未來智能電網(wǎng)中的獨(dú)立電力系統(tǒng)模式

大規(guī)模非并網(wǎng)新能源發(fā)電系統(tǒng)是指將新能源發(fā)電直接應(yīng)用于能夠適應(yīng)其特性的高耗能產(chǎn)業(yè)及其他特殊領(lǐng)域的發(fā)電系統(tǒng)[10]。其主要特點(diǎn)：電能不經(jīng)過大電網(wǎng)，直接從新能源發(fā)電機(jī)組或發(fā)電廠傳輸至用戶，如圖1(b)所示。大規(guī)模非并網(wǎng)新能源發(fā)電系統(tǒng)的用戶一般為能適應(yīng)新能源發(fā)電功率波動(dòng)特性的高耗能產(chǎn)業(yè)，如有色冶金工業(yè)、以非金屬為原料的精深加工、鹽化工氯堿產(chǎn)業(yè)、規(guī)模化制氫制氧以及大規(guī)模海水淡化等[19]。

非并網(wǎng)新能源發(fā)電系統(tǒng)與并網(wǎng)新能源發(fā)電系統(tǒng)相比，其主要優(yōu)勢[10，19]：

1)非并網(wǎng)新能源發(fā)電系統(tǒng)中，用戶對(duì)供電可靠性和電能質(zhì)量一般要求不高。另外，非并網(wǎng)新能源發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題并不突出。因此，新能源在此類系統(tǒng)中可以達(dá)到較高的滲透率。

2)新能源發(fā)電機(jī)組/發(fā)電廠發(fā)出的電能可以直接供給終端用戶，省去了大量并網(wǎng)輔助設(shè)備，因此可以極大地節(jié)約成本。

1.2.4 脫網(wǎng)運(yùn)行的微電網(wǎng)

建設(shè)微電網(wǎng)是充分挖掘分布式電源的價(jià)值和效益的一種有效途徑。從系統(tǒng)的角度來看，微電網(wǎng)將微電源、儲(chǔ)能裝置、負(fù)荷及控制裝置等結(jié)合，形成一個(gè)單一可控的單元，同時(shí)向用戶提供電能和熱能[20-22]。

一般而言，微電網(wǎng)有并網(wǎng)和脫網(wǎng)2種運(yùn)行模式。當(dāng)微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運(yùn)行模式時(shí)，微電網(wǎng)作為一個(gè)整體與外部電網(wǎng)相連，微電網(wǎng)內(nèi)部的功率差額由外部電網(wǎng)平衡。當(dāng)微電網(wǎng)處于脫網(wǎng)運(yùn)行模式時(shí)，微電網(wǎng)僅由微電源供電，其運(yùn)行獨(dú)立于外部電網(wǎng)，此時(shí)，微電網(wǎng)可看作一個(gè)獨(dú)立電力系統(tǒng)，其典型特點(diǎn)：

1)包含多種分布式電源。微電網(wǎng)中一般包含多種類型的分布式電源，如風(fēng)電機(jī)組、光伏機(jī)組、燃料電池等新能源發(fā)電機(jī)組，以及蓄電池、超級(jí)電容等儲(chǔ)能裝置。

2)負(fù)荷分級(jí)控制。微電網(wǎng)中的負(fù)荷，根據(jù)其重要程度及其對(duì)電能質(zhì)量的敏感程度，被分為敏感負(fù)荷、可中斷負(fù)荷和可調(diào)節(jié)負(fù)荷。不同級(jí)別的負(fù)荷通過微電網(wǎng)統(tǒng)一控制單元實(shí)現(xiàn)分級(jí)控制。

3)輸配電損耗小。微電網(wǎng)中的電源與負(fù)荷均分布在一個(gè)較小的區(qū)域內(nèi)，電能無需遠(yuǎn)距離輸送，因此相應(yīng)的損耗也較小。

4)單一接口并網(wǎng)。微電網(wǎng)通過一個(gè)公共連接點(diǎn)與主網(wǎng)相連，對(duì)外表現(xiàn)為一個(gè)整體可控單元。

2 獨(dú)立電力系統(tǒng)發(fā)展面臨的主要問題

2.1 安全穩(wěn)定方面

維持系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行是保障獨(dú)立電力系統(tǒng)高可靠性供電的基礎(chǔ)。然而，與傳統(tǒng)互聯(lián)電力系統(tǒng)相比，獨(dú)立電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定問題具有自身的特點(diǎn)，不同類型的獨(dú)立電力系統(tǒng)所面臨的安全穩(wěn)定問題也不盡相同。

1)電壓穩(wěn)定。

在孤立區(qū)域電力系統(tǒng)和微電網(wǎng)中，新能源具有較高的滲透率。風(fēng)電機(jī)組、光伏機(jī)組等新能源發(fā)電機(jī)組通常運(yùn)行在恒功率因數(shù)控制模式下，無法對(duì)系統(tǒng)提供有效的無功電壓支撐，在系統(tǒng)故障時(shí)甚至還需要從系統(tǒng)吸收無功功率。以雙饋風(fēng)機(jī)為例，為保護(hù)電力電子變流器在系統(tǒng)故障時(shí)不受破壞，同時(shí)確保風(fēng)機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行，在故障期間雙饋風(fēng)機(jī)的保護(hù)裝置將投入運(yùn)行。此時(shí)，雙饋風(fēng)機(jī)相當(dāng)于普通異步發(fā)電機(jī)，需要從電網(wǎng)吸收大量無功功率，嚴(yán)重時(shí)有可能會(huì)引發(fā)電壓穩(wěn)定問題。

2)頻率穩(wěn)定。

孤立區(qū)域電力系統(tǒng)和微電網(wǎng)中的電源大多通過電力電子裝置變流器并網(wǎng)，不能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的慣性做出貢獻(xiàn)，導(dǎo)致系統(tǒng)總體慣性較小，這對(duì)于維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定十分不利。

在船舶/飛機(jī)/空間站電力系統(tǒng)中，單個(gè)設(shè)備的容量很大(例如發(fā)電機(jī)和推進(jìn)動(dòng)力裝置)，往往可以與整個(gè)系統(tǒng)的容量相比擬。這些大容量設(shè)備的突加、突卸或發(fā)生故障，將會(huì)引起系統(tǒng)有功和無功發(fā)生劇烈的暫態(tài)過程，從而嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定[23]。

2.2 電能質(zhì)量方面

非并網(wǎng)新能源發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)荷往往是那些能適應(yīng)新能源波動(dòng)特性的特定產(chǎn)業(yè)，因此電能質(zhì)量問題并不突出，而在船舶/飛機(jī)/空間站電力系統(tǒng)、微電網(wǎng)中則往往存在一些對(duì)電能質(zhì)量有較高要求的敏感負(fù)荷。確保對(duì)敏感負(fù)荷的優(yōu)質(zhì)供電，將由于電能質(zhì)量問題造成的損失降到最小，甚至完全消除，是獨(dú)立電力系統(tǒng)中需要考慮的重要問題之一。

1)諧波污染。

獨(dú)立電力系統(tǒng)中大量使用的電力電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生諧波電流，從而影響?yīng)毩㈦娏ο到y(tǒng)設(shè)備的正常運(yùn)行。例如，諧波會(huì)引起保護(hù)設(shè)備誤動(dòng)作，導(dǎo)致電氣測量儀表計(jì)量誤差偏大。此外，諧波還會(huì)降低信號(hào)的傳輸質(zhì)量，破壞信號(hào)的正常傳遞，甚至損壞通信設(shè)備，等等。因此，有必要對(duì)系統(tǒng)中的諧波進(jìn)行治理，將諧波畸變率控制在可接受的范圍內(nèi)。

2)頻率波動(dòng)。

間歇性電源出力的隨機(jī)波動(dòng)性使得獨(dú)立電力系統(tǒng)的頻率容易發(fā)生波動(dòng)。頻率作為電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，即使是很小的偏差也可能會(huì)造成用電設(shè)備工作異常，甚至發(fā)電機(jī)組跳脫、系統(tǒng)頻率崩潰等嚴(yán)重事故。因此，在間歇性能源大量接入獨(dú)立電力系統(tǒng)后，有必要對(duì)系統(tǒng)的頻率控制特性進(jìn)行研究并提出相應(yīng)的措施。

3)三相電壓不平衡。

孤立區(qū)域電力系統(tǒng)、脫網(wǎng)運(yùn)行的微電網(wǎng)等獨(dú)立電力系統(tǒng)的電壓等級(jí)一般較低，內(nèi)部電源與負(fù)荷種類繁多，其中許多負(fù)荷屬于單相負(fù)荷，因此容易出現(xiàn)三相電壓不平衡。

2.3 經(jīng)濟(jì)節(jié)能方面

在滿足安全、優(yōu)質(zhì)供電的前提下，獨(dú)立電力系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)做到經(jīng)濟(jì)節(jié)能，以減少整個(gè)系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行的費(fèi)用。

1)減少系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用。

在獨(dú)立電力系統(tǒng)建設(shè)過程中，應(yīng)針對(duì)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境定制電源，合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)架，在滿足運(yùn)行要求的情況下降低系統(tǒng)建設(shè)的投入。例如，在孤立區(qū)域電力系統(tǒng)中應(yīng)合理配置新能源發(fā)電機(jī)組和傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的比例，在滿足系統(tǒng)出力可控性要求的前提下，盡可能地減少成本。而在微電網(wǎng)中，則應(yīng)考慮熱電聯(lián)產(chǎn)，使得電能和熱能的供應(yīng)具有較高的經(jīng)濟(jì)型。

2)提高能源利用效率。

風(fēng)電機(jī)組和光伏機(jī)組是孤立區(qū)域電力系統(tǒng)與微電網(wǎng)的主要電源類型，其中光伏機(jī)組在白天出力較大，而風(fēng)電機(jī)組在夜間出力較大。如何利用先進(jìn)的通信和控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)獨(dú)立電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與靈活控制，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，提高能源利用效率，是獨(dú)立電力系統(tǒng)發(fā)展中面臨的又一關(guān)鍵問題。

3 獨(dú)立電力系統(tǒng)的發(fā)展方向及其關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)字虛擬獨(dú)立電力系統(tǒng)

數(shù)字虛擬獨(dú)立電力系統(tǒng)可全面提高獨(dú)立電力系統(tǒng)研究、試制、測試、調(diào)度和控制的技術(shù)水平。數(shù)字虛擬獨(dú)立電力系統(tǒng)的建立將實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際獨(dú)立電力系統(tǒng)的全方位模擬：數(shù)字虛擬獨(dú)立電力系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確模擬實(shí)際系統(tǒng)中各類設(shè)備的暫態(tài)、短期、長期和穩(wěn)態(tài)特性，實(shí)時(shí)甚至超實(shí)時(shí)地展現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)的全過程動(dòng)態(tài)。