未来智能电网中的独立电力系统模式

大规模非并网新能源发电系统是指将新能源发电直接应用于能够适应其特性的高耗能产业及其他特殊领域的发电系统[10]。其主要特点：电能不经过大电网，直接从新能源发电机组或发电厂传输至用户，如图1(b)所示。大规模非并网新能源发电系统的用户一般为能适应新能源发电功率波动特性的高耗能产业，如有色冶金工业、以非金属为原料的精深加工、盐化工氯碱产业、规模化制氢制氧以及大规模海水淡化等[19]。

非并网新能源发电系统与并网新能源发电系统相比，其主要优势[10，19]：

1)非并网新能源发电系统中，用户对供电可靠性和电能质量一般要求不高。另外，非并网新能源发电系统的稳定性问题并不突出。因此，新能源在此类系统中可以达到较高的渗透率。

2)新能源发电机组/发电厂发出的电能可以直接供给终端用户，省去了大量并网辅助设备，因此可以极大地节约成本。

1.2.4 脱网运行的微电网

建设微电网是充分挖掘分布式电源的价值和效益的一种有效途径。从系统的角度来看，微电网将微电源、储能装置、负荷及控制装置等结合，形成一个单一可控的单元，同时向用户提供电能和热能[20-22]。

一般而言，微电网有并网和脱网2种运行模式。当微电网处于并网运行模式时，微电网作为一个整体与外部电网相连，微电网内部的功率差额由外部电网平衡。当微电网处于脱网运行模式时，微电网仅由微电源供电，其运行独立于外部电网，此时，微电网可看作一个独立电力系统，其典型特点：

1)包含多种分布式电源。微电网中一般包含多种类型的分布式电源，如风电机组、光伏机组、燃料电池等新能源发电机组，以及蓄电池、超级电容等储能装置。

2)负荷分级控制。微电网中的负荷，根据其重要程度及其对电能质量的敏感程度，被分为敏感负荷、可中断负荷和可调节负荷。不同级别的负荷通过微电网统一控制单元实现分级控制。

3)输配电损耗小。微电网中的电源与负荷均分布在一个较小的区域内，电能无需远距离输送，因此相应的损耗也较小。

4)单一接口并网。微电网通过一个公共连接点与主网相连，对外表现为一个整体可控单元。

2 独立电力系统发展面临的主要问题

2.1 安全稳定方面

维持系统的安全稳定运行是保障独立电力系统高可靠性供电的基础。然而，与传统互联电力系统相比，独立电力系统的安全稳定问题具有自身的特点，不同类型的独立电力系统所面临的安全稳定问题也不尽相同。

1)电压稳定。

在孤立区域电力系统和微电网中，新能源具有较高的渗透率。风电机组、光伏机组等新能源发电机组通常运行在恒功率因数控制模式下，无法对系统提供有效的无功电压支撑，在系统故障时甚至还需要从系统吸收无功功率。以双馈风机为例，为保护电力电子变流器在系统故障时不受破坏，同时确保风机并网运行，在故障期间双馈风机的保护装置将投入运行。此时，双馈风机相当于普通异步发电机，需要从电网吸收大量无功功率，严重时有可能会引发电压稳定问题。

2)频率稳定。

孤立区域电力系统和微电网中的电源大多通过电力电子装置变流器并网，不能对整个系统的惯性做出贡献，导致系统总体惯性较小，这对于维持系统频率稳定十分不利。

在船舶/飞机/空间站电力系统中，单个设备的容量很大(例如发电机和推进动力装置)，往往可以与整个系统的容量相比拟。这些大容量设备的突加、突卸或发生故障，将会引起系统有功和无功发生剧烈的暂态过程，从而严重威胁系统的频率稳定和电压稳定[23]。

2.2 电能质量方面

非并网新能源发电系统的负荷往往是那些能适应新能源波动特性的特定产业，因此电能质量问题并不突出，而在船舶/飞机/空间站电力系统、微电网中则往往存在一些对电能质量有较高要求的敏感负荷。确保对敏感负荷的优质供电，将由于电能质量问题造成的损失降到最小，甚至完全消除，是独立电力系统中需要考虑的重要问题之一。

1)谐波污染。

独立电力系统中大量使用的电力电子设备会产生谐波电流，从而影响独立电力系统设备的正常运行。例如，谐波会引起保护设备误动作，导致电气测量仪表计量误差偏大。此外，谐波还会降低信号的传输质量，破坏信号的正常传递，甚至损坏通信设备，等等。因此，有必要对系统中的谐波进行治理，将谐波畸变率控制在可接受的范围内。

2)频率波动。

间歇性电源出力的随机波动性使得独立电力系统的频率容易发生波动。频率作为电能质量的重要指标，即使是很小的偏差也可能会造成用电设备工作异常，甚至发电机组跳脱、系统频率崩溃等严重事故。因此，在间歇性能源大量接入独立电力系统后，有必要对系统的频率控制特性进行研究并提出相应的措施。

3)三相电压不平衡。

孤立区域电力系统、脱网运行的微电网等独立电力系统的电压等级一般较低，内部电源与负荷种类繁多，其中许多负荷属于单相负荷，因此容易出现三相电压不平衡。

2.3 经济节能方面

在满足安全、优质供电的前提下，独立电力系统应当做到经济节能，以减少整个系统建设和运行的费用。

1)减少系统建设费用。

在独立电力系统建设过程中，应针对实际应用环境定制电源，合理设计系统构架，在满足运行要求的情况下降低系统建设的投入。例如，在孤立区域电力系统中应合理配置新能源发电机组和传统发电机组的比例，在满足系统出力可控性要求的前提下，尽可能地减少成本。而在微电网中，则应考虑热电联产，使得电能和热能的供应具有较高的经济型。

2)提高能源利用效率。

风电机组和光伏机组是孤立区域电力系统与微电网的主要电源类型，其中光伏机组在白天出力较大，而风电机组在夜间出力较大。如何利用先进的通信和控制技术，实现对独立电力系统的实时监测与灵活控制，实现资源的优化配置，提高能源利用效率，是独立电力系统发展中面临的又一关键问题。

3 独立电力系统的发展方向及其关键技术

3.1 数字虚拟独立电力系统

数字虚拟独立电力系统可全面提高独立电力系统研究、试制、测试、调度和控制的技术水平。数字虚拟独立电力系统的建立将实现对实际独立电力系统的全方位模拟：数字虚拟独立电力系统能够准确模拟实际系统中各类设备的暂态、短期、长期和稳态特性，实时甚至超实时地展现实际系统的全过程动态。