分布式電源的并網標準及發展范文

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《電器與能效管理技術雜志》2016年第17期

摘要:

近年來，分布式電源和微電網的應用推動了分布式電源并網標準的發展。介紹了國內外主要分布式電源并網標準，并從接網原則、有功控制和頻率響應、無功控制和電壓調節、故障穿越能力、電能質量以及保護與孤島運行等幾個方面進行對比，指明其主要差異。最后，分析了分布式電源并網標準的發展趨勢。為國內制、修訂相關的并網標準提供了有益的參考。

關鍵詞:

分布式電源;微電網;并網;標準;故障穿越;電能質量;孤島運行

0引言

近年來，能源需求和環境保護促進了分布式電源和微電網的發展。分布式電源是指位于負荷附近，裝機規模較小(容量在幾千瓦到50MW)，就近接入中低壓配電網的電源，包括分布式發電和儲能。根據一次能源的利用形式劃分，DR主要分為燃氣輪機、內燃機、燃料電池等利用清潔能源發電的單元和光伏、風電、水電、生物質能等利用可再生能源發電的單元;根據與電網的接口類型劃分，DR主要分為以同步電機和異步電機等旋轉電機并網的發電單元和通用變流器并網的發電單元兩類。微電網(Microgrid，MG)是一種由DR、ES、能量轉換裝置、監控、保護裝置和負荷共同組成的小型系統，是一個能夠實現自我控制、保護和能量管理的自治系統，既可并網運行，也可孤網運行。MG的并網標準一般可以歸結為DR的并網標準，雖然有其特點，但本文不做專門論述。開發DG可以充分利用以分布形式廣泛存在的可再生能源，提高能源利用效率，節能減排。DR和MG就近并入中低壓配電網，可以降低線路損耗，改善電網末端電能質量，緩解用電壓力，提高電網抗災能力，保證對重要用戶的可靠供電。獨立型MG還可以解決偏遠內陸或海島地區的用電問題。但是DR或MG并入配電網會對電網的運行、控制和保護等帶來一系列的影響。為此，必須制定統一的并網標準來規范電網對DR的要求，保證系統的安全可靠和高質量運行［1］。本文對國內外DR和MG并網標準的現狀進行介紹:選取北美、歐洲和中國具有代表性的DR并網標準，重點針對差異比較大的接網原則、有功和頻率響應、無功控制和電壓調節、故障穿越等幾個方面進行了對比。

1國內外DR并網標準介紹

1．1國際組織標準

(1)IEEE1547系列標準［2］。IEEE1547標準是最早的針對分布式電源并網的標準，于2003年由美國電氣與電子工程師協會正式出版。IEEE1547適用于任何發電技術的DR，已經擴展成系列標準，包括測試、監測、信息交流和控制等內容。例如IEEE1547．1為DR與電力系統互聯一致性測試程序;IEEE1547．2為DR與電力系統互聯標準;IEEE1547．3為DR與電力系統互聯的監測、信息交換和控制指南，等。

(2)IEC/IEEE/PAS63547—2011DR與電力系統的互聯標準。由IEEE1547標準轉化而來，以國際電工委員會公共可用規范文件的形式，內容與IEEE1547大體相同。

1．2部分國家標準

(1)英國。英國BSEN50438:2007標準針對的微電源為接入230、400V配電網單相電流不超過16A的分散電源;英國嵌入式發電廠接入公共配電網標準是由電力協會制定的G59/1和G75/1工程推薦標準。G59/1標準適用于接入20kV及以下配電網，且容量不超過5MW的小型電源;G75/1標準適用于接入20kV以上電壓等級配電網，且容量大于5MW的電源并網。此外，ERG83/1為單相16A以下小規模嵌入式發電設備接入公共低壓配電系統標準。

(2)德國。德國先后于2008年1月和2011年8月了發電廠接入中壓電網并網指南和發電系統接入低壓配電網并網指南。這兩項指南都考慮了可再生能源發電的接入，適用于風電、水電、聯合發電系統(如生物質能、沼氣或者天然氣火力發電系統)、光伏發電系統等一切通過同步電機、異步電機或變流器接入中低壓電網的發電系統。此外，德國還DINEN50438—2008，與公共低壓配電網并聯運行的微型發電機的連接要求。

(3)加拿大。加拿大目前有2個主要的互聯標準，包括C22．2No．257基于逆變器的微電源配電網互聯標準和C22．3No．9分布式電力供應系統互聯標準，其中C22．2No．257標準規定了基于逆變器的分布式電源與0．6kV以下的低壓配電網互聯要求，C22．3No．9適用于接入50kV以下配電網、并網容量不超過10MW的DR。

(4)中國。國家電網公司先后于2010年和2011年了Q/GDW480—2010《分布式電源接入電網技術規定》［3］、Q/GDW666—2011《分布式電源接入配電網測試技術規范》、Q/GDW667—2011《分布式電源接入配電網運行控制規范》和Q/GDW677—2011《分布式電源接入配電網監控系統功能規范》等4項企業標準。其中Q/GDW480—2010標準適用于國家電網公司經營區域內以同步電機、感應電機、變流器等形式接入35kV及以下電壓等級電網的DR，后3項標準適用于國家電網公司經營區域內以同步電機、感應電機、變流器形式接入10kV及以下電壓等級配電網的DR。除了針對各種類型DR的統一標準外，國內也了一些針對具體DR形式的并網標準，如GB/T19963《風電場接入電力系統技術規定》，Q/GDW617《光伏電站接入電網技術規定》。

2國內外DR并網標準對比

2．1接網原則

從內容上看，大多數DR并網標準都包括接網原則、功率控制、電壓調節與頻率響應、電能質量、并網與同步、安全與保護、計量、監控與通信、檢測等幾個方面的要求。下面重點針對接網原則、功率和電能質量控制以及電網支撐(主要指故障穿越能力)等要求差異較大的方面對已有國內外標準進行對比［4］。IEEE1547和德國中低壓并網指南均通過限制DR接入后公共連接點最大電壓變化的方式對DR的并網容量進行了約束。其中，IEEE1547標準要求DR在公共連接點(PointsofCommonConnection，PCC)產生的電壓波動不大于5%標稱電壓，德國中壓并網指南規定網絡中每個PCC的電壓幅值變化跟沒有連接DR時相比不能超過2%，低壓并網指南要求不得超過3%。跟其他標準的規定方式不同，中國Q/GDW480—2010標準沒有直接規定DG接入后引起的電壓變化范圍，但是對DR的接入容量、接入電壓等級做了具體規定，具體要求:①DR總容量原則上不宜超過上一級變壓器供電區域內最大負荷的25%;②DR并網點的短路電流與DR額定電流之比不宜低于10;③DR接入電壓等級宜按照200kW及以下DR接380V電壓等級電網，200kW以上DR接入10kV(6kV)及以上電壓等級電網。

2．2有功控制和頻率響應

IEEE1547和加拿大C22．3No．9標準都沒有關于支撐電網頻率的有功功率控制方面的要求，認為系統頻率由大電網調節，且當系統頻率超過正常范圍時，DR系統需要在規定的時間內切除，停止向電網供電。與北美的標準不同，德國中低壓并網標準對DR系統的有功功率控制進行了詳細規定，明確提出DR系統需根據電網頻率值、電網調度指令等信號調節電源的有功功率輸出，具體規定如圖1所示。其他參數的具體數值如表1所示。由圖1可知:①DR須具備根據調度指令限制其有功功率輸出的能力，并能夠最大以額定有功功率的10%逐步降低其功率輸出;②當fNet≤f1或者fNet≥f4時，DR需要從電網斷開(注:fNet為系統頻率);③當f1＜fNet≤f3時，DR保持聯網運行，對其輸出功率未作要求;④當f3＜fNet≤f4時，功率可調的DR系統必須以40%PM/Hz的速率減小(頻率上升時)或增加(頻率降低時)其有功輸出，功率不可調的DR系統允許從電網斷開;⑤只有當系統頻率降低到50．05Hz以下時，才允許DR的有功輸出繼續增長。我國Q/GDW480—2010標準將適用范圍內的電源分為兩類:10kV(6kV)～35kV電壓等級并網和380V電壓等級并網的DR。對于380V電壓等級并網的小容量DR，其對電網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-頻率調節與無功-電壓調節方面的要求較為寬松，一般不要求其參與電網調節。與德國標準的規定類似，本標準對通過10kV(6kV)～35kV電壓等級并網的DR也提出了根據電網頻率值、電網調度機構指令等信號調節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調度機構的給定值，具體的頻率響應要求如表2所示，但未給出確定的有功功率控制速率。

2．3無功控制和電壓調節

IEEE1547標準不鼓勵DG參與電壓調節，對DR運行的功率因數未作規定。對于異常電壓響應，此標準要求DR在規定的時間內斷開。這一要求在其他各項標準中均有體現，不再贅述。與IEEE1547標準不同，在電網公司許可的前提下，加拿大C22．3No．9標準允許DR參與PCC點的電壓調壓。對于30kW以上的DR要求功率因數在－0．9～+0．9之間可調，30kW以下的DR允許以這個范圍內的某一固定功率因數運行。對配電網電壓可能產生影響的系統需要采取一些措施，如動態功率因數方法等。德國中壓并網標準規定，如果網絡運營商要求或者為了滿足網絡要求，發電廠必須參與中壓網絡的穩態電壓控制。但是在低壓并網標準中的要求較為緩和，未作強制規定:如果由于網絡運行工況需要，網絡運營商可以要求在低壓配電網中的DG參與靜態電壓調節。由于同步電機類型、異步電機類型和變流器類型DR的無功調節能力和調節方式不一致，我國Q/GDW480—2010標準分別對它們提出了不同的要求，要求通過10kV(6kV)～35kV電壓等級并網的同步發電機和變流器類型DR應該能夠利用無功功率控制參與并網點電壓調節，對其他DR未作要求。其功率因數的范圍也考慮到了各類型DR的調節能力。各個標準是否允許DR參與PCC點電壓調節的要求如表3所示。對于系統的無功功率，各個標準的規定大體相同:并網點的功率因數在某一范圍內可調，并且可以在規定時間內穿越這個無功功率范圍;對于容量特別小的DR系統，要求其功率因數固定即可。具體標準規定的數值如表4所示。由表4可以看出，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－0．9～+0．9之間可調，這是因為DR并網對低壓配電網電壓影響更大，在不集中配置無功補償設備的前提下，需要考慮用DR的無功能力將并網點電壓調節到正常范圍。對于光伏、風電等功率波動的電源，電網公司可以提供一條功率因數(有功)曲線cosφ－P，如圖2所示。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運行，某些情況下需采取補償措施;當電網的電壓穩定性較差時，電網公司可以提供一條無功-電壓特性曲線。圖2中，曲線1和曲線2分別是德國中低壓并網標準中建議的cosφ－P曲線。對于光伏、風電等波動性可再生能源電源，當DR發出的有功功率較高時，會使并網點電壓升高，可以利用DR吸收部分無功功率來降低電網電壓;當DR發出的有功功率較低時，可以要求DR發出部分無功功率以支撐電網電壓。這樣，就在一定程度上緩解了波動性電源就地并網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電壓調節，提高了電壓合格率。

2．4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，當電力系統事故或擾動引起DR并網點電壓暫降(暫升)時，在一定的幅值范圍和時間間隔內，DR能夠保證不脫網連續運行的能力。目前，各項標準中均未提及高電壓穿越的要求。各項標準關于低電壓穿越的要求如表5所示。各項標準中，只有德國中壓并網指南明確提出DR必須具備低電壓穿越能力，參與電網的動態支撐(適用于各種短路類型)，如圖3所示。具體要求如下:在電網發生故障時，不從網絡斷開;在網絡故障情況下，通過向網絡注入無功電流支撐網絡電壓;在故障清除后，不向中壓電網吸收比故障發生前更多的感性無功電流。圖3中，當并網點電壓降到圖中曲線邊界以上，DR都要保持與網絡連接，當并網點電壓跌至圖中曲線以下時，DR可以從電網切出。曲線1適合于直接和電網相連的同步發電機類DR(只通過發電機變壓器);曲線2適用于其他類型的DR，包括通過變流器和異步電機并網的DR。需要指出的是，在電網公司同意的前提下，加拿大C22．3No．9標準也允許DR進行低電壓穿越。在這種情況下，保持動作的時間無效，經電網公司和DR所有者協商后，用低電壓穿越要求代替電壓響應要求。

2．5電能質量

各DR并網標準對DR接入后所引起的公共連接點的電能質量都做了約束，要求其滿足本國電能質量相關標準的要求。涉及的電能質量問題，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。從IEEE1547對諧波的要求來看，DR注入的直流電流不應大于DR接入點總額定輸出電流的0．5%。DR不應在地方配電網的其他用戶中引起有害閃變，否則，應配置失步保護。DR注入地方配電網的諧波電流不應大于限值。從國網以及國內的行業標準來看，電能質量主要以電網對電能質量的幾個標準為參照指標，規定均是DR并入后PCC的電能質量不能超出相關的國家標準［8］。

2．6保護與孤島運行

各DR并網標準都要求DR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間與頻率和電壓響應中的規定一致。此外，除了德國中壓并網指南以外，其他標準還要求DR需具備防孤島保護。作為孤島運行的出現，往往會給系統運行造成不可預知的危險，如孤島中電壓與頻率無法控制、孤島可能對檢修人員的安全造成威脅。為了保障孤島時用電以及檢修的安全，幾乎所有的國內外標準都有要求。從國外標準來看，當主電網失電，DR在計劃孤島時，在有限時間內必須斷開。IEEE929和IEEE1547都規定，逆變器在孤島條件下應在10個周波條件下停止供電。其中IEEE1547則明確規定，對于DR通過PCC給區域電力系統的一部分供電的計劃外的孤島，DR并網系統應檢測這個孤島并且應在孤島形成的2s內停止供電。從國內的標準來看，國家電網的企標規定“同步電機、異步電機類型DR，無需專門設置孤島保護，但DR切除時間應與線路保護相配合，以避免非同期合閘”。變流器類型DR必須具備快速監測孤島且監測到孤島后立即斷開與電網連接的能力。其防孤島保護應與電網側線路保護相配合。變流器的防孤島控制有主動式和被動式兩種:主動防孤島保護方式主要有頻率偏離、有功功率變動、無功功率變動、電流脈沖注入引起阻抗變動等判斷準則;被動防孤島保護方式主要有電壓相位跳動、3次電壓諧波脈動、頻率變化率等判斷準則。作為計劃性孤島，則往往在微電網的標準中而不在常規的DR并網標準中予以規定。

3發展趨勢

通過對典型標準內容的對比研究可以看出:以IEEE1547為代表的北美國家的標準和以德國中低壓并網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。近幾年來，德國、西班牙等歐洲國家由于能源短缺問題突出，環境保護意識較強，DR發展迅速。在歐洲部分國家，隨著DR裝機容量的增長，DR已經逐漸變成電網中不可忽略的一部分，如果繼續采取傳統的控制思想對DR進行控制，將對電網的穩定性和可靠運行帶來挑戰。歐洲國家逐漸意識到了這種挑戰，于是開始著手重新制修訂DR并網標準。目前，德國的DR并網標準中充分考慮了在DR穿透率較高的情況下，DR支撐電網的可靠性和穩定性的要求，要求DR必須具有一定的有功控制能力參與電網的頻率支撐，允許DR通過無功功率控制參與電網電壓調節，以及必須具備一定的故障穿越能力支撐電網的穩定運行等。從世界范圍看來，各個國家都出臺了一系列的政策鼓勵可再生能源的開發。隨著設備制造及通信、控制技術的提高，DR的成本也在不斷下降，DR發展勢頭良好。從DR的發展趨勢來看，隨著DR在配電網中的裝機容量越來越大，使DR在配電網中繼續保持被動的角色已經不合適。這個趨勢已經在近來的加拿大標準協會(CanadianStandardsAssociation，CSA)標準C22．3中得到體現，如:在某些情況下已經允許DR進行低電壓穿越和調節PCC點的電壓。美國也在不斷更新和補充自己的標準，如近年來，北美電力可靠性公司(NorthAmericanElectricReliabilityCorporation，NERC)和IEEE工作組成員提出由于IEEE1547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IEEE1547．7和IEEE1547．8意圖填補IEEE1547沒有考慮高DR穿透率的空白，提供DR對電網的影響等方面的研究，為IEEE1547標準修訂做補充。相比發達國家，國內DR和MG的發展較為落后，標準體系還不完善，已的標準大多是企業標準，約束力較低，今后DR標準還面臨著嚴峻的制定和修訂工作。國內的DR在未來幾年內也會得到迅速發展。國內在制定DR標準時，應借鑒北美和歐洲標準的發展歷程，充分考慮未來幾年的發展趨勢，促進DR的合理有序發展。

4結語

伴隨電力需求的快速增長和世界能源危機的加劇，調整能源結構、提高能源利用率、改善能源安全、解決環境污染已經成為我國能源戰略的重點。DR作為一種新型能源供應模式，以其節能、經濟、環保和可靠等優勢，在我國有廣泛的發展前景。本文介紹了國內外主要DR并網標準，并從接網原則、功率控制、頻率響應、電壓調節、電能質量以及保護與孤島運行等幾個方面進行對比，分析指出了DR并網標準的發展趨勢，可供有關專業人員參考。

參考文獻：

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［4］薛迎成，邰能靈．國際上分布式電源的互聯標準介紹［J］．南方電網技術，2008，2(6):1-17．

［8］王路，陳志剛．分布式電源并網標準簡述［C］∥第七屆電能質量研討會論文集，2014:54-57．

作者:林海雪 單位:中國電力科學研究院