未來智能電網(wǎng)中的獨立電力系統(tǒng)模式

21ic智能電網(wǎng)：集中發(fā)電、遠(yuǎn)距離輸電和統(tǒng)一配電仍是目前電能生產(chǎn)、輸送和分配的主要方式。不斷增長的電力需求和消費模式以及新能源的開發(fā)利用，使得傳統(tǒng)互聯(lián)電力系統(tǒng)面臨更大的挑戰(zhàn)，迫切需要有與之相適應(yīng)的電能生產(chǎn)和消費模式。為此，探討未來電網(wǎng)的一種新模式---獨立電力系統(tǒng)，介紹獨立電力系統(tǒng)的概念、特點及其典型應(yīng)用，闡述不同應(yīng)用環(huán)境下獨立電力系統(tǒng)在安全穩(wěn)定、電能質(zhì)量、經(jīng)濟節(jié)能以及自愈控制等方面面臨的新需求，分析獨立電力系統(tǒng)發(fā)展過程中需要解決的關(guān)鍵問題，指出獨立電力系統(tǒng)的發(fā)展方向及其關(guān)鍵技術(shù)。

電能作為一種能源供給和消費形式，具有高效、優(yōu)質(zhì)、可控、清潔等多種優(yōu)良特性，在國民經(jīng)濟和社會生活中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著社會的發(fā)展，電能的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大：船舶、飛機等交通工具已逐漸轉(zhuǎn)向由電力提供驅(qū)動[1-2];電動汽車產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展[3-4];采用太陽能電池板供電的空間站已投入運行[5]……。從日常生產(chǎn)生活到前沿科技領(lǐng)域，人類對電能的需求達(dá)到了前所未有的規(guī)模，而且還在不斷擴大。

目前，集中發(fā)電、遠(yuǎn)距離輸電和統(tǒng)一配電是電能生產(chǎn)、輸送和分配的主要方式。大型互聯(lián)電力系統(tǒng)在供電可靠性和經(jīng)濟性等方面具有優(yōu)越性，但也存在著一定的缺陷：

①發(fā)輸電設(shè)備的利用率隨著負(fù)荷峰谷差的增大不斷下降[6];

②具有復(fù)雜性和脆弱性，局部事故容易導(dǎo)致連鎖故障[6-7];

③難以對遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的偏遠(yuǎn)地區(qū)、遠(yuǎn)離海岸線的海島等區(qū)域的負(fù)荷進(jìn)行持續(xù)有效的供電，也無法為船舶、飛機、空間站等特殊應(yīng)用場合提供電能。

新能源的大規(guī)模開發(fā)給傳統(tǒng)互聯(lián)電力系統(tǒng)帶來了更大的挑戰(zhàn)。首先，風(fēng)能、太陽能等新能源屬于間歇性能源，其比例的不斷提高使系統(tǒng)出力的隨機性大幅增加，可控性卻有所降低，因而增加了電力系統(tǒng)調(diào)度和控制的復(fù)雜性。其次，新能源發(fā)電機組大多通過電力電子裝置并網(wǎng)，隨著新能源發(fā)電滲透率不斷提高，系統(tǒng)慣性逐漸減小，這使得維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[8]。此外，風(fēng)機、風(fēng)電場對接入點電壓較為敏感，接入點電壓過低或者過高都可能導(dǎo)致風(fēng)機或風(fēng)電場被切出[9]，進(jìn)而導(dǎo)致部分負(fù)荷失去供電，嚴(yán)重時還可能導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。

總之，不斷增長的電力需求和消費模式以及新能源的開發(fā)利用迫切需要有與之相適應(yīng)的電能生產(chǎn)和消費模式。獨立電力系統(tǒng)正是解決上述問題的有效途徑之一。筆者就獨立電力系統(tǒng)的概念、分類及其特點進(jìn)行介紹，分析獨立電力系統(tǒng)發(fā)展所面臨的關(guān)鍵問題，指出獨立電力系統(tǒng)的發(fā)展方向和需要研究的關(guān)鍵技術(shù)。

1 獨立電力系統(tǒng)的概念及其特點

1.1 獨立電力系統(tǒng)的概念

獨立電力系統(tǒng)(Isolated Power Systems，IPS)是指與傳統(tǒng)互聯(lián)電力系統(tǒng)之間沒有電氣連接的電力系統(tǒng)，其電能的生產(chǎn)、傳輸和消費一般均在特定區(qū)域內(nèi)完成。獨立電力系統(tǒng)倡導(dǎo)電能的就地生產(chǎn)和消費，避免遠(yuǎn)距離送電;支持根據(jù)用戶需求定制系統(tǒng)的組成和構(gòu)架。這些特點使獨立電力系統(tǒng)能夠很好地滿足一些新形式的電力需求，有利于新能源的發(fā)展。

1)與傳統(tǒng)互聯(lián)電力系統(tǒng)互為補充。

采用獨立電力系統(tǒng)為偏遠(yuǎn)山區(qū)、海島等遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的區(qū)域供電，可以避免遠(yuǎn)距離輸電線路或電纜的建設(shè)，從而降低供電成本。不同地區(qū)可根據(jù)自身特點定制電源，例如海島上風(fēng)力較大，適合發(fā)展風(fēng)電;陽光充裕的戈壁或沙漠地區(qū)則可以光伏發(fā)電為主。

獨立電力系統(tǒng)可以滿足船舶、飛機、空間站等的用電需求。船舶、飛機和空間站分別運行在海洋、高空和太空等環(huán)境，應(yīng)根據(jù)其特點定制獨立電力系統(tǒng)的組成和構(gòu)架，以滿足用戶的需求。

2)為新能源的利用提供更多途徑。

目前，新能源發(fā)電設(shè)備主要通過傳統(tǒng)電網(wǎng)輸送和分配所生產(chǎn)的電能，這使得新能源的利用受到電網(wǎng)輸送能力、穩(wěn)定性等因素的限制。獨立電力系統(tǒng)為新能源的利用提供了新的途徑。例如，風(fēng)電場可以不并入傳統(tǒng)輸配電網(wǎng)，直接為對電能質(zhì)量和供電可靠性要求不高的部分高耗能產(chǎn)業(yè)供電[10]。

1.2 典型獨立電力系統(tǒng)及其特點

1.2.1 非陸用電力系統(tǒng)

非陸用電力系統(tǒng)指運行于海洋、高空、太空及其他非陸地環(huán)境的電力系統(tǒng)，與傳統(tǒng)互聯(lián)電力系統(tǒng)相比，這類獨立電力系統(tǒng)具有自身鮮明的特點并表現(xiàn)出更高的復(fù)雜性：

1)多相電路應(yīng)用廣泛。船舶/飛機/空間站電力系統(tǒng)一般占地面積較小，能量需求較大，因此，大多采用能量密度較大的多相發(fā)電機和多相電動機作為主力電源和驅(qū)動設(shè)備

2)系統(tǒng)中多種工作頻率并存。船舶/飛機/空間站電力系統(tǒng)多采用基于電力電子元件的配電系統(tǒng)，其設(shè)備工作頻率差異很大，既有在工頻50Hz下工作的設(shè)備，也有中頻如400Hz下工作的設(shè)備[12]。

3)電力電子裝置在系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成中所占比例較大。船舶/飛機/空間站電力系統(tǒng)在電能的存儲、傳輸和使用過程中需要用到大量電力電子裝置[13]。而系統(tǒng)本身規(guī)模有限，這使得電力電子裝置在系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成中所占的比例遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)互聯(lián)電力系統(tǒng)。

4)系統(tǒng)拓?fù)潇`活多變。船舶/飛機/空間站電力系統(tǒng)在某些設(shè)備故障后，需要進(jìn)行快速的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)以保證系統(tǒng)的存活能力，因此其系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有靈活多變的特點[14]。

1.2.2 孤立區(qū)域電力系統(tǒng)

孤立區(qū)域電力系統(tǒng)的典型應(yīng)用環(huán)境是遠(yuǎn)離海岸線的海島或遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的偏遠(yuǎn)地區(qū)。與傳統(tǒng)互聯(lián)電力系統(tǒng)相比，孤立區(qū)域電力系統(tǒng)具有的特點：

1)能源形式多樣。

孤立區(qū)域電力系統(tǒng)通常會根據(jù)其所處環(huán)境的特點定制電源。例如，對于含有豐富風(fēng)能資源的海島，可以大力發(fā)展風(fēng)電[15];而對于水資源豐富邊遠(yuǎn)山區(qū)或陽光充裕的戈壁沙漠地區(qū)等，則可以分別重點發(fā)展水電或太陽能發(fā)電[16]。

2)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)靈活。

孤立區(qū)域電力系統(tǒng)中往往既存在傳統(tǒng)發(fā)電機組，又包含大量新能源發(fā)電機組。由于新能源發(fā)電機組的能量密度較低、單機容量小，且廣泛地分散在系統(tǒng)各處，故新能源發(fā)電機組通常分散地通過電壓等級較低的配電網(wǎng)向負(fù)荷供電[17]。因此，孤立區(qū)域電力系統(tǒng)通常不具有明顯的“發(fā)-輸-配-用”模塊劃分，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較為靈活。

1.2.3 大規(guī)模非并網(wǎng)新能源發(fā)電系統(tǒng)

大規(guī)模集中式并網(wǎng)是目前利用新能源的主要方式。該方式可總結(jié)為“新能源發(fā)電機或發(fā)電廠-電網(wǎng)-用戶”模式，如圖1(a)所示。由于新能源大多具有波動性和間歇性等特點，大規(guī)模并網(wǎng)存在著一定的技術(shù)障礙，這使得新能源在整個互聯(lián)電力系統(tǒng)中的滲透率難以提高[18]。