未來(lái)智能電網(wǎng)中的獨立電力系統模式

21ic智能電網(wǎng)：集中發(fā)電、遠距離輸電和統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(cháng)的電力需求和消費模式以及新能源的開(kāi)發(fā)利用，使得傳統互聯(lián)電力系統面臨更大的挑戰，迫切需要有與之相適應的電能生產(chǎn)和消費模式。為此，探討未來(lái)電網(wǎng)的一種新模式---獨立電力系統，介紹獨立電力系統的概念、特點(diǎn)及其典型應用，闡述不同應用環(huán)境下獨立電力系統在安全穩定、電能質(zhì)量、經(jīng)濟節能以及自愈控制等方面面臨的新需求，分析獨立電力系統發(fā)展過(guò)程中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，指出獨立電力系統的發(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(huì )生活中得到了廣泛的應用。隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，電能的應用領(lǐng)域不斷擴大：船舶、飛機等交通工具已逐漸轉向由電力提供驅動(dòng)[1-2];電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展[3-4];采用太陽(yáng)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(lèi)對電能的需求達到了前所未有的規模，而且還在不斷擴大。

目前，集中發(fā)電、遠距離輸電和統一配電是電能生產(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(zhù)一定的缺陷：

①發(fā)輸電設備的利用率隨著(zhù)負荷峰谷差的增大不斷下降[6];

②具有復雜性和脆弱性，局部事故容易導致連鎖故障[6-7];

③難以對遠離負荷中心的偏遠地區、遠離海岸線(xiàn)的海島等區域的負荷進(jìn)行持續有效的供電，也無(wú)法為船舶、飛機、空間站等特殊應用場(chǎng)合提供電能。

新能源的大規模開(kāi)發(fā)給傳統互聯(lián)電力系統帶來(lái)了更大的挑戰。首先，風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源屬于間歇性能源，其比例的不斷提高使系統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調度和控制的復雜性。其次，新能源發(fā)電機組大多通過(guò)電力電子裝置并網(wǎng)，隨著(zhù)新能源發(fā)電滲透率不斷提高，系統慣性逐漸減小，這使得維持系統頻率穩定面臨嚴峻的挑戰[8]。此外，風(fēng)機、風(fēng)電場(chǎng)對接入點(diǎn)電壓較為敏感，接入點(diǎn)電壓過(guò)低或者過(guò)高都可能導致風(fēng)機或風(fēng)電場(chǎng)被切出[9]，進(jìn)而導致部分負荷失去供電，嚴重時(shí)還可能導致系統失穩。

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

1 獨立電力系統的概念及其特點(diǎn)

1.1 獨立電力系統的概念

獨立電力系統(Isolated Power Systems，IPS)是指與傳統互聯(lián)電力系統之間沒(méi)有電氣連接的電力系統，其電能的生產(chǎn)、傳輸和消費一般均在特定區域內完成。獨立電力系統倡導電能的就地生產(chǎn)和消費，避免遠距離送電;支持根據用戶(hù)需求定制系統的組成和構架。這些特點(diǎn)使獨立電力系統能夠很好地滿(mǎn)足一些新形式的電力需求，有利于新能源的發(fā)展。

1)與傳統互聯(lián)電力系統互為補充。

采用獨立電力系統為偏遠山區、海島等遠離負荷中心的區域供電，可以避免遠距離輸電線(xiàn)路或電纜的建設，從而降低供電成本。不同地區可根據自身特點(diǎn)定制電源，例如海島上風(fēng)力較大，適合發(fā)展風(fēng)電;陽(yáng)光充裕的戈壁或沙漠地區則可以光伏發(fā)電為主。

獨立電力系統可以滿(mǎn)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，應根據其特點(diǎn)定制獨立電力系統的組成和構架，以滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。

2)為新能源的利用提供更多途徑。

目前，新能源發(fā)電設備主要通過(guò)傳統電網(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、穩定性等因素的限制。獨立電力系統為新能源的利用提供了新的途徑。例如，風(fēng)電場(chǎng)可以不并入傳統輸配電網(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 典型獨立電力系統及其特點(diǎn)

1.2.1 非陸用電力系統

非陸用電力系統指運行于海洋、高空、太空及其他非陸地環(huán)境的電力系統，與傳統互聯(lián)電力系統相比，這類(lèi)獨立電力系統具有自身鮮明的特點(diǎn)并表現出更高的復雜性：

1)多相電路應用廣泛。船舶/飛機/空間站電力系統一般占地面積較小，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(dòng)機作為主力電源和驅動(dòng)設備

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

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

4)系統拓撲靈活多變。船舶/飛機/空間站電力系統在某些設備故障后，需要進(jìn)行快速的網(wǎng)絡(luò )重構以保證系統的存活能力，因此其系統拓撲結構具有靈活多變的特點(diǎn)[14]。

1.2.2 孤立區域電力系統

孤立區域電力系統的典型應用環(huán)境是遠離海岸線(xiàn)的海島或遠離負荷中心的偏遠地區。與傳統互聯(lián)電力系統相比，孤立區域電力系統具有的特點(diǎn)：

1)能源形式多樣。

孤立區域電力系統通常會(huì )根據其所處環(huán)境的特點(diǎn)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山區或陽(yáng)光充裕的戈壁沙漠地區等，則可以分別重點(diǎn)發(fā)展水電或太陽(yáng)能發(fā)電[16]。

2)網(wǎng)架結構靈活。

孤立區域電力系統中往往既存在傳統發(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各處，故新能源發(fā)電機組通常分散地通過(guò)電壓等級較低的配電網(wǎng)向負荷供電[17]。因此，孤立區域電力系統通常不具有明顯的“發(fā)-輸-配-用”模塊劃分，網(wǎng)架結構較為靈活。

1.2.3 大規模非并網(wǎng)新能源發(fā)電系統

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