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未来电网中的独立电力系统模式

导读: 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。

  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]。

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