[科普中国]-分布式电源并网标准

简介

近年来，能源需求和环境保护促进了分布式电源和微电网的发展。分布式电源(distributed resources DR)是指位于负荷附近，装机规模较小，就近接入中低压配电网的电源，包括分布式发电(distributed generation DG)和储能(energy storageES)。根据一次能源的利用形式划分，DR主要分为燃气轮机、内燃机等利用清洁能源发电的单元和光伏、风电、水电、生物质能等利用可再生能源发电的单元;根据与电网的接口类型划分，DR主要分为以同步电机和异步电机等旋转电机并网的发电单元和通过变流器并网的发电单元两类。

微电网(microgrid)是一种由分布式电源、储能和负荷共同组成的小型低压系统，可以通过适当的控制手段实现网络内部的电力电量平衡，既可并网运行，也可孤网运行。

开发分布式发电可以充分利用以分布式形式广泛存在的可再生能源，提高能源利用效率，节能减排。分布式电源和微电网就近并入低压配电网，可以降低线路损耗，改善电网末端电能质量，缓解用电压力，提高电网抗灾能力，保证对重要用户的可靠供电。独立型微电网还可以解决偏远内陆或海岛地区的用电问题。但是DR或微电网并入配电网会对电网的运行、控制和保护等带来一系列的影响。为此，必须制定统一的并网标准来规范电网对分布式电源的要求，保证系统的安全可靠运行。

目前，国内外已经出台了一系列的DR并网标准，如IEEE 1547系列标准，英国G59/1和G75/1工程推荐标准，加拿大C22.2N0.257标准等。但是，各个国家和组织的标准存在着一定的差异，国际上还缺乏具有统一约束力的DR并网标准，并且部分标准老化滞后。同时，我国DR的相关技术标准也不完善。近年来，由于设备制造能力及通信、控制等技术水平的提高，分布式电源发展迅速，装机容量不断增加，DG并网标准面临着迫切的制修订需求。在这种背景下，对已有的DR并网标准进行研究，探讨国际和国内标准的发展方向尤为重要。

对DG与电网的互联标准作过介绍。仅针对2009年之前发布的标准，从总体要求、电能质量和保护3个方面进行了简单的对比2。

国际组织标准1) IEEE 1547系列标准。IEEE 1547标准是最早发布的针对分布式电源并网的标准，于2003年由美国电气与电子工程师协会(Institute of Electricaland Electronics Engineers IEEE)正式出版。IEEE 1547适用于任何发电技术的DR，已经扩展成系列标准包括测试、监测、信息交流和控制等内容。

2 ) IEC/IEEE/PAS 63547-2011分布式电源与电力系统的互联标准。由IEEE 1547标准转化而来，在转化成IEC标准的过程中失败，于是转而以国际电工委员会(International Electro technicalCommission } IEC)公共可用规范(publicly availablespecification PAS)文件的形式发布，内容与IEEE1547大体相同2。

部分国家标准1)英国。英国目前主要有BS EN50438:2007微型发电设备接入低压配电网技术要求和嵌入式发电厂接入公共配电网标准。其中英国BSEN50438:2007标准针对的微电源为接入230,400 V配电网单相电流不超过16A的分散电源;英国嵌入式发电厂接入公共配电网标准是由电力协会制定的G59/1和G75/1 I程推荐标准 G59/1标准适用于接入20 kV以下配电网，且容量不超过5 MW的小型电源并网，G75/1标准适用于接入20 kV以上电压等级配电网，且容量大于SMW的电源并网。此外，ER 683/1为单相16A以下小规模嵌入式发电设备接入公共低压配电系统标准3。

2)德国。德国先后于2008年1月和2011年8月发布了发电厂接入中压电网并网指和发电系统接入低压配电网并网指南这两项指南都考虑了可再生能源发电的接入，适用于风电、水电、联合发电系统(如生物质能、沼气或者天然气火力发电系统等)、光伏发电系统等一切通过同步电机、异步电机或变流器接入中低压电网的发电系统。此外，德国还发布了DIN EN 50438-2008，与公共低压配电网并联运行的微型发电机的连接要求。

3)加拿大。加拿大目前有2个主要的互联标准，包括C22.2N0.257基于逆变器的微电源配电网互联标准[4]和C22.3N0.9分布式电力供应系统互联标准}s}，其中C22.2N0.257标准规定了基于逆变器的分布式电源与0.6 kV以下的低压配电网互联要求，C22.3N0.9适用于接入50 kV以下配电网、并网容量不超过10 MW的分布式电源。

4)中国。国家电网公司先后于2010年和2011年发布了Q/GDW 480-2010分布式电源接入电网技术规定、Q/GDW 666-2011分布式电源接入配电网测试技术规范、Q/GDW 667-2011分布式电源接入配电网运行控制规范和Q/GDW 677-2011分布式电源接入配电网监控系统功能规范等4项企业标准}。其中Q/GDW 480-2010标准适用于国家电网公司经营区域内以同步电机、感应电机、变流器等形式接入35 kV及以下电压等级电网的分布式电源，后3项标准适用于国家电网公司经营区域内以同步电机、感应电机、变流器形式接入10 kV及以下电压等级配电网的分布式电源。

除了针对各种类型分布式电源的统一标准外，IEC和许多国家也发布了一些针对具体分布式电源形式的并网标准，如风电并网准则。

选取IEEE1547、加拿大C22.3N0.9、德国中压和低压并网指南、中国Q/GDW 480-2010标准为代表来对已有的DR并网标准进行对比研究。

国内外分布式电源并网标准对比一般性要求和接入原则从内容上看，大多数DR并网标准都包括总体要求、电能质量、功率控制、电压与频率响应、并网与同步、安全与保护、计量、监控与通信、检测等儿个方面的要求。本文重点针对功率控制和电网支撑(主要指故障穿越能力)等要求差异较大的方面对已有国内外标准进行对比研究2。

IEEE 1547和德国中低压并网指南均通过限制DR接入后公共连接点最大电压变化的方式对DR的并网容量进行了约束。其中，IEEE 1547标准要求DR在公共连接点(points of common connectionPCC)点产生的电压波动不应大于士5%额定电压，德国中压并网指南规定网络中每个公共连接点的电压幅值变化跟没有连接DR时相比不能超过2%；低压并网指南要求不得超过3%。

跟其他标准的规定方式不同，中国Q/GDW480-2010标准没有直接规定DG接入后引起的电压变化范围，但是对分布式电源的接入容量、接入电压等级做了具体规定，具体要求如下:1)分布式电源总容量原则上不宜超过上一级变压器供电区域内最大负荷的25%; 2)分布式电源并网点的短路电流与分布式电源额定电流之比不宜低于10; 3)分布式电源接入电压等级宜按照200 kW及以下分布式电源接380 V电压等级电网;200 kW以上分布式电源接入10 kV(6 kV)及以上电压等级电网。

有功控制和频率响应IEEE 1547和加拿大C22.3N0.9标准都没有关于支撑电网频率的有功功率控制方面的要求，认为系统频率由大电网调节，且当系统频率超过正常范围时，DR系统需要在规定的时问内切除，停止向电网供电。

和北美的标准不同，德国中低压并网标准对DR系统的有功功率控制进行了详细规定，明确提出DR系统需根据电网频率值、电网调度指令等信号调节电源的有功功率输出。

1) DR须具备根据调度指令限制其有功功率输 我国Q/GDW 480-2010标准将适用范围内的电源分为两类:10 kV(6 kV卜35 kV电压等级并网和380 V电压等级并网的DR。对于380 V电压等级并网的小容量DR，其对电网的影响和支撑非常有限，考虑到成本等各方面的因素，本标准对其在有功一频率调节与无功一电压调节方面的要求较为宽松，一般不要求其参与电网调节。与德国标准的规定类似，本标准对通过10 kV、6 kV、35 kV电压等级并网的 DR也提出了根据电网频率值、电网调度机构指令等信号调节电源有功功率的要求，确保DR最大输出功率及功率变化率不超过电网调度机构的给定值，但未给出确定的有功功率控制速率。

无功控制和电压调节IEEE 1547标准不鼓励DG参与电压调节，DR运行的功率因数未作规定。对于异常电压响应，此标准要求DR在规定的时问内断开，这一要求在其他各项标准中均有体现。

与IEEE 1547标准不同，在电网公司许可的前提下，加拿大C22.3N0.9标准允许DR参与PCC点的电压调节。对于30 kW以上的DR要求功率因数在-0.9~0.9之间可调，30 kW以下的DR允许以这个范围内的某一固定功率因数运行。对配电网电压可能产生影响的系统需要采取一些措施，如动态功率因数方案等3。

德国中压并网标准规定，如果网络运营商要求或者为了满足网络要求，发电厂必须参与中压网络的稳态电压控制。但是在低压并网标准中的要求较为缓和，未作强制规定:如果由于网络运行工况需要，网络运营商可以要求在低压配电网中DG参与静态电压调节。

由于同步电机类型、异步电机类型和变流器类型DR的无功调节能力和调节方式不一致，我国Q/GDW 480-2010标准分别对它们提出了不同的要求，要求通过10 kV (6 kV卜35 kV电压等级并网的同步发电机和变流器类型DR应该能够利用无功功率控制参与并网点电压调节，对其他DR未作要求。其功率因数的范围也考虑到了各类型分布式电源的调节能力。对于系统的无功功率，各个标准的规定大体相同:并网点的功率因数在某一范围内可调，并且可以在规定时问内穿越这个无功功率范围;对于容量特别小的DR系统，要求其功率因数固定即可。相比中压标准，德国低压标准对一定容量以上DR的无功能力要求更高，要求其在一0.9~0.9之间可调，这是因为DR并网对低压配电网电压影响更大，在不集中配置无功补偿设备的前提下，需要考虑用DR的无功能力将并网点电压调节到正常范围。

此外，德国中低压标准中还指出了DR系统在电网稳态运行时通过无功功率控制提供静态电压支撑的几种方案，可供参考:

1)按恒定有功功率因数运行;

2)按指定的有功功率因数运行;

3)按指定的无功功率运行;

4)按指定的无功-电压特性Q-U运行。

电网调度运行机构可以根据电网的具体情况，要求DR系统按上述某一方案运行，提供某一运行曲线或者目标设定值，但要保证功率因数在表4规定的范围内。对于光伏、风电等功率波动的电源，电网公司可以提供一条功率因数(有功)曲线;对于输出有功功率恒定的电源，可以要求其以固定功率因数运行，某些情况下需采取补偿措施;当电网的电压稳定性较差时，电网公司可以提供一条无功-电压特性曲线。

对于光伏、风电等波动性可再生能源电源，当DR发出的有功功率较高时，会使并网点电压升高，可以利用DR吸收部分无功功率来降低电网电压;当DR发出的有功功率较低时，可以要求DR发出部分无功功率以支撑电网电压。这样，就在一定程度上缓解了波动性电源就地并网时带来的电压波动问题，在不集中安装无功补偿设备的情况下，很好地利用了DR的无功能力进行电网电压调节，提高了电压合格率。

故障穿越能力故障穿越能力主要包括低电压穿越和高电压穿越能力。低(高)电压穿越是指，当电力系统事故或扰动引起分布式电源并网点电压跌落(升高)时，在一定的电压跌落(升高)范围和时问问隔内，分布式电源能够保证不脱网连续运行的能力。目前，各项标准中均未提及高电压穿越的要求。各项标准关于低压穿越的要求详见表So 各项标准中，只有德国中压并网指南明确提出DR必须具备低电压穿越能力，参与电网的动态支撑(适用于各种短路类型)。具体要求如下:在电网发生故障时，不从网络断开;在网络故障情况下，通过向网络注入无功电流支撑网络电压;在故障清除后，不向中压电网吸收比故障发生前更多的感性无功电流。 当并网点电压降到图中曲线边界以上，DR都要保持与网络连接，当并网点电压跌至图中曲线以下时，DR可以从电网切出。

需要指出的是，在电网公司同意的前提下，加拿大C22.3N0.9标准也允许DR进行低电压穿越，在这种情况下，保护动作的时问无效，经电网公司和DR所有者协商后，用低电压穿越要求代替电压响应要求。

电能质量各分布式电源并网标准对DR接入后所引起的公共连接点的电能质量都做了约束，要求其满足本国电能质量相关标准的要求。涉及的电能质量问题主要包括电压偏差、电压波动和闪变、谐波、电压不平衡度、直流分量等。

并网与同步各分布式电源并网标准都要求只有当系统的电压和频率处于正常运行范围且当分布式电源与电网的电压相位、幅值、频率偏差在一定范围之内时，才允许DR并网3。

此外，各标准还对电网故障恢复后DR的重新并网做了规定，要求除了满足上述并网条件之外，DR的重新并网和系统的电压、频率恢复之问需要有个延时，具体延时时问在各个标准中存在着轻微的差异。

安全与保护各分布式电源并网标准都要求分布式电源的保护装置应具备下列保护功能:高、低压保护;过、欠频保护等;保护的整定值和最大切除时问与频率和电压响应中的规定一致。此外，除了德国中压并网指南以外，其他标准还要求分布式电源需具备防孤岛保护。

发展趋势分析及合理建议目前，IEEE等国际组织和北美、欧洲、亚洲的一些国家都针对各种类型的分布式电源并网制定了相关标准，这些标准大都针对接入中低压电网且一定容量以下的DR并网所做出的要求，虽然不同组织和国家标准对各项要求的具体规定存在差异，但内容上大体都包括以下几部分:一般性要求、电能质量、功率控制、电压与频率响应、并网与同步、安全与保护、计量、监控与通信、检测等。

通过对典型标准内容的对比研究可以看出: 以IEEE 1547为代表的北美部分国家的标准和以德国中低压并网指南为代表的欧洲部分国家的标准对DR在功率控制和故障穿越等方面的要求存 在着较大的差异。

IEEE 1547是最早制定的DR并网标准，当时DR在配电网中的装机比例较低，IEEE 1547标准 是基于尽量减小DR对电网影响的控制思想制定 的，认为电网的频率和电压由大规模传统电源调 节，不鼓励DR参与电网的频率和电压调节，不允许DR向电网提供任何的辅助服务。当DR并网时， 要求其在单位功率因数附近运行，当电网发生扰 动时，要求其迅速从电网断开，不允许DR具备故 障穿越能力。IEEE 1547标准颁布之后，获得了众 多国家(尤其是北美国家)的广泛认可，许多国家的DR标准都是参照这种控制思想制定的。

近儿年来，德国、西班牙等欧洲国家由于能源短缺问题突出，环境保护意识较强，分布式电源发展迅速。在欧洲部分国家，随着DR装机容量的增长，DR已经逐渐变成电网中不可忽略的一部分，如果继续采取传统的控制思想对DR进行控制，将对电网的稳定性和可靠运行带来挑战。欧洲国家逐渐意识到了这种挑战，于是开始着手重新制修订DR并网标准，如德国借鉴大规模可再生能源并入高压等级电网的一些经验，在2008年发布的中压并网指南中增加了故障响应(如低电压穿越)和需求侧响应(如有功无功控制)等方面的要求。目前，德国的DR并网标准中充分考虑了在分布式电源穿透率较高的情况下，DR支撑电网的可靠性和稳定性的要求，要求分布式电源必须具有一定的有功控制能力参与电网的频率支撑，允许分布式电源通过无功功率控制参与电网电压调节，及必须具备一定的故障穿越能力支撑电网的稳定运行等。

目前，从世界范围来看，各个国家都出台了一系列的政策鼓励可再生能源的开发。随着设备制造及通信、控制技术的提高，分布式电源的成本也在不断下降，分布式电源发展势头良好[23-24]。从分布式电源的发展趋势来看，随着分布式电源在配电网中的装机容量越来越大，使DR在配电网中继续保持被动的角色已经不合适，北美的标准需要在以下方面做出改进，逐步使DR在配电网中发挥更主动的角色;使DR参与支撑电网的可靠性和稳定性;向欧洲标准靠拢。这些趋势已经在近来发布的加拿大标准协会(Canadian Standards Association CSA)标准C22.3中得到体现，如:在某些情况下已经允许DR进行低电压穿越和调节PCC点的电压。美国也在不断更新和补充白己的标准，如近年来，北美电力可靠性公司(North American Electric Reliability Corporation NERC)和IEEE工作组成员提出由于IEEE 1547标准缺乏故障穿越能力等方面的要求，需要重新修订，即将完成的IEEE 1547.7和IEEE1547.8意图填补IEEE 1547没有考虑高DR穿透率的空白，提供DR对电网的影响等方面的研究，为IEEE 1547标准做补充。

在具有统一约束力的国际标准的制定过程中要充分考虑这一因素。

相比发达国家，国内分布式电源和微电网的发展较为落后，标准体系还不完善。已发布的标准大多是企业标准，约束力较低，今后DR标准还面临着严峻的制订和修订工作。“十一五”期间，国内分布式发电和微电网技术发展迅速，已建设了多个分布式电源和微电网示范工程。除此之外，2011年，国家能源局先后下发了《分布式发电管理办法》和《国能新能[2011] 226号关于分散式接入风电开发的通知》，鼓励分布式发电的发展。在技术和政策的双重激励下，国内的分布式电源在未来儿年内也会得到迅速发展。建议国内在制定DR标准时，借鉴北美和欧洲标准的发展历程，充分考虑未来儿年的发展趋势，促进分布式电源的合理有序发展。