，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1 000 kV交流輸電線路每500 km進行分段，利用中間開關站加靜止無功補償器和線路串聯電容補償，其輸送距離可以達到2 000 km，并且輸送功率可以達到4 000 MW[19-21]。蘇通雙回路敷設，全長約34 200 m，是目前世界上電壓等級最高、輸送容量最大、輸送距離最長、技術水平最先進的剛性氣體絕緣輸電線路工程，此項工程已于2019年9月建成投運。

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。近年來，隨著我國各地區對輸電線路輸電能力要求的不斷提高，為了合理開發利用我國電力資源，特高壓直流輸電技術的研究正在逐漸深入[22-24]。高壓直流輸電的基本原理是：將發送端的交流變為直流，然后通過特高壓直流線路將電力傳輸到接收端，將接收端的直流變為交流，從而實現電力傳輸。特高壓直流的電壓等級有直流±800 kV和直流±1 100 kV兩種。目前，我國已經實現了特高壓直流±800 kV輸電工程的建設。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電壓等級的輸電方式，其輸送距離達到了2 000 km，輸送容量達到了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到2 200 km，輸送容量為8 000 MW。

2 運輸電池與其他輸電方式經濟性對比

為了體現各種運輸方式的經濟性，本文針對沙漠光伏與電池輸送各項指標進行對比，包括設備經濟輸送距離、投資成本、運行損耗、單位年費用、設計復雜程度、輸電容量、應對沙漠氣候能力等。各輸電方式的經濟性指標總覽見表1。

表1 運輸電池與其他輸電方式經濟性對比Tab.1 Performance comparison of the transportation battery technology with other methods

1）經濟輸送距離

經濟輸送距離是指各輸電方式在對應電壓等級下輸電線路經濟性最優時對應的輸電距離。運輸電池技術不架設輸電線路，其輸送電能方式完全以人工的方式通過駱駝運輸光伏儲能電池到達附近的換電站，其經濟輸送距離較短。在輸送電能的過程中，運輸電池技術的輸電損耗比其他傳統輸電方式大，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，其經濟性將大幅降低。220 kV輸電線路輸電電壓較低，損耗隨著距離過長將大幅增大，經濟輸送距離適中。對于高壓輸電線路，其建設成本遠高于傳統輸電線路，但其電壓等級比傳統輸電方式高，傳輸容量為傳統輸電方式的數倍，輸電距離也大幅度增加，走廊占地面積只有傳統輸電線路的一半左右，輸送相同容量電能時輸電損耗不到傳統輸電損耗的一半。

2）投資成本

圖3為各類輸電方式投資成本對比示意圖。運輸電池技術輸電投資費用主要集中于電池設備和換電站的建設以及駱駝和電池的購買，投資費用較低。220 kV輸電線路成本包含普通鋼塔、高強鋼塔、導線、地線及其他材料，人工、材料、機械按同期價格水平調整，其中人工費調整系數約為45.92%，材機費調整系數約為29.83%[25]。特高壓交流輸電成本較常規輸電線路價格高，其中導線架設安裝成本和組件安裝成本的價格水平遠高于常規線路。在1 000 kV晉東南-南陽-荊門特高壓交流輸電線路工程的實際成本控制中，也反映出這2個項目的成本增加過多，這主要是由于特高壓工程建設和管理的特殊性。±800 kV直流輸電設備成本含有換流站、直流線路、避雷器等。高壓直流輸電線路的造價成本相比運輸電池技術和傳統輸電線路較高，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相對于交流輸電線路變電站更加昂貴。由于電磁環境對輸電線路的影響，特高壓交流輸電線路導線型號在設計時橫截面積要超出其實際使用的需要，這將導致輸電線路工程造價偏高。

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

3）運行損耗

運輸電池技術運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，損耗相對較低，但損耗率相對較高。當采用大量駱駝排成長隊連續對電池進行運輸時，可將駝隊近似看作以一定速率持續運輸電池的傳送帶。沙漠地區風速過大會增加駝隊的單次運輸時間，單次駱駝運輸效率減慢，但對整體輸送過程運輸效率作用較小。此外，由于駝隊在運輸電池過程中不需要消耗電能，電池在運輸過程中通常不會產生電能損耗。220 kV輸電系統由于不同的設計、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，輸送端發出的電能在到達接收端時會導致電能降低，從而影響輸電效率[26-27]。變電站損耗主要包含電力設備的功率損耗，如變壓器、電抗器、無功補償裝置及電站功率損耗。高壓直流輸電的運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。當交流輸電系統不受事故干擾時，交流系統的利用率遠低于直流系統。

4）單位年費用

圖4為各類輸電方式單位年費用。運輸電池技術在短距離輸電時年費用較低，經濟性較高。由于運輸電池技術輸電采用駱駝馱運電池方式，隨著輸電距離增加，其人工費用及駱駝損耗將大幅增加，年費用也隨之增加，經濟性將降低。220 kV在0~50 km范圍內單位年費用略高于運輸電池技術，當輸電距離在100~200 km時經濟性最好。當輸電距離大于500 km時，高壓直流輸電和特高壓交流輸電的經濟性更高，隨著距離大幅度增加，高壓輸電與運輸電池技術的年費用差距將大幅度拉大。這主要是因為當輸電距離較近時，運輸電池技術和220 kV輸電線路的設備運行損耗相對較低，投資成本較小。隨著輸電距離的增大，運輸電池技術和220 kV投資成本和維護成本將大幅度增大，而高壓輸電線路傳輸容量大，直流的經濟性優勢逐漸顯現。直流工程投資中，換流站投資不隨距離變化；電壓等級越高，線路的單位容量造價隨距離下降越快。同時，隨著光伏電能輸電距離的增加，線路投資比重提高，較高電壓等級直流輸電的經濟性也有所提高。

圖4 各類輸電方式單位年費用Fig.4 Annual cost of various transmission modes

5）設計復雜程度

運輸電池技術對環境要求低，不需要考慮沙漠中風、沙的綜合效應，設計光伏電站、光伏電池充電站以及從光伏發電站到換電站適應沙漠氣候的線路即可。傳統沙漠輸電方式設計十分復雜，需要考慮風、沙的綜合效應，研究輸電塔線耦合體系、構架避雷針等風致振動特性，同時需考慮風速、時間和腐蝕等因素的影響。輸電線路的基礎設計與建設除需要考慮風積沙的特點外，還需要考慮后期運行，因此需要長期考察風速條件下輸電塔線耦合體系的穩定性，建立典型區域風積沙地基的監控點，根據監測數據，評估輸電塔線耦合體系的穩定性。對于交流輸電而言，由于輸電線路同時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，設計沙漠光伏電站輸送方式需要考慮電壓降落的問題，這使得未來擴建傳輸線路更為困難。

6）輸電容量

沙漠輸電技術中，運輸電池技術輸電容量主要取決于運輸電池的規模，如單只駱駝運輸電池量、單次運輸駱駝總數。但總體而言，運輸電池技術的輸電容量低于高壓輸電容量。傳統輸電方法的電壓等級高，同時輸送容量又很大，有利于傳遞大功率、中長距離的電力。特高壓直流輸電主要用于輸電方向穩定的中長距離大容量輸電，如部分省網之間的電能傳輸。特高壓交流輸電主要用于距離較近的大容量輸電，同時用于構建更高電壓等級的電力系統網絡。但大容量遠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，發出的電能受到環境的影響，輸送功率將隨之波動，因此需要考慮輸電線路的安全性問題。

7）應對沙漠氣候能力

沙漠區域風速較大、持續時間長，并且沙塵具有高鹽特性[28-29]，這些因素均影響著沙漠區域輸變電構架設備的使用壽命。對于運輸電池技術，沙漠氣候主要會對單次運輸途中的駱駝和人工造成影響，風速過大會降低單次駱駝運輸電池的運輸效率。相較于車輛運輸電池方式，駱駝運輸電池受天氣影響較小。若采用車輛進行電池運輸，沙漠惡劣天氣會影響運輸路線的通暢程度，提高運輸行駛難度，同時風沙天氣會降低道路能見度，增加車輛運輸過程的安全隱患，降低運輸的安全保障程度。而駱駝運輸電池不受既定鋪設道路的限制，可靈活地調整路徑，減少天氣對電池運輸的影響程度，可實現電池電能的持續供應。沙漠氣候對220 kV輸電線路和特高壓有非常大的影響。在沙漠地區，輸電線路將遭受不同形式和程度的沙漠危害。沙漠中的風蝕、風沙的傳遞和積聚會給輸電線路工程造成不同程度的危害，其中風蝕會造成線路鐵塔基礎的破壞；風沙的輸送會造成輸電塔的磨損，甚至會形成風沙電，危及輸變電線路的安全。風和沙的積累會縮短架空線路與地面的距離，對輸電線路引起潛在的安全隱患。另外，特高壓專用設備的一次性造價和技術要求高，目前部分已投入使用的線路存在抗烈性自然災害的能力偏低的問題。

8）安全程度

在安全性方面，運輸電池技術安全程度最高，在向電池充電過程中，一般人員即可操作。同時，在運輸途中，無需考慮輸電線路電壓降落、雷擊等安全問題，電池運輸的安全系數也相對較高。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高，如果其使用單回線路向附近電網輸電功率達到輸電線保護率所能承擔的10%~15%時，可能會導致傳輸線故障和跳閘，從而危及配電網的安全運行。一旦發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停止工作，會給地方的電力安全運營帶來重大影響。所以，在某一地方如果有多條特高壓線路同時饋入或送電運行，這些交流輸電線路就不需要再從個別大電廠集中輸送出，最好將幾個不同的大型發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，降低設備和線路絕緣水平，節省工程投資[30-31]。當特高壓直流輸電模式用于長距離大容量輸電時，也會出現穩定性問題。首先，由于特高壓直流輸電的高電壓水平，每千瓦設備和每千米線路的成本非常高，這可能導致單回線路長期運行，而輸電容量又非常大。當電源或者線路發生故障時，將對受端電網的安全穩定運行產生嚴重影響。當供電設備和線路均出現故障時，將對受端供電的系統安全及平穩運營形成巨大危害。

3 運輸電池技術的優勢與挑戰

3.1 運輸電池技術的優勢

隨著中國對新能源的越發重視，近年來西部地區光伏產業持續良好發展。未來，中國光伏發電技術將穩步增長，具有很大的發展空間，與之配套的運輸電池技術具有十分可觀的發展空間。運輸電池技術的輸電方式不同于傳統沙漠輸電線路，輸電損耗更小，如圖5所示。采用電池輸電方式可實現光伏電能就地使用，應用更靈活。運輸電池技術在以下2方面具有十分顯著的優勢：1）借助其電池靈活的響應速度快、靈活性強的能力，能夠有效參與電網調頻，提高電網穩定性；2）憑借其成本低廉、構造簡單的特點，能夠有效減少沙漠輸電損耗和提升應對沙漠氣候能力。

圖5 運輸電池技術Fig.5 Transportation battery technology

3.2 參與調頻，提高電網穩定性

近年來，利用電池儲能技術參與電網調頻得到了業界的廣泛關注。頻率調制的充電和放電周期能夠達到秒級。采用電池儲能技術能夠有效避免沙漠光伏電站輸出功率會隨著環境的變化而波動，進而引起電網電能質量問題。同時電池儲能技術具有如下特點：1）響應速度快，可在毫秒內實現全功率輸出；2）控制穩定，可在額定功率范圍內的任何功率點保持穩定輸出[32-34]。儲能對于頻率變化的響應速度遠快于火電機組，這可以令儲能先于火電機組參與頻率調整，可有效減小系統最大頻率偏差[35]。隨著新能源發電占比增加，儲能對火電機組在同一指標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中增加儲能遠比增加火電機組所增加的頻率穩定性要大，這給儲能容量配置提供了參考。

3.3 經濟性高，應對沙漠氣候能力強

傳統沙漠輸電方式普遍需要架設輸電線路，遠距離輸電建設逆變站、變電站等造價更加高昂。相較傳統輸電方式，電池運輸技術具有如下優勢：1）采用電池運輸技術成本相較其他輸電方式低。采用駱駝運輸電池方式運輸光伏電能，取代傳統輸電方式建設沙漠輸電線路，極大減少了建設成本；2）其工藝含量較低。只需建設光伏發電站及換電站即可滿足運輸電池技術需求，操作過程無需專業人員；3）應對沙漠氣候能力強。沙漠區域氣候多變，風沙和高鹽等性質嚴重危害輸電線路壽命。沙漠氣候對運輸電池技術影響主要在于運輸途中對駱駝和人工的影響，風速過大會使駱駝運輸效率減慢，但對運輸電池本身的危害并不大。

3.4 現存技術難題

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

4 結論

推動光伏電能在電力系統中的發展，積極響應國家政策，助力實現我過“雙碳”目標。通過對比沙漠光伏電能不同運輸方式，從經濟性的角度分析得出了運輸電池技術的經濟性極高，且其工藝技術含量較低，應對沙漠氣候能力強，更適合在沙漠中近距離傳輸光電電能。同時運輸電池技術采用儲能電池的方式運輸電能，借助儲能電池響應快、精確控制的優勢，使得運輸電池技術能夠參與電網調頻，有效提升電網接納清潔能源的能力。運輸電池技術為現有沙漠電能輸送難題提供了新的可能。