[科普中國]-分布式電源并網(wǎng)標準

簡介

近年來，能源需求和環(huán)境保護促進了分布式電源和微電網(wǎng)的發(fā)展。分布式電源(distributed resources DR)是指位于負荷附近，裝機規(guī)模較小，就近接入中低壓配電網(wǎng)的電源，包括分布式發(fā)電(distributed generation DG)和儲能(energy storageES)。根據(jù)一次能源的利用形式劃分，DR主要分為燃氣輪機、內(nèi)燃機等利用清潔能源發(fā)電的單元和光伏、風電、水電、生物質(zhì)能等利用可再生能源發(fā)電的單元;根據(jù)與電網(wǎng)的接口類型劃分，DR主要分為以同步電機和異步電機等旋轉電機并網(wǎng)的發(fā)電單元和通過變流器并網(wǎng)的發(fā)電單元兩類。

微電網(wǎng)(microgrid)是一種由分布式電源、儲能和負荷共同組成的小型低壓系統(tǒng)，可以通過適當?shù)目刂剖侄螌崿F(xiàn)網(wǎng)絡內(nèi)部的電力電量平衡，既可并網(wǎng)運行，也可孤網(wǎng)運行。

開發(fā)分布式發(fā)電可以充分利用以分布式形式廣泛存在的可再生能源，提高能源利用效率，節(jié)能減排。分布式電源和微電網(wǎng)就近并入低壓配電網(wǎng)，可以降低線路損耗，改善電網(wǎng)末端電能質(zhì)量，緩解用電壓力，提高電網(wǎng)抗災能力，保證對重要用戶的可靠供電。獨立型微電網(wǎng)還可以解決偏遠內(nèi)陸或海島地區(qū)的用電問題。但是DR或微電網(wǎng)并入配電網(wǎng)會對電網(wǎng)的運行、控制和保護等帶來一系列的影響。為此，必須制定統(tǒng)一的并網(wǎng)標準來規(guī)范電網(wǎng)對分布式電源的要求，保證系統(tǒng)的安全可靠運行。

目前，國內(nèi)外已經(jīng)出臺了一系列的DR并網(wǎng)標準，如IEEE 1547系列標準，英國G59/1和G75/1工程推薦標準，加拿大C22.2N0.257標準等。但是，各個國家和組織的標準存在著一定的差異，國際上還缺乏具有統(tǒng)一約束力的DR并網(wǎng)標準，并且部分標準老化滯后。同時，我國DR的相關技術標準也不完善。近年來，由于設備制造能力及通信、控制等技術水平的提高，分布式電源發(fā)展迅速，裝機容量不斷增加，DG并網(wǎng)標準面臨著迫切的制修訂需求。在這種背景下，對已有的DR并網(wǎng)標準進行研究，探討國際和國內(nèi)標準的發(fā)展方向尤為重要。

對DG與電網(wǎng)的互聯(lián)標準作過介紹。僅針對2009年之前發(fā)布的標準，從總體要求、電能質(zhì)量和保護3個方面進行了簡單的對比2。

國際組織標準1) IEEE 1547系列標準。IEEE 1547標準是最早發(fā)布的針對分布式電源并網(wǎng)的標準，于2003年由美國電氣與電子工程師協(xié)會(Institute of Electricaland Electronics Engineers IEEE)正式出版。IEEE 1547適用于任何發(fā)電技術的DR，已經(jīng)擴展成系列標準包括測試、監(jiān)測、信息交流和控制等內(nèi)容。

2 ) IEC/IEEE/PAS 63547-2011分布式電源與電力系統(tǒng)的互聯(lián)標準。由IEEE 1547標準轉化而來，在轉化成IEC標準的過程中失敗，于是轉而以國際電工委員會(International Electro technicalCommission } IEC)公共可用規(guī)范(publicly availablespecification PAS)文件的形式發(fā)布，內(nèi)容與IEEE1547大體相同2。

部分國家標準1)英國。英國目前主要有BS EN50438:2007微型發(fā)電設備接入低壓配電網(wǎng)技術要求和嵌入式發(fā)電廠接入公共配電網(wǎng)標準。其中英國BSEN50438:2007標準針對的微電源為接入230,400 V配電網(wǎng)單相電流不超過16A的分散電源;英國嵌入式發(fā)電廠接入公共配電網(wǎng)標準是由電力協(xié)會制定的G59/1和G75/1 I程推薦標準 G59/1標準適用于接入20 kV以下配電網(wǎng)，且容量不超過5 MW的小型電源并網(wǎng)，G75/1標準適用于接入20 kV以上電壓等級配電網(wǎng)，且容量大于SMW的電源并網(wǎng)。此外，ER 683/1為單相16A以下小規(guī)模嵌入式發(fā)電設備接入公共低壓配電系統(tǒng)標準3。

2)德國。德國先后于2008年1月和2011年8月發(fā)布了發(fā)電廠接入中壓電網(wǎng)并網(wǎng)指和發(fā)電系統(tǒng)接入低壓配電網(wǎng)并網(wǎng)指南這兩項指南都考慮了可再生能源發(fā)電的接入，適用于風電、水電、聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)(如生物質(zhì)能、沼氣或者天然氣火力發(fā)電系統(tǒng)等)、光伏發(fā)電系統(tǒng)等一切通過同步電機、異步電機或變流器接入中低壓電網(wǎng)的發(fā)電系統(tǒng)。此外，德國還發(fā)布了DIN EN 50438-2008，與公共低壓配電網(wǎng)并聯(lián)運行的微型發(fā)電機的連接要求。

3)加拿大。加拿大目前有2個主要的互聯(lián)標準，包括C22.2N0.257基于逆變器的微電源配電網(wǎng)互聯(lián)標準[4]和C22.3N0.9分布式電力供應系統(tǒng)互聯(lián)標準}s}，其中C22.2N0.257標準規(guī)定了基于逆變器的分布式電源與0.6 kV以下的低壓配電網(wǎng)互聯(lián)要求，C22.3N0.9適用于接入50 kV以下配電網(wǎng)、并網(wǎng)容量不超過10 MW的分布式電源。

4)中國。國家電網(wǎng)公司先后于2010年和2011年發(fā)布了Q/GDW 480-2010分布式電源接入電網(wǎng)技術規(guī)定、Q/GDW 666-2011分布式電源接入配電網(wǎng)測試技術規(guī)范、Q/GDW 667-2011分布式電源接入配電網(wǎng)運行控制規(guī)范和Q/GDW 677-2011分布式電源接入配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)功能規(guī)范等4項企業(yè)標準}。其中Q/GDW 480-2010標準適用于國家電網(wǎng)公司經(jīng)營區(qū)域內(nèi)以同步電機、感應電機、變流器等形式接入35 kV及以下電壓等級電網(wǎng)的分布式電源，后3項標準適用于國家電網(wǎng)公司經(jīng)營區(qū)域內(nèi)以同步電機、感應電機、變流器形式接入10 kV及以下電壓等級配電網(wǎng)的分布式電源。

除了針對各種類型分布式電源的統(tǒng)一標準外，IEC和許多國家也發(fā)布了一些針對具體分布式電源形式的并網(wǎng)標準，如風電并網(wǎng)準則。

選取IEEE1547、加拿大C22.3N0.9、德國中壓和低壓并網(wǎng)指南、中國Q/GDW 480-2010標準為代表來對已有的DR并網(wǎng)標準進行對比研究。

國內(nèi)外分布式電源并網(wǎng)標準對比一般性要求和接入原則從內(nèi)容上看，大多數(shù)DR并網(wǎng)標準都包括總體要求、電能質(zhì)量、功率控制、電壓與頻率響應、并網(wǎng)與同步、安全與保護、計量、監(jiān)控與通信、檢測等兒個方面的要求。本文重點針對功率控制和電網(wǎng)支撐(主要指故障穿越能力)等要求差異較大的方面對已有國內(nèi)外標準進行對比研究2。

IEEE 1547和德國中低壓并網(wǎng)指南均通過限制DR接入后公共連接點最大電壓變化的方式對DR的并網(wǎng)容量進行了約束。其中，IEEE 1547標準要求DR在公共連接點(points of common connectionPCC)點產(chǎn)生的電壓波動不應大于士5%額定電壓，德國中壓并網(wǎng)指南規(guī)定網(wǎng)絡中每個公共連接點的電壓幅值變化跟沒有連接DR時相比不能超過2%；低壓并網(wǎng)指南要求不得超過3%。

跟其他標準的規(guī)定方式不同，中國Q/GDW480-2010標準沒有直接規(guī)定DG接入后引起的電壓變化范圍，但是對分布式電源的接入容量、接入電壓等級做了具體規(guī)定，具體要求如下:1)分布式電源總容量原則上不宜超過上一級變壓器供電區(qū)域內(nèi)最大負荷的25%; 2)分布式電源并網(wǎng)點的短路電流與分布式電源額定電流之比不宜低于10; 3)分布式電源接入電壓等級宜按照200 kW及以下分布式電源接380 V電壓等級電網(wǎng);200 kW以上分布式電源接入10 kV(6 kV)及以上電壓等級電網(wǎng)。

有功控制和頻率響應IEEE 1547和加拿大C22.3N0.9標準都沒有關于支撐電網(wǎng)頻率的有功功率控制方面的要求，認為系統(tǒng)頻率由大電網(wǎng)調(diào)節(jié)，且當系統(tǒng)頻率超過正常范圍時，DR系統(tǒng)需要在規(guī)定的時問內(nèi)切除，停止向電網(wǎng)供電。

和北美的標準不同，德國中低壓并網(wǎng)標準對DR系統(tǒng)的有功功率控制進行了詳細規(guī)定，明確提出DR系統(tǒng)需根據(jù)電網(wǎng)頻率值、電網(wǎng)調(diào)度指令等信號調(diào)節(jié)電源的有功功率輸出。

1) DR須具備根據(jù)調(diào)度指令限制其有功功率輸 我國Q/GDW 480-2010標準將適用范圍內(nèi)的電源分為兩類:10 kV(6 kV卜35 kV電壓等級并網(wǎng)和380 V電壓等級并網(wǎng)的DR。對于380 V電壓等級并網(wǎng)的小容量DR，其對電網(wǎng)的影響和支撐非常有限，考慮到成本等各方面的因素，本標準對其在有功一頻率調(diào)節(jié)與無功一電壓調(diào)節(jié)方面的要求較為寬松，一般不要求其參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)。與德國標準的規(guī)定類似，本標準對通過10 kV、6 kV、35 kV電壓等級并網(wǎng)的 DR也提出了根據(jù)電網(wǎng)頻率值、電網(wǎng)調(diào)度機構指令等信號調(diào)節(jié)電源有功功率的要求，確保DR最大輸出功率及功率變化率不超過電網(wǎng)調(diào)度機構的給定值，但未給出確定的有功功率控制速率。

無功控制和電壓調(diào)節(jié)IEEE 1547標準不鼓勵DG參與電壓調(diào)節(jié)，DR運行的功率因數(shù)未作規(guī)定。對于異常電壓響應，此標準要求DR在規(guī)定的時問內(nèi)斷開，這一要求在其他各項標準中均有體現(xiàn)。

與IEEE 1547標準不同，在電網(wǎng)公司許可的前提下，加拿大C22.3N0.9標準允許DR參與PCC點的電壓調(diào)節(jié)。對于30 kW以上的DR要求功率因數(shù)在-0.9~0.9之間可調(diào)，30 kW以下的DR允許以這個范圍內(nèi)的某一固定功率因數(shù)運行。對配電網(wǎng)電壓可能產(chǎn)生影響的系統(tǒng)需要采取一些措施，如動態(tài)功率因數(shù)方案等3。

德國中壓并網(wǎng)標準規(guī)定，如果網(wǎng)絡運營商要求或者為了滿足網(wǎng)絡要求，發(fā)電廠必須參與中壓網(wǎng)絡的穩(wěn)態(tài)電壓控制。但是在低壓并網(wǎng)標準中的要求較為緩和，未作強制規(guī)定:如果由于網(wǎng)絡運行工況需要，網(wǎng)絡運營商可以要求在低壓配電網(wǎng)中DG參與靜態(tài)電壓調(diào)節(jié)。

由于同步電機類型、異步電機類型和變流器類型DR的無功調(diào)節(jié)能力和調(diào)節(jié)方式不一致，我國Q/GDW 480-2010標準分別對它們提出了不同的要求，要求通過10 kV (6 kV卜35 kV電壓等級并網(wǎng)的同步發(fā)電機和變流器類型DR應該能夠利用無功功率控制參與并網(wǎng)點電壓調(diào)節(jié)，對其他DR未作要求。其功率因數(shù)的范圍也考慮到了各類型分布式電源的調(diào)節(jié)能力。對于系統(tǒng)的無功功率，各個標準的規(guī)定大體相同:并網(wǎng)點的功率因數(shù)在某一范圍內(nèi)可調(diào)，并且可以在規(guī)定時問內(nèi)穿越這個無功功率范圍;對于容量特別小的DR系統(tǒng)，要求其功率因數(shù)固定即可。相比中壓標準，德國低壓標準對一定容量以上DR的無功能力要求更高，要求其在一0.9~0.9之間可調(diào)，這是因為DR并網(wǎng)對低壓配電網(wǎng)電壓影響更大，在不集中配置無功補償設備的前提下，需要考慮用DR的無功能力將并網(wǎng)點電壓調(diào)節(jié)到正常范圍。

此外，德國中低壓標準中還指出了DR系統(tǒng)在電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行時通過無功功率控制提供靜態(tài)電壓支撐的幾種方案，可供參考:

1)按恒定有功功率因數(shù)運行;

2)按指定的有功功率因數(shù)運行;

3)按指定的無功功率運行;

4)按指定的無功-電壓特性Q-U運行。

電網(wǎng)調(diào)度運行機構可以根據(jù)電網(wǎng)的具體情況，要求DR系統(tǒng)按上述某一方案運行，提供某一運行曲線或者目標設定值，但要保證功率因數(shù)在表4規(guī)定的范圍內(nèi)。對于光伏、風電等功率波動的電源，電網(wǎng)公司可以提供一條功率因數(shù)(有功)曲線;對于輸出有功功率恒定的電源，可以要求其以固定功率因數(shù)運行，某些情況下需采取補償措施;當電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性較差時，電網(wǎng)公司可以提供一條無功-電壓特性曲線。

對于光伏、風電等波動性可再生能源電源，當DR發(fā)出的有功功率較高時，會使并網(wǎng)點電壓升高，可以利用DR吸收部分無功功率來降低電網(wǎng)電壓;當DR發(fā)出的有功功率較低時，可以要求DR發(fā)出部分無功功率以支撐電網(wǎng)電壓。這樣，就在一定程度上緩解了波動性電源就地并網(wǎng)時帶來的電壓波動問題，在不集中安裝無功補償設備的情況下，很好地利用了DR的無功能力進行電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)，提高了電壓合格率。

故障穿越能力故障穿越能力主要包括低電壓穿越和高電壓穿越能力。低(高)電壓穿越是指，當電力系統(tǒng)事故或擾動引起分布式電源并網(wǎng)點電壓跌落(升高)時，在一定的電壓跌落(升高)范圍和時問問隔內(nèi)，分布式電源能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行的能力。目前，各項標準中均未提及高電壓穿越的要求。各項標準關于低壓穿越的要求詳見表So 各項標準中，只有德國中壓并網(wǎng)指南明確提出DR必須具備低電壓穿越能力，參與電網(wǎng)的動態(tài)支撐(適用于各種短路類型)。具體要求如下:在電網(wǎng)發(fā)生故障時，不從網(wǎng)絡斷開;在網(wǎng)絡故障情況下，通過向網(wǎng)絡注入無功電流支撐網(wǎng)絡電壓;在故障清除后，不向中壓電網(wǎng)吸收比故障發(fā)生前更多的感性無功電流。 當并網(wǎng)點電壓降到圖中曲線邊界以上，DR都要保持與網(wǎng)絡連接，當并網(wǎng)點電壓跌至圖中曲線以下時，DR可以從電網(wǎng)切出。

需要指出的是，在電網(wǎng)公司同意的前提下，加拿大C22.3N0.9標準也允許DR進行低電壓穿越，在這種情況下，保護動作的時問無效，經(jīng)電網(wǎng)公司和DR所有者協(xié)商后，用低電壓穿越要求代替電壓響應要求。

電能質(zhì)量各分布式電源并網(wǎng)標準對DR接入后所引起的公共連接點的電能質(zhì)量都做了約束，要求其滿足本國電能質(zhì)量相關標準的要求。涉及的電能質(zhì)量問題主要包括電壓偏差、電壓波動和閃變、諧波、電壓不平衡度、直流分量等。

并網(wǎng)與同步各分布式電源并網(wǎng)標準都要求只有當系統(tǒng)的電壓和頻率處于正常運行范圍且當分布式電源與電網(wǎng)的電壓相位、幅值、頻率偏差在一定范圍之內(nèi)時，才允許DR并網(wǎng)3。

此外，各標準還對電網(wǎng)故障恢復后DR的重新并網(wǎng)做了規(guī)定，要求除了滿足上述并網(wǎng)條件之外，DR的重新并網(wǎng)和系統(tǒng)的電壓、頻率恢復之問需要有個延時，具體延時時問在各個標準中存在著輕微的差異。

安全與保護各分布式電源并網(wǎng)標準都要求分布式電源的保護裝置應具備下列保護功能:高、低壓保護;過、欠頻保護等;保護的整定值和最大切除時問與頻率和電壓響應中的規(guī)定一致。此外，除了德國中壓并網(wǎng)指南以外，其他標準還要求分布式電源需具備防孤島保護。

發(fā)展趨勢分析及合理建議目前，IEEE等國際組織和北美、歐洲、亞洲的一些國家都針對各種類型的分布式電源并網(wǎng)制定了相關標準，這些標準大都針對接入中低壓電網(wǎng)且一定容量以下的DR并網(wǎng)所做出的要求，雖然不同組織和國家標準對各項要求的具體規(guī)定存在差異，但內(nèi)容上大體都包括以下幾部分:一般性要求、電能質(zhì)量、功率控制、電壓與頻率響應、并網(wǎng)與同步、安全與保護、計量、監(jiān)控與通信、檢測等。

通過對典型標準內(nèi)容的對比研究可以看出: 以IEEE 1547為代表的北美部分國家的標準和以德國中低壓并網(wǎng)指南為代表的歐洲部分國家的標準對DR在功率控制和故障穿越等方面的要求存 在著較大的差異。

IEEE 1547是最早制定的DR并網(wǎng)標準，當時DR在配電網(wǎng)中的裝機比例較低，IEEE 1547標準 是基于盡量減小DR對電網(wǎng)影響的控制思想制定 的，認為電網(wǎng)的頻率和電壓由大規(guī)模傳統(tǒng)電源調(diào) 節(jié)，不鼓勵DR參與電網(wǎng)的頻率和電壓調(diào)節(jié)，不允許DR向電網(wǎng)提供任何的輔助服務。當DR并網(wǎng)時， 要求其在單位功率因數(shù)附近運行，當電網(wǎng)發(fā)生擾 動時，要求其迅速從電網(wǎng)斷開，不允許DR具備故 障穿越能力。IEEE 1547標準頒布之后，獲得了眾 多國家(尤其是北美國家)的廣泛認可，許多國家的DR標準都是參照這種控制思想制定的。

近兒年來，德國、西班牙等歐洲國家由于能源短缺問題突出，環(huán)境保護意識較強，分布式電源發(fā)展迅速。在歐洲部分國家，隨著DR裝機容量的增長，DR已經(jīng)逐漸變成電網(wǎng)中不可忽略的一部分，如果繼續(xù)采取傳統(tǒng)的控制思想對DR進行控制，將對電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠運行帶來挑戰(zhàn)。歐洲國家逐漸意識到了這種挑戰(zhàn)，于是開始著手重新制修訂DR并網(wǎng)標準，如德國借鑒大規(guī)?？稍偕茉床⑷敫邏旱燃夒娋W(wǎng)的一些經(jīng)驗，在2008年發(fā)布的中壓并網(wǎng)指南中增加了故障響應(如低電壓穿越)和需求側響應(如有功無功控制)等方面的要求。目前，德國的DR并網(wǎng)標準中充分考慮了在分布式電源穿透率較高的情況下，DR支撐電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性的要求，要求分布式電源必須具有一定的有功控制能力參與電網(wǎng)的頻率支撐，允許分布式電源通過無功功率控制參與電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)，及必須具備一定的故障穿越能力支撐電網(wǎng)的穩(wěn)定運行等。

目前，從世界范圍來看，各個國家都出臺了一系列的政策鼓勵可再生能源的開發(fā)。隨著設備制造及通信、控制技術的提高，分布式電源的成本也在不斷下降，分布式電源發(fā)展勢頭良好[23-24]。從分布式電源的發(fā)展趨勢來看，隨著分布式電源在配電網(wǎng)中的裝機容量越來越大，使DR在配電網(wǎng)中繼續(xù)保持被動的角色已經(jīng)不合適，北美的標準需要在以下方面做出改進，逐步使DR在配電網(wǎng)中發(fā)揮更主動的角色;使DR參與支撐電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性;向歐洲標準靠攏。這些趨勢已經(jīng)在近來發(fā)布的加拿大標準協(xié)會(Canadian Standards Association CSA)標準C22.3中得到體現(xiàn)，如:在某些情況下已經(jīng)允許DR進行低電壓穿越和調(diào)節(jié)PCC點的電壓。美國也在不斷更新和補充白己的標準，如近年來，北美電力可靠性公司(North American Electric Reliability Corporation NERC)和IEEE工作組成員提出由于IEEE 1547標準缺乏故障穿越能力等方面的要求，需要重新修訂，即將完成的IEEE 1547.7和IEEE1547.8意圖填補IEEE 1547沒有考慮高DR穿透率的空白，提供DR對電網(wǎng)的影響等方面的研究，為IEEE 1547標準做補充。

在具有統(tǒng)一約束力的國際標準的制定過程中要充分考慮這一因素。

相比發(fā)達國家，國內(nèi)分布式電源和微電網(wǎng)的發(fā)展較為落后，標準體系還不完善。已發(fā)布的標準大多是企業(yè)標準，約束力較低，今后DR標準還面臨著嚴峻的制訂和修訂工作?！笆晃濉逼陂g，國內(nèi)分布式發(fā)電和微電網(wǎng)技術發(fā)展迅速，已建設了多個分布式電源和微電網(wǎng)示范工程。除此之外，2011年，國家能源局先后下發(fā)了《分布式發(fā)電管理辦法》和《國能新能[2011] 226號關于分散式接入風電開發(fā)的通知》，鼓勵分布式發(fā)電的發(fā)展。在技術和政策的雙重激勵下，國內(nèi)的分布式電源在未來兒年內(nèi)也會得到迅速發(fā)展。建議國內(nèi)在制定DR標準時，借鑒北美和歐洲標準的發(fā)展歷程，充分考慮未來兒年的發(fā)展趨勢，促進分布式電源的合理有序發(fā)展。