未來智能電網中的獨立電力系統(tǒng)模式

大規(guī)模非并網新能源發(fā)電系統(tǒng)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業(yè)及其他特殊領域的發(fā)電系統(tǒng)[10]。其主要特點：電能不經過大電網，直接從新能源發(fā)電機組或發(fā)電廠傳輸至用戶，如圖1(b)所示。大規(guī)模非并網新能源發(fā)電系統(tǒng)的用戶一般為能適應新能源發(fā)電功率波動特性的高耗能產業(yè)，如有色冶金工業(yè)、以非金屬為原料的精深加工、鹽化工氯堿產業(yè)、規(guī)?；茪渲蒲跻约按笠?guī)模海水淡化等[19]。

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

1)非并網新能源發(fā)電系統(tǒng)中，用戶對供電可靠性和電能質量一般要求不高。另外，非并網新能源發(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)中可以達到較高的滲透率。

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

1.2.4 脫網運行的微電網

建設微電網是充分挖掘分布式電源的價值和效益的一種有效途徑。從系統(tǒng)的角度來看，微電網將微電源、儲能裝置、負荷及控制裝置等結合，形成一個單一可控的單元，同時向用戶提供電能和熱能[20-22]。

一般而言，微電網有并網和脫網2種運行模式。當微電網處于并網運行模式時，微電網作為一個整體與外部電網相連，微電網內部的功率差額由外部電網平衡。當微電網處于脫網運行模式時，微電網僅由微電源供電，其運行獨立于外部電網，此時，微電網可看作一個獨立電力系統(tǒng)，其典型特點：

1)包含多種分布式電源。微電網中一般包含多種類型的分布式電源，如風電機組、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。微電網中的負荷，根據其重要程度及其對電能質量的敏感程度，被分為敏感負荷、可中斷負荷和可調節(jié)負荷。不同級別的負荷通過微電網統(tǒng)一控制單元實現(xiàn)分級控制。

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

4)單一接口并網。微電網通過一個公共連接點與主網相連，對外表現(xiàn)為一個整體可控單元。

2 獨立電力系統(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)定運行是保障獨立電力系統(tǒng)高可靠性供電的基礎。然而，與傳統(tǒng)互聯(lián)電力系統(tǒng)相比，獨立電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定問題具有自身的特點，不同類型的獨立電力系統(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)和微電網中，新能源具有較高的滲透率。風電機組、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，無法對系統(tǒng)提供有效的無功電壓支撐，在系統(tǒng)故障時甚至還需要從系統(tǒng)吸收無功功率。以雙饋風機為例，為保護電力電子變流器在系統(tǒng)故障時不受破壞，同時確保風機并網運行，在故障期間雙饋風機的保護裝置將投入運行。此時，雙饋風機相當于普通異步發(fā)電機，需要從電網吸收大量無功功率，嚴重時有可能會引發(fā)電壓穩(wěn)定問題。

2)頻率穩(wěn)定。

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

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

2.2 電能質量方面

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

1)諧波污染。

獨立電力系統(tǒng)中大量使用的電力電子設備會產生諧波電流，從而影響獨立電力系統(tǒng)設備的正常運行。例如，諧波會引起保護設備誤動作，導致電氣測量儀表計量誤差偏大。此外，諧波還會降低信號的傳輸質量，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(tǒng)中的諧波進行治理，將諧波畸變率控制在可接受的范圍內。

2)頻率波動。

間歇性電源出力的隨機波動性使得獨立電力系統(tǒng)的頻率容易發(fā)生波動。頻率作為電能質量的重要指標，即使是很小的偏差也可能會造成用電設備工作異常，甚至發(fā)電機組跳脫、系統(tǒng)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(tǒng)后，有必要對系統(tǒng)的頻率控制特性進行研究并提出相應的措施。

3)三相電壓不平衡。

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

2.3 經濟節(jié)能方面

在滿足安全、優(yōu)質供電的前提下，獨立電力系統(tǒng)應當做到經濟節(jié)能，以減少整個系統(tǒng)建設和運行的費用。

1)減少系統(tǒng)建設費用。

在獨立電力系統(tǒng)建設過程中，應針對實際應用環(huán)境定制電源，合理設計系統(tǒng)構架，在滿足運行要求的情況下降低系統(tǒng)建設的投入。例如，在孤立區(qū)域電力系統(tǒng)中應合理配置新能源發(fā)電機組和傳統(tǒng)發(fā)電機組的比例，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。而在微電網中，則應考慮熱電聯(lián)產，使得電能和熱能的供應具有較高的經濟型。

2)提高能源利用效率。

風電機組和光伏機組是孤立區(qū)域電力系統(tǒng)與微電網的主要電源類型，其中光伏機組在白天出力較大，而風電機組在夜間出力較大。如何利用先進的通信和控制技術，實現(xiàn)對獨立電力系統(tǒng)的實時監(jiān)測與靈活控制，實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，提高能源利用效率，是獨立電力系統(tǒng)發(fā)展中面臨的又一關鍵問題。

3 獨立電力系統(tǒng)的發(fā)展方向及其關鍵技術

3.1 數字虛擬獨立電力系統(tǒng)

數字虛擬獨立電力系統(tǒng)可全面提高獨立電力系統(tǒng)研究、試制、測試、調度和控制的技術水平。數字虛擬獨立電力系統(tǒng)的建立將實現(xiàn)對實際獨立電力系統(tǒng)的全方位模擬：數字虛擬獨立電力系統(tǒng)能夠準確模擬實際系統(tǒng)中各類設備的暫態(tài)、短期、長期和穩(wěn)態(tài)特性，實時甚至超實時地展現(xiàn)實際系統(tǒng)的全過程動態(tài)。