沙漠光伏电能外送技术综述

王若为，李音璇，葛维春，张诗钽，刘闯，楚帅

（1.东北电力大学电气工程学院，吉林省 吉林市 132012；2.国网天津营销服务中心(计量中心)，天津市 河西区 300120；3.国网辽宁省电力有限公司，辽宁省 沈阳市 110006；4.沈阳工业大学电气工程学院，辽宁省 沈阳市 110870）

0 引言

力争于2030年前实现“碳达峰”，2060年前实现“碳中和”是我国目前重要战略之一[1-2]。随着我国对能源需求量的持续增长，化石能源存贮量不断下降，同时化石能源的燃烧会生成大量的NOx和CO2等有害气体，造成严重的环境污染和全球变暖等问题。大力发展太阳能等可再生清洁能源，构建新型低碳电力系统，是我国实现“双碳”目标的重要举措之一。与其他能源相比，太阳能具有分布广、无污染、储量丰富等优势，这使得光伏发电在全世界范围内迅速发展起来。截至2021年11月底，我国累计光伏发电装机容量已经超过2.9亿kW。但是，随着光伏装机容量的急速扩张，光伏电能输送问题愈演愈烈。

目前，学者们针对生命周期成本、最小能耗、投资回收期、净现值等指标对沙漠光伏发电站经济性问题进行了研究。其中净现值是沙漠光伏电站建设运营通常采用的经济性指标，其考虑了整个光伏发电厂项目的寿命和资本周期的及时性[3]。在成本方面，文献[4]通过对比光伏发电与传统发电的成本与使用寿命，认为光伏发电优于传统发电。在全寿命成本方面，文献[5]构建了光伏发电全寿命周期模型，将多种成本概念深入贯彻到成本核算，并以中国某光伏发电项目为例，测算了光伏发电的全寿命周期。文献[6]建立了不同光伏发电的碳排放清单，并将不同环境下的碳排放进行了对比。对于新能源接入电网问题，文献[7]通过分析不同输电距离和容量，构建了新能源并网直流电网的场景，得出不同组合下年费用最低的直流电压等级以及柔性直流输电技术更优的结论。上述文献着重研究了沙漠光伏电站建设经济性与光伏电能接入电网能力，对光伏发电成本组成、影响因素、核算方法、不同并网方式适用范围等方面进行分析与总结，采用对光伏电厂优化配置等方式改善沙漠光伏发电项目经济性，提高了光伏发电竞争力，有助于光伏发电系统向着高稳定性、低成本方向发展。目前关于提高光伏输送电能并网能力方面已有较多研究，而鲜有关于沙漠区域光伏输电经济性方面的研究。

长距离输电需要高电压等级的传输线路支持，因此特高压交流输电与高压直流输电在中国电力传输中占据重要的地位[8-10]。目前学者针对高压直流和特高压交流输电等方面进行了研究。文献[11]研究了高压直流输电线路线路故障测距方法，提出一种基于双端行波频差比值的高压直流输电线路故障测距方法，消除了波速衰减的影响，实现无需线路两侧时钟同步的双端测距。文献[12]对实际运行的特高压交流线路应对雷电绕击防护性进行了研究，另外还对杆塔波阻抗、接地电流等对避雷装置保护特性的影响进行了解析，从而证明了在实际工作中特高压输电系统中交流线路避雷器对雷电绕击保护的有效性。文献[13]提出一种面向高比例新能源外送的送端电压源型换流器-电网换相换流器混合级联型特高压直流输电方案，有效解决了高比例新能源外送所面临的送端系统静态电压稳定、暂态过电压与惯量缺乏等难题，降低了送端系统对同步调相机和静止同步补偿器的容量需求。综上所述，高压输电能够有效解决我国长距离新能源输电需求，相较于传统输电线路具有距离远、容量大、损耗低等优势，目前广泛应用于我国远距离电能传输、新能源接入电网等领域。由于线路较长，途经区域气候和环境变化较大，线路故障概率很高，对高压输电线路安全问题仍需进一步研究。

针对沙漠光伏电能输送困难的问题，本文提出了一种利用运输电池进行电能运输的策略。通过分析光伏发电系统及电池运输技术的工作原理，围绕设备经济输送距离、投资成本、运行损耗等经济性指标，对比运输电池与其他沙漠光伏输电方式的差异，发现运输电池技术具有操作难度低，应对沙漠气候强等优势，同时由于采用骆驼运输方式输送电能，能够有效缓解我国西部地区就业压力。

1 运输电池技术

沙漠光伏发电呈现大规模集中开发、中高压接入、高压远距离外送消纳的特点。运输电池技术无需高压输电，相较于传统的输电技术具有更大的优势。运输电池技术可将沙漠光伏输出的电能存储在电池中，通过人工骆驼运输方式将电池运输至换电站进行应用，该运输方式能够有效避免沙漠风沙、高盐等特性对输电线路的危害，提升应对沙漠气候能力。

1.1 沙漠光伏电站

光伏发电系统的主要组成部分为光伏阵列、逆变器、变压器及其他并网环节，如图1所示。其中，光伏阵列由多个光伏电池经串并联组合而成，光伏阵列产生的电能通过逆变器、滤波器和升压变压器等输送到电网[14]。

图1 光伏电池电站Fig.1 Photovoltaic cell power station

在运输电池技术中，先利用光伏系统为电池充电，电池充电功率可通过计算光伏电站发电功率获得。根据单个太阳能光伏电池组件的受光面积，计算所有太阳能方阵电池组件受光面积：

式中：A(t)为t时刻所有太阳能方阵电池组件受光总面积，m2；M为太阳能方阵电池组件数，个；Am(t)为t时刻第m个太阳能光伏电池组件的受光面积，m2。

根据单个太阳能光伏电池组件的光电转换效率，计算光伏电站的光电转换效率η：

式中ηm为第m个太阳能光伏电池组件的光电转换效率，%。

根据式(1)、(2)，计算光伏发电系统的输出功率：

式中：Ps(t)为t时刻光伏电站的输出功率，kW；r为辐射度，kW/m2。

1.2 电池荷电状态

当光伏能源的输出功率波动时，电池容量及其最大允许充放电功率限制储能系统的充放电功率[15]。为此，建立了光伏蓄能电池充放电系统的数学模型(如图2所示)，研究光伏储能电池系统在各个时刻的充放电功率和电池S(t)(荷电状态)，以满足光伏电池储能系统对电池充放电控制要求，并通过S(t)判断电池的荷电状态。

图2 电池荷电状态Fig.2 Battery state of charge

光伏电池储能系统的充蓄电池在使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其在完全充电状态下容量的比值通常以百分数表示。其取值范围为0~1，当S(t)=0时表示光伏电池中电能完全放出，当S(t)=1时表示光伏电池中电能达到满值。

式中：S(t)、S(t-1)分别为t时刻与t-1时刻的电池荷电状态；ε为电池自放电率，%；ηch为储能电池的充电效率，%；Δt为采样时段，h；Cb为储能电池容量，A⋅h。

1.3 沙漠输电方式

在沙漠中输电方式有很多种，本文主要介绍运输电池技术、220 kV输电线路、特高压交流输电、±800 kV直流输电。

1）运输电池技术

运输电池技术与传统输电方式具有诸多不同。首先，需要在沙漠集中式光伏发电站设立光伏电能转电池电能充电装置，将波动的光伏电能转化为电池电能。然后，采用骆驼驮运的方式人工在沙漠上运输电池到达附近的换电站，从而实现沙漠光伏电能的输送。运输电池技术无需建设输电线路，避免了沙漠气候对输电线路的损耗。但是，其输送距离和输送容量相对较低。

2）特高压交流输电

特高压交流输电通过提高传统输电线路电压等级，增大输电线路输送容量，增加系统输送距离，实现远距离输电，该输电原理与普通交流输电系统基本相同[16-18]。特高压交流1 000 kV的输电工程已经在我国建设应用，虽然目前特高压交流工程输送距离仍然较短，但研究表明，如果对1 000 kV交流输电线路每500 km进行分段，利用中间开关站加静止无功补偿器和线路串联电容补偿，其输送距离可以达到2 000 km，并且输送功率可以达到4 000 MW[19-21]。苏通双回路敷设，全长约34 200 m，是目前世界上电压等级最高、输送容量最大、输送距离最长、技术水平最先进的刚性气体绝缘输电线路工程，此项工程已于2019年9月建成投运。

3）特高压直流输电

我国特高压直流输电电压通常为±800 kV以上电压等级。近年来，随着我国各地区对输电线路输电能力要求的不断提高，为了合理开发利用我国电力资源，特高压直流输电技术的研究正在逐渐深入[22-24]。高压直流输电的基本原理是：将发送端的交流变为直流，然后通过特高压直流线路将电力传输到接收端，将接收端的直流变为交流，从而实现电力传输。特高压直流的电压等级有直流±800 kV和直流±1 100 kV两种。目前，我国已经实现了特高压直流±800 kV输电工程的建设。向家坝到上海的特高压输电线路采用的是特高压直流输电±800 kV电压等级的输电方式，其输送距离达到了2 000 km，输送容量达到了6 400 MW。目前在建的新疆哈密到郑州的±800 kV输电线路其输送距离将达到2 200 km，输送容量为8 000 MW。

2 运输电池与其他输电方式经济性对比

为了体现各种运输方式的经济性，本文针对沙漠光伏与电池输送各项指标进行对比，包括设备经济输送距离、投资成本、运行损耗、单位年费用、设计复杂程度、输电容量、应对沙漠气候能力等。各输电方式的经济性指标总览见表1。

表1 运输电池与其他输电方式经济性对比Tab.1 Performance comparison of the transportation battery technology with other methods

1）经济输送距离

经济输送距离是指各输电方式在对应电压等级下输电线路经济性最优时对应的输电距离。运输电池技术不架设输电线路，其输送电能方式完全以人工的方式通过骆驼运输光伏储能电池到达附近的换电站，其经济输送距离较短。在输送电能的过程中，运输电池技术的输电损耗比其他传统输电方式大，输电损耗主要集中于骆驼和电池的损耗，随着距离的增加，人工成本将大幅增加，其经济性将大幅降低。220 kV输电线路输电电压较低，损耗随着距离过长将大幅增大，经济输送距离适中。对于高压输电线路，其建设成本远高于传统输电线路，但其电压等级比传统输电方式高，传输容量为传统输电方式的数倍，输电距离也大幅度增加，走廊占地面积只有传统输电线路的一半左右，输送相同容量电能时输电损耗不到传统输电损耗的一半。

2）投资成本

图3为各类输电方式投资成本对比示意图。运输电池技术输电投资费用主要集中于电池设备和换电站的建设以及骆驼和电池的购买，投资费用较低。220 kV输电线路成本包含普通钢塔、高强钢塔、导线、地线及其他材料，人工、材料、机械按同期价格水平调整，其中人工费调整系数约为45.92%，材机费调整系数约为29.83%[25]。特高压交流输电成本较常规输电线路价格高，其中导线架设安装成本和组件安装成本的价格水平远高于常规线路。在1 000 kV晋东南-南阳-荆门特高压交流输电线路工程的实际成本控制中，也反映出这2个项目的成本增加过多，这主要是由于特高压工程建设和管理的特殊性。±800 kV直流输电设备成本含有换流站、直流线路、避雷器等。高压直流输电线路的造价成本相比运输电池技术和传统输电线路较高，相较于特高压交流输电线路较低，但其中高压直流换流站的造价相对于交流输电线路变电站更加昂贵。由于电磁环境对输电线路的影响，特高压交流输电线路导线型号在设计时横截面积要超出其实际使用的需要，这将导致输电线路工程造价偏高。

图3 各类输电方式投资成本Fig.3 Investment cost of various transmission modes

3）运行损耗

运输电池技术运行损耗主要考虑骆驼和电池的损耗程度，由于骆驼和电池寿命缘故，损耗相对较低，但损耗率相对较高。当采用大量骆驼排成长队连续对电池进行运输时，可将驼队近似看作以一定速率持续运输电池的传送带。沙漠地区风速过大会增加驼队的单次运输时间，单次骆驼运输效率减慢，但对整体输送过程运输效率作用较小。此外，由于驼队在运输电池过程中不需要消耗电能，电池在运输过程中通常不会产生电能损耗。220 kV输电系统由于不同的设计、施工及电流密度，年平均线损率在1%~3%。特高压交流输电损耗主要由输电线路电能损耗及变电站的电能损耗组成。由于线路损耗，输送端发出的电能在到达接收端时会导致电能降低，从而影响输电效率[26-27]。变电站损耗主要包含电力设备的功率损耗，如变压器、电抗器、无功补偿装置及电站功率损耗。高压直流输电的运行损耗主要分为换流站的损耗和电能在输电线路损耗2部分。换流站的损耗主要是换流变压器、换流阀和滤波器的损耗。当交流输电系统不受事故干扰时，交流系统的利用率远低于直流系统。

4）单位年费用

图4为各类输电方式单位年费用。运输电池技术在短距离输电时年费用较低，经济性较高。由于运输电池技术输电采用骆驼驮运电池方式，随着输电距离增加，其人工费用及骆驼损耗将大幅增加，年费用也随之增加，经济性将降低。220 kV在0~50 km范围内单位年费用略高于运输电池技术，当输电距离在100~200 km时经济性最好。当输电距离大于500 km时，高压直流输电和特高压交流输电的经济性更高，随着距离大幅度增加，高压输电与运输电池技术的年费用差距将大幅度拉大。这主要是因为当输电距离较近时，运输电池技术和220 kV输电线路的设备运行损耗相对较低，投资成本较小。随着输电距离的增大，运输电池技术和220 kV投资成本和维护成本将大幅度增大，而高压输电线路传输容量大，直流的经济性优势逐渐显现。直流工程投资中，换流站投资不随距离变化；电压等级越高，线路的单位容量造价随距离下降越快。同时，随着光伏电能输电距离的增加，线路投资比重提高，较高电压等级直流输电的经济性也有所提高。

图4 各类输电方式单位年费用Fig.4 Annual cost of various transmission modes

5）设计复杂程度

运输电池技术对环境要求低，不需要考虑沙漠中风、沙的综合效应，设计光伏电站、光伏电池充电站以及从光伏发电站到换电站适应沙漠气候的线路即可。传统沙漠输电方式设计十分复杂，需要考虑风、沙的综合效应，研究输电塔线耦合体系、构架避雷针等风致振动特性，同时需考虑风速、时间和腐蚀等因素的影响。输电线路的基础设计与建设除需要考虑风积沙的特点外，还需要考虑后期运行，因此需要长期考察风速条件下输电塔线耦合体系的稳定性，建立典型区域风积沙地基的监控点，根据监测数据，评估输电塔线耦合体系的稳定性。对于交流输电而言，由于输电线路同时输送有功和无功功率，线路的电压降落要大于直流输电线路的电压降落，设计沙漠光伏电站输送方式需要考虑电压降落的问题，这使得未来扩建传输线路更为困难。

6）输电容量

沙漠输电技术中，运输电池技术输电容量主要取决于运输电池的规模，如单只骆驼运输电池量、单次运输骆驼总数。但总体而言，运输电池技术的输电容量低于高压输电容量。传统输电方法的电压等级高，同时输送容量又很大，有利于传递大功率、中长距离的电力。特高压直流输电主要用于输电方向稳定的中长距离大容量输电，如部分省网之间的电能传输。特高压交流输电主要用于距离较近的大容量输电，同时用于构建更高电压等级的电力系统网络。但大容量远距离交流输电也存在输送容量限制问题，如受到输电传输线路所允许的最大电压降落的限制。沙漠光伏电能供电，发出的电能受到环境的影响，输送功率将随之波动，因此需要考虑输电线路的安全性问题。

7）应对沙漠气候能力

沙漠区域风速较大、持续时间长，并且沙尘具有高盐特性[28-29]，这些因素均影响着沙漠区域输变电构架设备的使用寿命。对于运输电池技术，沙漠气候主要会对单次运输途中的骆驼和人工造成影响，风速过大会降低单次骆驼运输电池的运输效率。相较于车辆运输电池方式，骆驼运输电池受天气影响较小。若采用车辆进行电池运输，沙漠恶劣天气会影响运输路线的通畅程度，提高运输行驶难度，同时风沙天气会降低道路能见度，增加车辆运输过程的安全隐患，降低运输的安全保障程度。而骆驼运输电池不受既定铺设道路的限制，可灵活地调整路径，减少天气对电池运输的影响程度，可实现电池电能的持续供应。沙漠气候对220 kV输电线路和特高压有非常大的影响。在沙漠地区，输电线路将遭受不同形式和程度的沙漠危害。沙漠中的风蚀、风沙的传递和积聚会给输电线路工程造成不同程度的危害，其中风蚀会造成线路铁塔基础的破坏；风沙的输送会造成输电塔的磨损，甚至会形成风沙电，危及输变电线路的安全。风和沙的积累会缩短架空线路与地面的距离，对输电线路引起潜在的安全隐患。另外，特高压专用设备的一次性造价和技术要求高，目前部分已投入使用的线路存在抗烈性自然灾害的能力偏低的问题。

8）安全程度

在安全性方面，运输电池技术安全程度最高，在向电池充电过程中，一般人员即可操作。同时，在运输途中，无需考虑输电线路电压降落、雷击等安全问题，电池运输的安全系数也相对较高。特高压交流输电方式虽然主要用于近距离输电，但其仍具有沙漠地区输电的安全隐患问题。特高压交流线路输电线路的电压等级高，如果其使用单回线路向附近电网输电功率达到输电线保护率所能承担的10%~15%时，可能会导致传输线故障和跳闸，从而危及配电网的安全运行。一旦发生多重故障而造成相邻走廊上的多回特高压输电线路同时停止工作，会给地方的电力安全运营带来重大影响。所以，在某一地方如果有多条特高压线路同时馈入或送电运行，这些交流输电线路就不需要再从个别大电厂集中输送出，最好将几个不同的大型发电厂划分为多条特高压交流输电线路，便于深度控制过电压，降低设备和线路绝缘水平，节省工程投资[30-31]。当特高压直流输电模式用于长距离大容量输电时，也会出现稳定性问题。首先，由于特高压直流输电的高电压水平，每千瓦设备和每千米线路的成本非常高，这可能导致单回线路长期运行，而输电容量又非常大。当电源或者线路发生故障时，将对受端电网的安全稳定运行产生严重影响。当供电设备和线路均出现故障时，将对受端供电的系统安全及平稳运营形成巨大危害。

3 运输电池技术的优势与挑战

3.1 运输电池技术的优势

随着中国对新能源的越发重视，近年来西部地区光伏产业持续良好发展。未来，中国光伏发电技术将稳步增长，具有很大的发展空间，与之配套的运输电池技术具有十分可观的发展空间。运输电池技术的输电方式不同于传统沙漠输电线路，输电损耗更小，如图5所示。采用电池输电方式可实现光伏电能就地使用，应用更灵活。运输电池技术在以下2方面具有十分显著的优势：1）借助其电池灵活的响应速度快、灵活性强的能力，能够有效参与电网调频，提高电网稳定性；2）凭借其成本低廉、构造简单的特点，能够有效减少沙漠输电损耗和提升应对沙漠气候能力。

图5 运输电池技术Fig.5 Transportation battery technology

3.2 参与调频，提高电网稳定性

近年来，利用电池储能技术参与电网调频得到了业界的广泛关注。频率调制的充电和放电周期能够达到秒级。采用电池储能技术能够有效避免沙漠光伏电站输出功率会随着环境的变化而波动，进而引起电网电能质量问题。同时电池储能技术具有如下特点：1）响应速度快，可在毫秒内实现全功率输出；2）控制稳定，可在额定功率范围内的任何功率点保持稳定输出[32-34]。储能对于频率变化的响应速度远快于火电机组，这可以令储能先于火电机组参与频率调整，可有效减小系统最大频率偏差[35]。随着新能源发电占比增加，储能对火电机组在同一指标下的容量替代能力将不断增加，高比例可再生能源电力系统中增加储能远比增加火电机组所增加的频率稳定性要大，这给储能容量配置提供了参考。

3.3 经济性高，应对沙漠气候能力强

传统沙漠输电方式普遍需要架设输电线路，远距离输电建设逆变站、变电站等造价更加高昂。相较传统输电方式，电池运输技术具有如下优势：1）采用电池运输技术成本相较其他输电方式低。采用骆驼运输电池方式运输光伏电能，取代传统输电方式建设沙漠输电线路，极大减少了建设成本；2）其工艺含量较低。只需建设光伏发电站及换电站即可满足运输电池技术需求，操作过程无需专业人员；3）应对沙漠气候能力强。沙漠区域气候多变，风沙和高盐等性质严重危害输电线路寿命。沙漠气候对运输电池技术影响主要在于运输途中对骆驼和人工的影响，风速过大会使骆驼运输效率减慢，但对运输电池本身的危害并不大。

3.4 现存技术难题

目前，国内对沙漠输电方式研究较少，大多集中于构建沙漠气候模型以减少其对输电线路损耗，但未能从理论上确定沙漠输电方式经济性问题并进行量化。运输电池技术作为输送电能途径为现有沙漠电能输送难题提供了新的可能，但运输电池技术通过骆驼运输电池到换电站，输送距离小于100 km，输送距离较短。运输电池技术输电容量主要取决于运输电池的规模，如单只骆驼运输电池量、单次运输骆驼总数。但总体而言，运输电池技术的输电容量相较于高压输电容量较低。

4 结论

推动光伏电能在电力系统中的发展，积极响应国家政策，助力实现我过“双碳”目标。通过对比沙漠光伏电能不同运输方式，从经济性的角度分析得出了运输电池技术的经济性极高，且其工艺技术含量较低，应对沙漠气候能力强，更适合在沙漠中近距离传输光电电能。同时运输电池技术采用储能电池的方式运输电能，借助储能电池响应快、精确控制的优势，使得运输电池技术能够参与电网调频，有效提升电网接纳清洁能源的能力。运输电池技术为现有沙漠电能输送难题提供了新的可能。