海岛可再生能源电力储能模式的探讨分析.pdf

4 9 6 电力与 能源 第 3 6 卷第 4 期 2 0 1 5年 8月 海岛可再生能源电力储能模式的探讨分析 李 懿 ， 王根成 ， 刘会勇 ， 向 楠 ， 沈 沉 ， 李 妍 ( 国网舟 山供 电公 司， 浙 江 舟山 3 1 6 0 2 1 ) 摘 要 ： 有效利用清 洁无 污染 的海洋 电力能源正成为我国实现能源战略转变的重要选择 。选取浙江舟山群岛 为典型研究对象 ， 对海 岛地 区可再生能源 电力的储能模式进行分析探讨 ， 提 出对策和建议 ， 为政府部 门和研究 机构从事相关电力能源资源规划决 策提供有 益的参考 。 关键词 ： 海岛地 区 ； 可再生能源 ； 多余 电能 ； 储存 消纳 作者简介 ： 李懿( 1 9 8 3 ) ， 男 ， 工程师 ， 海洋输 电技术研究与智能 电网建设工作 。 中图分类号 ： TM7 2 7 文献标志码 ： B 文章编号 ： 2 0 9 5 1 2 5 6 ( 2 0 1 5 ) 0 4 0 4 9 6 0 4 Dis c u s s io n a n d An a l y s is o f t h e S t o r a g e M o d e o f Re n e wa b l e En e r g y in M a r in e Ar e a LI Y i， W ANG Ge n - c he n g， LI U Hui y on g， XI ANG Na n， SHEN Che n， LI Ya l l ( Zh o u s h a n E l e c t r ic P o we r S u p p l y Co m p a n y ，Zh o u s h a n 3 1 6 0 2 1 ，Ch in a ) Ab s t r a c t ：Th e e f f e c t iv e u s e o f c l e a n e n e r g y h a s b e c o me a n imp o r t a n t c h o ic e f o r e n e r g y s t r a t e g ic t r a n s f o r ma t io n in Chin a Ba s e d on t he t yp ic a l r e s e a r c h o f Zh ou s ha n a r c hipe l a g o，t h is p a pe r e x pl o r e s t he s t or a ge mo de of r e n e wa b l e e n e r g y in ma r in e a r e a ，p u t s f o r wa r d s o me s u g g e s t io n s a n d me a s u r e s ，p r o v id e s a u s e f u l r e f e r e n c e f o r t he g ov e r nme n t de p a r t me nt s a nd r e s e a r c h in s t it ut ion s e ng a ge d in e l e c t r ic e ne r gy r e s our c e p l a n ning de c is io n Ke y wo r d s ：ma r in e a r e a ；r e n e wa b l e e n e r g y ；e l e c t r i c e n e r g y e x c e s s ；s t o r a g e a n d d is p o s a l 以海利 国是 近现代 西方 国家崛 起 的普遍 历史 经 验 ， 充 分 开发海 洋 是 走 向强 国之 路 的重 要 基 础 条件。我国在 2 0 1 3年 1 O月提出合作建设 “ 二十 一 世纪海上丝绸之路” 的战略构想 ， 旨在综合利用 海 洋资 源 ， 发展海 洋经 济 ， 建设 海洋 强 国 。随 着 国 家海洋 专属 经济 区范 围 的 日渐 扩 大 ， 沿海 各 岛屿 开发进 程加 速 ， 用 电负荷 需求 也 随之增 加 ， 对 电力 供应的安全稳定性将提出更高要求 。开展可再生 能源 电力 的开发 建设 ， 对于 缓解海 岛供 电压 力 、 提 高海洋资源开发水平 、 维护 国家海洋权益、 保障海 疆 国防安 全 、 保 护 海 洋生 态 环 境都 将 起 到 积极 的 推动作 用 。 由于 大量分 布 式 发 电 系统 的并 网接 入 ， 电 网 的稳定运行受到影响 ， 多余电量的消纳问题逐步 突显 。现 有设 备将 难 以满 足 电 能 的储 存需 求 ， 系 统迫 切需 要强 大 的储 能设 施作 为有效 支撑 。与 陆 地电网相 比， 海岛电网在负荷分布、 施工条件、 运 检模式和技术经济等方面均存在较大不同。从事 海岛可再生能源电力储能模式分析探讨对调整经 济 结构 、 保 障能 源供 给 、 维 护 电 网安 全 、 促 进 学 科 研 究等方 面均 具有 较为深 远 的现实 意义 。 l 储 能问题 出现原 因分析 储能问题的出现源于产出的多余 电能无法及 时妥善处理 ， 从侧面折射出电网系统在安全运行 与供需平衡等多种条件约束下的灵活性不足。电 网的灵 活性不 足 主要 体 现 在 三个 方 面 ： 一 是 大 机 组 加小 负荷 的运行 方式导 致 系统分 区就 近平衡 电 能空 间的先 天不 足 ； 二 是 由于 可 再 生 能源 电力 存 在间歇性和随意性的特点 ， 以及其渗透率 的不断 提高 ， 传 统 以火力 发 电机 组 为 主 的调 峰手 段 无 法 满足在 增加 可再 生能源 发 电场后 电 网系统调 度控 制 的需 要 ； 三是部 分 地 区以热 定 电 的系统 机 组 运 行模式 ， 进一 步 压 缩 了 电 网有 限 的 消纳 空 间 。 电 网 系统 在运 行 时难 免 受 到外 界 因素 的扰 动 影 响 ， 尤其 是在送 电端 发 生 故 障 时 ， 储 能装 置 能 够 在最 短 时间 内投入运 行 ， 起 到应 急 电源支撑 作用 ； 在 负 荷高 峰期 削峰填 谷 ， 减 少备 用容量 的建 设投 资 ； 改 善末端电网电能电压质量， 为受电端提供高质量 高可 靠性 的用 电服务 。伴 随可再 生 能源 电力 产业 的蓬勃发 展 ， 全 球 储 能项 目装 机 规模 呈 现 逐 年 递 增趋 势 ， 具体情 况 如图 1 所 示 。 李懿 ， 等 ： 海 岛可再生 能源 电力储 能模式的探讨分析 4 9 7 图 1 全球储能项 目装机规模 2海岛 电网的特点与现状 舟 山电 网属 于典 型 的海 岛 电网 ， 传 输距 离远 ， 线路 损 耗 大 ， 电 源结 构 较 为单 一 ， 缺 少 水 电 、 抽水 蓄能 、 燃气发 电等调峰机组 ， 统调负荷基数较低 ， 受气 候变 化影 响 明显 ， 日负 荷 曲线 波 动较 大 ， 对 系 统运 行控 制要 求较 高 。 舟 山 电 网 通 过 2回 2 2 0 k V 线 路 、 3回 1 1 0 k v线路与浙江大陆主 网相联 ， 共有 2 2 0 k V变 电 站 5座 ， 变 电容量 为 2 0 4 0 MVA； 1 1 0 k V 变 电站 2 5座 ， 变 电容 量 2 3 9 5 MVA。 由于受 到 海 岛地 理 因素制约， 舟山的负荷分布相对松散 ， 主力电源点 是位 于本 岛北部 的 舟 山发 电 厂( 火 电机 组 ， 装 机容 量 9 1 0 MW ) 。2 0 1 4年 ， 全 网最高 用 电负荷 为 8 2 2 Mw。据预测 ， 到 2 0 2 0年， 全网最高用 电负荷将 达 2 1 9 6 Mw ， 接近 最高 负荷 的 2 6 7倍 。 考虑 到用 电需 求 的持续 增长 和发 电机组 的到 期退役， 若干年以后 ， 舟山的自有电源点将无法满 足 负荷缺 口 ， 来 自宁 波 和 上海 两 地 的外 来 供 电 成 为 电 网重 要 的电源 支撑 。电力平 衡情 况见 表 1 。 表 1 舟 山地 区电力平衡 情况 Mw 舟 山群岛的海上风电、 潮汐能等可再生能源 电力 开 发 已初 具 规 模 ， 目前 建 成 投 运 的 海 上 风 电装 机 容 量 达 到 1 2 3 3 MW ，潮 汐 能 发 电容 量 约 3 4 Mw ， 远 景 若 出现 大 规模 海 上 风 电和潮 汐 能并 网接人 ， 必将 对 电 网频 率稳 定控 制产 生较 大影响 ， 一 旦发 生严 重故 障造成 舟 山电 网脱 离 浙 江大 陆 主 网 呈 现 小 系 统 运 行 状 态 ， 极 易 引 发 频 率失 稳 问 题 。 3各种储能技 术优缺 点比较 常用 的储能技 术可分成 四大类 ， 分别为机械 类储能 、 电气类储能、 电化学类储能和热储能。机 械 类储 能技 术包 含 抽 水 蓄 能 、 飞 轮 储 能 和压 缩 空 气 储能 。电气类 储 能技术 包括 超级 电容 器储 能 和 超 导储 能 。 电化学 储 能技 术 以储 能 蓄 电池 为 主 。 热储能技术分为显热储能和潜热储能 。目前 ， 在 电 网中应 用较 多 的为机 械类储 能技 术 和 电化 学储 能技 术 。 3 1抽水 蓄 能 抽水 蓄 能是最 常用 的电网储 能技 术 。抽水 蓄 能电站可按照任意容量设计建造 ， 储 能效率达到 7 0 8 5 左右 ， 在 削 峰 填 谷 、 调 频 调 相 、 紧 急 事 故备用 、 系统黑启动等方面可起到重要作用。抽 水 蓄能 电站 一般 需要 设置 上 、 下两个 水库 ， 利用 深 夜负荷低谷或丰水期 的多余电力 ， 使得水轮机 以 水泵方式工作 ， 将下水库的水抽至上水库， 再在白 天负荷高峰或枯水期时将水放 出进行发 电。 抽水 蓄 能 电 站 设 计 建 设 须 满 足 三个 技 术 条 件 ： ( 1 ) 要 有 良好 的地 质 和地 形 基 础 ， 上 下 库 之 间 应具备防渗透条件， 保证拥有足够大 的水库库容 和高大雄厚山体作为支撑 ， 适合修建大深度和跨 度 的地下 厂 房 ； ( 2 ) 选 址 应 考 虑 尽 量 靠 近 负 荷 中 心 ， 枢 纽变 电站 ， 大 型 发 电厂 、 核 电站 和缺 少 电源 支撑 地 区 ； ( 3 ) 抽水 蓄 能 电站 水 头要高 ， 隧 洞要短 。 海岛上缺乏充足的土地资源 ， 多为崎岖不平 的沿海 丘 陵 ， 没有 高大 岩石 山体 作 为建站 支持 ， 即 便 将海 洋作 为下 水 库 使 用 ， 依 旧无法 修 建 具 有 足 够 容量 的高 坝上 水库 和大 深度 的地 下厂 房 。除技 术层面外 ， 抽水蓄能电站 的开发存在立项审批复 杂 、 工程周期长、 前期投 资大和成本 回收慢等弱 点 ， 经 济性较 差 。显 然 ， 抽 水蓄 能技 术并 不适 合海 岛 电网储 能的建 设需 要 。 3 2蓄 电池储 能 储能蓄电池包括铅酸电池 、 钠硫电池 、 液流电 池 和 锂 电池等 。根 据相 关 数 据 显 示 ， 全 球 每年 对 于蓄 电池 的需 求量 达到 1 5 0 亿 美元 以上 。 铅酸 电池 是将 二氧 化铅 和海 绵状金 属铅 分别 作为 正 、 负极 活性 物质 ， 硫酸 溶液 为 电解 质 的蓄 电 池。作为一种低成本的通用技术 ， 铅酸 电池可胜 任电能质量调节和重要设备不 问断供电等工作 。 铅酸 电池具备价格低廉 、 安全可靠的优点 ， 但也存 4 9 8 李 懿 ， 等 ： 海 岛可再生能源 电力储能模式 的探讨分析 在循环寿命较短， 不可深度放电， 运检维修费用高 等缺点 ， 影响了其在储能领域的持久应用 。 铅酸电池之后 ， 各类新型蓄电池相继出现 ， 钠 硫 电池 和锂 电池是 其 中的典 型代表 。 与锌 溴 、 全钒 等液 流电池 相 比 ， 钠硫 电池 不但 拥有较高的储能效率( 大约 8 9 ) ， 而且还具备输 出脉 冲能力 ， 输 出的脉 冲频率 能在 3 O秒 内达 到连 续额定功率值的 6倍 以上 ， 可 同时适用于削峰填 谷 和 电能质量 调节 两种 工作 。钠硫 电池 的劣 势在 于其运行温度过高 ， 根据 目前技术水平 ， 安全问题 暂 时还 未能彻 底解 决 。 锂 电池 具 有 储 能 密 度 高 、 储 能 效 率 高 ( 将 近 1 0 0 ) 和使用寿命 长等优点， 并 已占据小容量移 动电源 市场 5 0 以 上 的 份额 。 由于 锂 电池 需 要 特殊的保障和配置必要 的内部过充电保护电路， 导致其成本居高不下 ， 成为生产 和推广大容量锂 电池技术 的最大障碍。 3 3飞轮储 能 飞 轮储 能系统 是 由圆柱形 的旋 转质 量块 和通 过磁悬浮轴 承组成 的支撑结 构构成。为减小风 阻 ， 飞轮 储 能系统 必须运 行 在真空 环境 中 ， 通 过 电 力电子 装置 进行 转 速 调节 ， 完成 储 能 系 统 和 电 网 设 备 的功率 交换 。 该 系统 的最 大 优 点 为没 有 摩 擦损 耗 、 可 循 环 使用、 设备寿命长 以及对周围环境影响小； 缺点为 能量 密 度 低 、 系 统 复 杂 ， 对 轴 承 与 转 子 的要 求 较 高。由于系统持续时 间较短， 仅 能维持数分钟至 数小 时 ， 所 以飞 轮储 能技 术 只 可用 在 对 于 小 型通 信设备的供 电， 无法满足需要长时间不间断运行 的电力系统的储能要求。 3 4超级 电容 器储 能 电容 器是 电网广 泛应用 的储 能设 备 。与常 规 电容 器相 比， 由超 级 电容 器 组 成 的储 能 系统 具 有 更高的介电常数 、 更大的表面积和更 高的耐压能 力。超级电容器可在电压跌落和瞬间干扰等暂态 故 障出现 时稳 定供 电水平 ， 安 装和维 修相 对简 便 ， 在充满电的浮充状下正常工作 1 O年以上。 虽然超级 电容器具有诸多优点 ， 但是其主要 适用于低容量 的储能环境 ， 而对于大容量 的电网 系统而 言 ， 存 在局 限性 。 3 5超 导磁 储能 和压 缩空气 储能 超 导磁 储能 和压缩 空气 储能是 近 年来学 术界 较为关注两种前沿储能技术 ， 虽然研究发展较快 ， 但是 目前还 大多处 于实验室理论和示范工 程阶 段 ， 投入商业运营比例极低 ， 技术上还不成熟 。 超导磁储能单元由置于低温环境的超导线圈 组成 ， 低 温 由液 氮或 液 氦 容器 系统 设 备 提供 。由 变 流器组 成 的功率 调节 系统将超 导磁 储能 单元 与 电网系统相连 ， 根据电网的潮流平衡需求对储能 线 圈实 时 完 成 充 放 电 工 作 。与 别 的储 能设 备 相 比 ， 超导 磁储 能系统 造价成 本仍 比较 昂贵 ， 除去 超 导磁本体 的成本外， 维护其外部低温环境所耗费 的成本也相当高昂。经济成本问题成为制约超导 磁储 能技 术推 广应 用 的首 要 障碍 。 就本 质 而言 ， 压缩 空 气 储 能 系统 可 看 作 供 电 网调峰使用的燃气轮机发电厂 。系统利用电网负 荷低谷时段的廉价剩余 电能预先用来压缩空气， 空气被压缩储存在地下矿井、 深海储气罐或熔岩 山洞 中 ， 当 电网负 荷 高 峰来 释 放 压 缩 空气 推 动 燃 气轮机进行发 电。压缩空气储能 电站安 全系数 高 、 响应 速度 快 ， 可 用 于峰谷 调节 、 负荷平 衡 、 系统 备用等 ， 但电站建设受到地形条件制约 ， 对地质结 构有特 殊要 求 。 4海岛电力储 能模式探讨 4 1 储 能 方案 的选择 由于技 术上 的 不成 熟 和 经 济 上 的局 限 性 ， 加 之海岛独特的气象条件和地理环境对于施工的特 殊要求 ， 故而在海岛上建设专 门的储能设施 ， 借助 固定储 能设 备进行 “ 静 态储 能” 的方案操 作难 度较 大。参考大陆上 同行的工作经验 ， 可采用通 过建 设能源互联网来平衡消纳多余电能的“ 动态储能” 方案 。 能源 的分 布与 利 用 具有 明显 的地域 性 特 征 。 我 国 中东 部是 经济 发 达 地 区 和用 电负 荷 中心 ， 电 能需 求 量 大 ， 电 网接 纳 能力 强 ， 调 峰途 径 多 ， 而 西 部和北部则是可再生能源电力的资源富集区。国 家电网通过加强跨 区域输 电线路建设 ， 在满足本 区域用电需求的前提下 ， 将多余 电量外送 ， 把西北 部风电和西南水电进行重新布局规划 ， 将哈密和 酒泉的风电通过特高压直流输 电工程 向华 中送 电， 同时将蒙西、 锡盟和张北的风电通过特高压交 直 流工 程 向华北 、 华东 和华 中输送 ； 将 四川 的水 电 通 过特 高压 交直 流 工 程 向华 东 和 华 中输 送 ， 在 全 国范围内消纳多余 的可再生能源电力。 海岛地区的可再生能源电力储存可尝试选择 李懿 ， 等 ： 海 岛可再生 能源电力储能模式的探讨分析 4 9 9 采取这一模式， 通 过加强跨海输 电线路的新建扩 容 和技 术改 造 ， 发 挥互 联 电 网对 电能 的集 中调 度 和统一分配功能 ， 将小电网系统 中无法消化 的富 余 电量 通过 岛 际联 网工程 输送 到大 电 网系统 进行 动 态储 存 。 4 2 柔性 直流 技 术与舟 山柔直输 电 工程 柔 性 直流技 术 具有 响应 速度快 、 可 控性 强 、 运 行 方式 灵 活等 特点 ， 潮流 反转 方便 灵 活 ， 能 够快 速 地控制 与 交流 系统 交换 有 功 和 无 功 功 率 ， 提 高 现 有交 流 电网 的输 电能力 和系 统稳 定性 。 由于柔性直流输电技术是由传统直流输电技 术基础上衍生发展而来 ， 因而传 统直流输 电系统 的优 点 ， 柔 性 直流输 电系统 也大都 具 备 ， 并 且 比其 占地 更 小 、 安 装 维护 更 方 便 、 噪 声 环境 干 扰 更 低 ， 尤其 适合 连接 分 散 的 独立 电源 点 、 弱交 流 节 点 处 的交 流 电 网非 同步 互联 以及 海上 钻井 平 台和海 上 孤岛等偏远负荷的供电保障。 世界 首个 五端 柔性 直 流输 电工程 已在浙 江舟 山群 岛投 入 运 行 。该 工 程包 括 五个 换 流 站 、 四段 直 流 电缆 工程 和 配套送 出工 程 。工程 总 建筑 面积 3 5万 平方 米 ， 五个换 流 站位 于五 个 独立 的 岛屿 ， 容量 分 别 为 4 0 0 、 3 0 0 、 1 0 0 、 1 0 0和 1 0 0 MW ； 四段 直 流 电缆 是 连接 五 站 的 四段 共 八 根 直 流 电缆 ， 总 长 2 8 0 8 k m， 其 中海底 电缆 总 长度 2 5 8 k m， 陆地 电缆 2 2 8 k m； 新建 3 6芯专用海底光缆 1条 3 0 k m； 配套送 出工程为新建 2 2 0 k V交流线路 2回， 共计 2 2 1 k m， 新 建 1 1 0 k V 交 流 线路 3回 ， 共 9 2 5 k m， 其 中电缆 1 6 5 k m， 扩 建 交 流 变 电站 间 隔 5个 。系统 接 线情况 见 图 2 。 图 2 舟 山柔直输 电工程系统接线图 五端 柔性 直流 示 范工程 的建 成使 舟 山群 岛北 部各 岛屿 间形 成远 距离 、 大容 量 、 多端 点 的直流 互 联电网， 将有利于海上风电场、 潮汐能等可再生能 源发电设备等产 出电能的输送与分配 ， 更好地服 务 当地 电力 工业 和经 济社会 的均衡发 展 。 4 3 意 见 建议和 对 策措施 舟山地区的