未來(lái)智能電網(wǎng)中的獨立電力系統模式

大規模非并網(wǎng)新能源發(fā)電系統是指將新能源發(fā)電直接應用于能夠適應其特性的高耗能產(chǎn)業(yè)及其他特殊領(lǐng)域的發(fā)電系統[10]。其主要特點(diǎn)：電能不經(jīng)過(guò)大電網(wǎng)，直接從新能源發(fā)電機組或發(fā)電廠(chǎng)傳輸至用戶(hù)，如圖1(b)所示。大規模非并網(wǎng)新能源發(fā)電系統的用戶(hù)一般為能適應新能源發(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?；茪渲蒲跻约按笠幠：Ｋ萚19]。

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

1)非并網(wǎng)新能源發(fā)電系統中，用戶(hù)對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)電系統的穩定性問(wèn)題并不突出。因此，新能源在此類(lèi)系統中可以達到較高的滲透率。

2)新能源發(fā)電機組/發(fā)電廠(chǎng)發(fā)出的電能可以直接供給終端用戶(hù)，省去了大量并網(wǎng)輔助設備，因此可以極大地節約成本。

1.2.4 脫網(wǎng)運行的微電網(wǎng)

建設微電網(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。從系統的角度來(lái)看，微電網(wǎng)將微電源、儲能裝置、負荷及控制裝置等結合，形成一個(gè)單一可控的單元，同時(shí)向用戶(hù)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種運行模式。當微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運行模式時(shí)，微電網(wǎng)作為一個(gè)整體與外部電網(wǎng)相連，微電網(wǎng)內部的功率差額由外部電網(wǎng)平衡。當微電網(wǎng)處于脫網(wǎng)運行模式時(shí)，微電網(wǎng)僅由微電源供電，其運行獨立于外部電網(wǎng)，此時(shí)，微電網(wǎng)可看作一個(gè)獨立電力系統，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(lèi)型的分布式電源，如風(fēng)電機組、光伏機組、燃料電池等新能源發(fā)電機組，以及蓄電池、超級電容等儲能裝置。

2)負荷分級控制。微電網(wǎng)中的負荷，根據其重要程度及其對電能質(zhì)量的敏感程度，被分為敏感負荷、可中斷負荷和可調節負荷。不同級別的負荷通過(guò)微電網(wǎng)統一控制單元實(shí)現分級控制。

3)輸配電損耗小。微電網(wǎng)中的電源與負荷均分布在一個(gè)較小的區域內，電能無(wú)需遠距離輸送，因此相應的損耗也較小。

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

2 獨立電力系統發(fā)展面臨的主要問(wèn)題

2.1 安全穩定方面

維持系統的安全穩定運行是保障獨立電力系統高可靠性供電的基礎。然而，與傳統互聯(lián)電力系統相比，獨立電力系統的安全穩定問(wèn)題具有自身的特點(diǎn)，不同類(lèi)型的獨立電力系統所面臨的安全穩定問(wèn)題也不盡相同。

1)電壓穩定。

在孤立區域電力系統和微電網(wǎng)中，新能源具有較高的滲透率。風(fēng)電機組、光伏機組等新能源發(fā)電機組通常運行在恒功率因數控制模式下，無(wú)法對系統提供有效的無(wú)功電壓支撐，在系統故障時(shí)甚至還需要從系統吸收無(wú)功功率。以雙饋風(fēng)機為例，為保護電力電子變流器在系統故障時(shí)不受破壞，同時(shí)確保風(fēng)機并網(wǎng)運行，在故障期間雙饋風(fēng)機的保護裝置將投入運行。此時(shí)，雙饋風(fēng)機相當于普通異步發(fā)電機，需要從電網(wǎng)吸收大量無(wú)功功率，嚴重時(shí)有可能會(huì )引發(fā)電壓穩定問(wèn)題。

2)頻率穩定。

孤立區域電力系統和微電網(wǎng)中的電源大多通過(guò)電力電子裝置變流器并網(wǎng)，不能對整個(gè)系統的慣性做出貢獻，導致系統總體慣性較小，這對于維持系統頻率穩定十分不利。

在船舶/飛機/空間站電力系統中，單個(gè)設備的容量很大(例如發(fā)電機和推進(jìn)動(dòng)力裝置)，往往可以與整個(gè)系統的容量相比擬。這些大容量設備的突加、突卸或發(fā)生故障，將會(huì )引起系統有功和無(wú)功發(fā)生劇烈的暫態(tài)過(guò)程，從而嚴重威脅系統的頻率穩定和電壓穩定[23]。

2.2 電能質(zhì)量方面

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

1)諧波污染。

獨立電力系統中大量使用的電力電子設備會(huì )產(chǎn)生諧波電流，從而影響獨立電力系統設備的正常運行。例如，諧波會(huì )引起保護設備誤動(dòng)作，導致電氣測量?jì)x表計量誤差偏大。此外，諧波還會(huì )降低信號的傳輸質(zhì)量，破壞信號的正常傳遞，甚至損壞通信設備，等等。因此，有必要對系統中的諧波進(jìn)行治理，將諧波畸變率控制在可接受的范圍內。

2)頻率波動(dòng)。

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

3)三相電壓不平衡。

孤立區域電力系統、脫網(wǎng)運行的微電網(wǎng)等獨立電力系統的電壓等級一般較低，內部電源與負荷種類(lèi)繁多，其中許多負荷屬于單相負荷，因此容易出現三相電壓不平衡。

2.3 經(jīng)濟節能方面

在滿(mǎn)足安全、優(yōu)質(zhì)供電的前提下，獨立電力系統應當做到經(jīng)濟節能，以減少整個(gè)系統建設和運行的費用。

1)減少系統建設費用。

在獨立電力系統建設過(guò)程中，應針對實(shí)際應用環(huán)境定制電源，合理設計系統構架，在滿(mǎn)足運行要求的情況下降低系統建設的投入。例如，在孤立區域電力系統中應合理配置新能源發(fā)電機組和傳統發(fā)電機組的比例，在滿(mǎn)足系統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，則應考慮熱電聯(lián)產(chǎn)，使得電能和熱能的供應具有較高的經(jīng)濟型。

2)提高能源利用效率。

風(fēng)電機組和光伏機組是孤立區域電力系統與微電網(wǎng)的主要電源類(lèi)型，其中光伏機組在白天出力較大，而風(fēng)電機組在夜間出力較大。如何利用先進(jìn)的通信和控制技術(shù)，實(shí)現對獨立電力系統的實(shí)時(shí)監測與靈活控制，實(shí)現資源的優(yōu)化配置，提高能源利用效率，是獨立電力系統發(fā)展中面臨的又一關(guān)鍵問(wèn)題。

3 獨立電力系統的發(fā)展方向及其關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數字虛擬獨立電力系統

數字虛擬獨立電力系統可全面提高獨立電力系統研究、試制、測試、調度和控制的技術(shù)水平。數字虛擬獨立電力系統的建立將實(shí)現對實(shí)際獨立電力系統的全方位模擬：數字虛擬獨立電力系統能夠準確模擬實(shí)際系統中各類(lèi)設備的暫態(tài)、短期、長(cháng)期和穩態(tài)特性，實(shí)時(shí)甚至超實(shí)時(shí)地展現實(shí)際系統的全過(guò)程動(dòng)態(tài)。