未来智能电网中的独立电力系统模式

21ic智能电网：集中发电、远距离输电和统一配电仍是目前电能生产、输送和分配的主要方式。不断增长的电力需求和消费模式以及新能源的开发利用，使得传统互联电力系统面临更大的挑战，迫切需要有与之相适应的电能生产和消费模式。为此，探讨未来电网的一种新模式---独立电力系统，介绍独立电力系统的概念、特点及其典型应用，阐述不同应用环境下独立电力系统在安全稳定、电能质量、经济节能以及自愈控制等方面面临的新需求，分析独立电力系统发展过程中需要解决的关键问题，指出独立电力系统的发展方向及其关键技术。

电能作为一种能源供给和消费形式，具有高效、优质、可控、清洁等多种优良特性，在国民经济和社会生活中得到了广泛的应用。随着社会的发展，电能的应用领域不断扩大：船舶、飞机等交通工具已逐渐转向由电力提供驱动[1-2];电动汽车产业迅猛发展[3-4];采用太阳能电池板供电的空间站已投入运行[5]……。从日常生产生活到前沿科技领域，人类对电能的需求达到了前所未有的规模，而且还在不断扩大。

目前，集中发电、远距离输电和统一配电是电能生产、输送和分配的主要方式。大型互联电力系统在供电可靠性和经济性等方面具有优越性，但也存在着一定的缺陷：

①发输电设备的利用率随着负荷峰谷差的增大不断下降[6];

②具有复杂性和脆弱性，局部事故容易导致连锁故障[6-7];

③难以对远离负荷中心的偏远地区、远离海岸线的海岛等区域的负荷进行持续有效的供电，也无法为船舶、飞机、空间站等特殊应用场合提供电能。

新能源的大规模开发给传统互联电力系统带来了更大的挑战。首先，风能、太阳能等新能源属于间歇性能源，其比例的不断提高使系统出力的随机性大幅增加，可控性却有所降低，因而增加了电力系统调度和控制的复杂性。其次，新能源发电机组大多通过电力电子装置并网，随着新能源发电渗透率不断提高，系统惯性逐渐减小，这使得维持系统频率稳定面临严峻的挑战[8]。此外，风机、风电场对接入点电压较为敏感，接入点电压过低或者过高都可能导致风机或风电场被切出[9]，进而导致部分负荷失去供电，严重时还可能导致系统失稳。

总之，不断增长的电力需求和消费模式以及新能源的开发利用迫切需要有与之相适应的电能生产和消费模式。独立电力系统正是解决上述问题的有效途径之一。笔者就独立电力系统的概念、分类及其特点进行介绍，分析独立电力系统发展所面临的关键问题，指出独立电力系统的发展方向和需要研究的关键技术。

1 独立电力系统的概念及其特点

1.1 独立电力系统的概念

独立电力系统(Isolated Power Systems，IPS)是指与传统互联电力系统之间没有电气连接的电力系统，其电能的生产、传输和消费一般均在特定区域内完成。独立电力系统倡导电能的就地生产和消费，避免远距离送电;支持根据用户需求定制系统的组成和构架。这些特点使独立电力系统能够很好地满足一些新形式的电力需求，有利于新能源的发展。

1)与传统互联电力系统互为补充。

采用独立电力系统为偏远山区、海岛等远离负荷中心的区域供电，可以避免远距离输电线路或电缆的建设，从而降低供电成本。不同地区可根据自身特点定制电源，例如海岛上风力较大，适合发展风电;阳光充裕的戈壁或沙漠地区则可以光伏发电为主。

独立电力系统可以满足船舶、飞机、空间站等的用电需求。船舶、飞机和空间站分别运行在海洋、高空和太空等环境，应根据其特点定制独立电力系统的组成和构架，以满足用户的需求。

2)为新能源的利用提供更多途径。

目前，新能源发电设备主要通过传统电网输送和分配所生产的电能，这使得新能源的利用受到电网输送能力、稳定性等因素的限制。独立电力系统为新能源的利用提供了新的途径。例如，风电场可以不并入传统输配电网，直接为对电能质量和供电可靠性要求不高的部分高耗能产业供电[10]。

1.2 典型独立电力系统及其特点

1.2.1 非陆用电力系统

非陆用电力系统指运行于海洋、高空、太空及其他非陆地环境的电力系统，与传统互联电力系统相比，这类独立电力系统具有自身鲜明的特点并表现出更高的复杂性：

1)多相电路应用广泛。船舶/飞机/空间站电力系统一般占地面积较小，能量需求较大，因此，大多采用能量密度较大的多相发电机和多相电动机作为主力电源和驱动设备

2)系统中多种工作频率并存。船舶/飞机/空间站电力系统多采用基于电力电子元件的配电系统，其设备工作频率差异很大，既有在工频50Hz下工作的设备，也有中频如400Hz下工作的设备[12]。

3)电力电子装置在系统设备构成中所占比例较大。船舶/飞机/空间站电力系统在电能的存储、传输和使用过程中需要用到大量电力电子装置[13]。而系统本身规模有限，这使得电力电子装置在系统设备构成中所占的比例远大于传统互联电力系统。

4)系统拓扑灵活多变。船舶/飞机/空间站电力系统在某些设备故障后，需要进行快速的网络重构以保证系统的存活能力，因此其系统拓扑结构具有灵活多变的特点[14]。

1.2.2 孤立区域电力系统

孤立区域电力系统的典型应用环境是远离海岸线的海岛或远离负荷中心的偏远地区。与传统互联电力系统相比，孤立区域电力系统具有的特点：

1)能源形式多样。

孤立区域电力系统通常会根据其所处环境的特点定制电源。例如，对于含有丰富风能资源的海岛，可以大力发展风电[15];而对于水资源丰富边远山区或阳光充裕的戈壁沙漠地区等，则可以分别重点发展水电或太阳能发电[16]。

2)网架结构灵活。

孤立区域电力系统中往往既存在传统发电机组，又包含大量新能源发电机组。由于新能源发电机组的能量密度较低、单机容量小，且广泛地分散在系统各处，故新能源发电机组通常分散地通过电压等级较低的配电网向负荷供电[17]。因此，孤立区域电力系统通常不具有明显的“发-输-配-用”模块划分，网架结构较为灵活。

1.2.3 大规模非并网新能源发电系统

大规模集中式并网是目前利用新能源的主要方式。该方式可总结为“新能源发电机或发电厂-电网-用户”模式，如图1(a)所示。由于新能源大多具有波动性和间歇性等特点，大规模并网存在着一定的技术障碍，这使得新能源在整个互联电力系统中的渗透率难以提高[18]。

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。

1)独立电力系统数字化建模理论和方法。

为准确模拟独立电力系统中各类设备本身的物理运行规律以及能量管理和控制措施对系统动态过程的影响，需要深入研究独立电力系统数字仿真建模方法。

独立电力系统的建模必须考虑系统自身的特点。首先，需要建立独立电力系统中特有的复杂元件和装置的仿真模型，如非陆用电力系统中的多相发电机和电动机、孤立区域电力系统和微电网中含电力电子接口的各种可再生能源发电装置等。其次，还要考虑系统内部各组成部分的时间常数相差较大的问题，例如，独立电力系统中一次能源转化的时间常数多以s计，发电装置中电磁暂态过程以μs计，机电暂态过程以ms或几十ms计，而电力电子变流器中开关及其控制过程以μs甚至ns计。

同时，还需要提出一套评估和校验仿真模型准确性和鲁棒性的理论或方法，设计合理的评估和校验指标，用于定量地衡量仿真模型的准确程度和鲁棒程度。

2)独立电力系统全过程实时/超实时仿真的理论和方法。

提高独立电力系统全过程仿真的准确性和快速性，使其达到实时或超实时，是实现数字虚拟独立电力系统的前提条件。

一方面，独立电力系统中包含了大量的电力电子装置，且涉及的频率范围十分广泛，反映不同物理特征的动态过程相互交织在一起，极大地增加了系统仿真的复杂度。为解决这一问题，可采用全数字机电暂态和电磁暂态混合仿真技术，有效协调系统仿真规模、精度和速度等问题，为模拟独立电力系统的动态特性提供新的方法和途径。

另一方面，采用并行计算技术，针对独立电力系统的结构设计高效的分解协调策略，并在高性能并行计算机上加以实现，可大大提高独立电力系统全过程仿真的速度。

3.2 全方位信息化的独立电力系统

全方位信息化是对独立电力系统运行状态进行监视和控制的重要基础。一方面，信息化系统通过先进的量测体系和可靠的通信系统，获得全面、准确的系统实时运行状态信息;基于所获得的实时运行状态信息，实现对系统元件的在线状态评估和故障诊断。另一方面，系统的决策和控制信号也将通过信息化系统可靠、有效地下达，实现对系统的实时闭环控制。

1)可靠的数据量测和传输技术。

独立电力系统的数据量测与传输技术必须适应实际应用环境的要求。

①独立电力系统往往包含大量特殊元器件，并采用交、直流混合网络，其保护和控制逻辑十分复杂。相应地，系统所需数据量测的内容和性能要求与传统互联电力系统也存在很大不同。

②独立电力系统中可再生能源发电受自然环境影响很大(如风速波动对风机出力的影响、云层移动对光伏机组出力的影响等)，系统运行状态的变化非常频繁且迅速，因此对数据测量的实时性要求很高。

③船舶/飞机/空间站电力系统多运行于恶劣的自然环境(海洋、高空或太空环境)中，大量电力设备紧凑地安装在有限的空间中，存在较强的电磁干扰。因此，数据采集和通信设备亦必须具有抵抗电磁干扰的能力。

2)独立电力系统的状态估计。

传统电力系统状态估计理论和方法一般针对大型互联电网设计，而独立电力系统的电气距离一般较近，系统中各量测量之间耦合程度较高，如何利用这一特点设计具有更强容错能力、更高准确性和更快计算效率的状态估计方法也是重要的研究方向之一。

3.3 具有自愈控制能力的独立电力系统

独立电力系统的自愈控制能力包括系统在线预警和控制能力。在系统运行过程中，通过对系统运行状态进行实时监视，对系统可能发生的安全稳定隐患进行预警，进而采取适当控制措施加以消除，提高系统的安全稳定水平、系统紧急状况下的快速重构与恢复能力。当系统发生故障时，系统自动进行重构，由断路器或其保护装置隔离故障负载或发电机，使无故障部分的重要负载最大限度地快速恢复供电。

1)在线预警和控制能力。

实现独立电力系统的在线预警和控制需要解决2个关键问题：

①建立一套运行指标体系，作为独立电力系统运行状态优劣的考核标准。该指标体系的建立应从用户的需求和运行环境对独立电力系统的要求出发，将这些需求构建成完整的可量化的指标体系。

②在此基础上，以指标体系为依据，分别建立“独立电力系统运行状态评估系统”和“独立电力系统能量管理系统”。

前者用来评估独立电力系统的运行是否处于满意状态，后者在某一个或某一组指标偏离预先设定的偏差允许值时，通过快速决策和控制，消除那些不满足指标要求的运行状态，使系统重新回到满意的运行状态。

2)紧急情况下的快速重构与恢复能力。

独立电力系统的实际运行环境对系统紧急情况下的快速重构与恢复能力提出了很高的要求。例如，船舶/飞机/空间站等非陆用电力系统中含有许多电子负载，对于电力中断和电能质量非常敏感，因此在系统故障时，必须快速恢复重要负载的供电以提高系统的存活能力。

高效可靠的快速重构算法是提高独立电力系统安全性和存活性的核心。独立电力系统的快速重构算法需要综合考虑多方面的约束：既要考虑静态约束，如潮流约束、电压电流限值约束等;又要考虑稳定约束，如暂态稳定性、电压稳定等，使系统在重构过程中能够保持稳定。

4 结语

新能源的大规模开发和利用给传统电力系统的运行和控制带来了众多挑战。独立电力系统作为未来电网能源供应和消费的一种新模式，是解决传统互联电力系统所面临难题的重要途径之一。笔者介绍了几类典型的独立电力系统，并结合独立电力系统的特点探讨了独立电力系统发展过程中面临的主要问题和需要研究的关键技术，以期为未来电网的发展提供有益参考。

作者：

清华大学电机系电力系统国家重点实验室：陈来军，梅生伟，许寅

陕西省地方电力(集团)有限公司：任正某

参考文献：

[1] Khersonsky　Y，Hingorani　N，Peterson　K　L.IEEE electric　ship　technologies　initiative-A　review　of　the　electric ship　technologies　symposium　and　standardization activities[J].IEEE　Industry　Applications　Magazine，2011，17(1)：65-73.

[2]Hirst　M，Mcloughlin　A，Norman　P　J，et　al.Demonstrating the　more　electric　engine：a　step　towards　the poweroptimised　aircraft[J].IET　Electric　Power　Applications，2011，5(1)：3-13.

[3]Lam　L　T，Louey　R.Development　of　ultra-battery　for hybrid-electric　vehicle　applications[J].Journal　of　Power Sources，2006，158(2)：1　140-1　148.

[4]Moreno　J，Ortuzar　M　E，Dixon　J　W.Energy-management system　for　a　hybrid　electric　vehicle，usingultracapacitors and　neural　networks[J].IEEE　Transactions　on Industrial　Electronics，2006，53(2)：614-623.

[5]Mekaoui　S，Dewitte　S，Conscience　C，et　al.Total　solar irradiance　absolute　level　from　DIARAD/SOVIM　on　the International　Space　Station[J].Advances　in　Space　Research，2010，45(11)：1　393-1　406.

[6]丁道齐.复杂大电网安全性分析：智能电网的概念与实现[M].北京：中国电力出版社，2010.

[7]金鸿章，韦琦，郭健.复杂系统的脆性理论及应用[M].西安：西北工业大学出版社，2010.

[8]Ekanayake　J，Jenkins　N.Comparison　of　the　response　of doubly　fed　and　fixed-speed　induction　generator　wind　turbines to　changes　in　network　frequency[J].IEEE　Transactions on　Energy　Conversion，2004，19(4)：800-802.

[9]Conroy　J　F，Watson　R.Low-voltage　ride-through　of　a full　converter　wind　turbine　with　permanent　magnet　generator[J].IET　Renewable　Power　Generation，2007，1(3)：182-189.

[10]顾为东.大规模非并网风电系统开发与应用[J].电力系统自动化，2008，32(19)：1-4，9.Weidong.Development　and　application　of　large-scale non-grid-connected　wind　power　system[J].Automation of　Electric　Power　Systems，2008，32(19)：1-4，9.

[11]Levi　E.Multiphase　electric　machines　for　variable-speed applications[J].IEEE　Transactions　on　Industrial　Electronics，

2008，55(5)：1　893-1　909.

[12]Butler　K　L，Sarma　N　D　R，Whitcomb　C，et　al.Shipboard systems　deploy　automated　protection[J].IEEE Computer　Applications　in　Power，1998，11(2)：31-36.

[13]Prisse　L，Ferer　D，Foch　H，et　al.New　power　centre and　power　electronics　sharing　in　aircraft[C].13th　European Conference　on　Power　Electronics　and　Applications，Barcelona，Spain，2009.

[14]Logan　K　P.Intelligent　diagnostic　requirements　of　future all-electric　ship　integrated　power　system[J].IEEE Transactions　on　Industry　Applications，2007，43(1)：139-149.

[15]Miller　N，Manz　D，Johal　H，et　al.Integrating　high levels　of　wind　in　island　systems：Lessons　from　Hawaii[C].IEEE　International　Conference　on　Sustainable　Energy Technologies，Kandy，Sri　Lanka，2010.

[16]Shaahid　S　M，Elhadidy　M　A.Technical　and　economic assessment　of　grid-independent　hybrid　photovoltaicdiesel-battery　power　systems　for　commercial　loads　in desert　environments[J].Renewable　and　Sustainable Energy　Reviews，2007，11(8)：1　794-1　810.

[17]B?mer　J，Burges　K，Nabe　C，et　al.All　Island　TSO　facilitation of　renewables　studies[R].Dublin　4，Republic of　Ireland：Ecofys　and　DIgSILENT，2010.

[18]Chen　C，Lee　T.Impact　analysis　of　transmission　capacity constraints　on　wind　power　penetration　and　production cost　in　generation　dispatch[C].International　Conference on　Intelligent　Systems　Applications　to　Power Systems，Niigata，Japan，2007.

[19]顾为东，周志莹，邱涛.长三角浅海辐射沙洲风能资源开发与非并网风电产业发展研究[J].资源科学，2009，31(11)：1　856-1　861.GU　Wei-dong，ZHOU　Zhi-ying，QIU　Tao.Exploitation of windresources　anddevelopment　of　wind　power　industryover ShallowSea　Radial　SandRidges　of　the　Yangtze RiverDelta[J].Resources　Science，2009，31(11)：1　856-1　861.

[20]Lasseter　R，Akhil　A，Marnay　C，et　al.Integration　of distributed　energy　resources-The　CERTSmicrogrid concept[R].U　S：The Berkeley　Electronic　Press，2002.

[21]Barnes　M，Ventakaramanan　G，Kondoh　J，et　al.Realworld microgrids-An　overview[C].IEEE　International Conference　on　System　of　Systems　Engineering，San Antonio，TX，United　states，2007.

[22]鲁宗相，王彩霞，闵勇，等.微电网研究综述[J].电力系统自动化，2007，31(19)：100-107.LU　Zong-xiang，WANG　Cai-xia，MIN　Yong，.Overview on　microgrid　research[J].Automation　of　Electric Power　Systems，2007，31(19)：100-107.

[23]Giadrossi　G，Menis　R，Sulligoi　G，et　al.Voltage　stability analysis　of　all-electric　cruise　liners[C].International Symposium　on　Power　Electronics，Electrical Drives，Automation　and　Motion，Ischia，Italy，2008.

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