未來智能電網中的獨立電力系統模式

21ic智能電網：集中發電、遠距離輸電和統一配電仍是目前電能生產、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利用，使得傳統互聯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和消費模式。為此，探討未來電網的一種新模式---獨立電力系統，介紹獨立電力系統的概念、特點及其典型應用，闡述不同應用環境下獨立電力系統在安全穩定、電能質量、經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展過程中需要解決的關鍵問題，指出獨立電力系統的發展方向及其關鍵技術。

電能作為一種能源供給和消費形式，具有高效、優質、可控、清潔等多種優良特性，在國民經濟和社會生活中得到了廣泛的應用。隨著社會的發展，電能的應用領域不斷擴大：船舶、飛機等交通工具已逐漸轉向由電力提供驅動[1-2];電動汽車產業迅猛發展[3-4];采用太陽能電池板供電的空間站已投入運行[5]……。從日常生產生活到前沿科技領域，人類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，集中發電、遠距離輸電和統一配電是電能生產、輸送和分配的主要方式。大型互聯電力系統在供電可靠性和經濟性等方面具有優越性，但也存在著一定的缺陷：

①發輸電設備的利用率隨著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、遠離海岸線的海島等區域的負荷進行持續有效的供電，也無法為船舶、飛機、空間站等特殊應用場合提供電能。

新能源的大規模開發給傳統互聯電力系統帶來了更大的挑戰。首先，風能、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，新能源發電機組大多通過電力電子裝置并網，隨著新能源發電滲透率不斷提高，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，風機、風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致風機或風電場被切出[9]，進而導致部分負荷失去供電，嚴重時還可能導致系統失穩。

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

1 獨立電力系統的概念及其特點

1.1 獨立電力系統的概念

獨立電力系統(Isolated Power Systems，IPS)是指與傳統互聯電力系統之間沒有電氣連接的電力系統，其電能的生產、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和消費，避免遠距離送電;支持根據用戶需求定制系統的組成和構架。這些特點使獨立電力系統能夠很好地滿足一些新形式的電力需求，有利于新能源的發展。

1)與傳統互聯電力系統互為補充。

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定制電源，例如海島上風力較大，適合發展風電;陽光充裕的戈壁或沙漠地區則可以光伏發電為主。

獨立電力系統可以滿足船舶、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、高空和太空等環境，應根據其特點定制獨立電力系統的組成和構架，以滿足用戶的需求。

2)為新能源的利用提供更多途徑。

目前，新能源發電設備主要通過傳統電網輸送和分配所生產的電能，這使得新能源的利用受到電網輸送能力、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，風電場可以不并入傳統輸配電網，直接為對電能質量和供電可靠性要求不高的部分高耗能產業供電[10]。

1.2 典型獨立電力系統及其特點

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境的電力系統，與傳統互聯電力系統相比，這類獨立電力系統具有自身鮮明的特點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電機和多相電動機作為主力電源和驅動設備

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，需要進行快速的網絡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[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境是遠離海岸線的海島或遠離負荷中心的偏遠地區。與傳統互聯電力系統相比，孤立區域電力系統具有的特點：

1)能源形式多樣。

孤立區域電力系統通常會根據其所處環境的特點定制電源。例如，對于含有豐富風能資源的海島，可以大力發展風電[15];而對于水資源豐富邊遠山區或陽光充裕的戈壁沙漠地區等，則可以分別重點發展水電或太陽能發電[16]。

2)網架結構靈活。

孤立區域電力系統中往往既存在傳統發電機組，又包含大量新能源發電機組。由于新能源發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，故新能源發電機組通常分散地通過電壓等級較低的配電網向負荷供電[17]。因此，孤立區域電力系統通常不具有明顯的“發-輸-配-用”模塊劃分，網架結構較為靈活。

1.2.3 大規模非并網新能源發電系統

大規模集中式并網是目前利用新能源的主要方式。該方式可總結為“新能源發電機或發電廠-電網-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，大規模并網存在著一定的技術障礙，這使得新能源在整個互聯電力系統中的滲透率難以提高[18]。