[科普中国]-分布式电源接纳能力及提升方法

背景

随着风电、光伏发电和小型燃气机组技术的日趋成熟，分布式电源(DG)迎来了巨大的发展机遇。DG的并网运行改变了配电网原有的辐射式的状态，导致配电网中故障电流、潮流流向、电压波动等发生变化，对配电网继电保护装置的正确动作造成了严重影响。为了保证大电网的可靠运行，目前各国配电网运营商都针对自己地区特点采用不同的分布式电源互联标准，来降低分布式电网并网所带来的负面影响。因此这些标准也成为了判定配电网对分布式电源接纳能力的准则。

分布式电源一般是指接近负荷、装机容量小、接入中低压配电网的小型电源，包括分布式电源和储能。分布式发电装置根据利用一次能源的形式不同，可分为热电冷联产发电、内燃机组发电、燃气轮机发电等利用清洁能源发电的单元和小型水电、风电、光伏发电、生物质能等利用可再生能源发电的单元。合理的分布式发电容量可以增加配电网的可靠性，降低线路损耗，支撑电压和改进负荷功率因数等，但分布式电源无限度地接入系统也会影响电力系统的安全运行。因此随着分布式电源的进一步发展，给定配电网接纳分布式电源的容量己成为电网规划和运行过程中十分关心的问题。

根据配电网运行的不同约束条件，分布式电源准入容量确定的算法和模型较多。分布式电源接入电网对电网的电压分布、潮流和功率因素等造成影响，这些因素成为制约准入容量的约束条件1。

国际DG最大接纳能力约束条件从内容上看，大多数的分布式电源并网规范都含有接入容量、短路水平、继电保护、电能质量和电压偏差等方面的要求。这些技术要求在各个方面限制着分布式电源最大的接纳能力，而接入容量、短路水平和电压偏差又为其中最主要的约束条件。

满足这些要求可以保证分布式电源的并网并不会对其他用户和电网构成可靠性和安全性上的危害。因此，配电网运营商即以这些约束条件为依据来判定配电网对分布式电源的接纳能力12。

加拿大加拿大目前有两个主要的互联标准，即分别在2006年和2008年发布的CSA 022.2 No.257基于逆变器的微电源配电网互联和CSA 022.3 No.9分布式电源与电力供应系统的互联。其中022.2 No.257主要涉及了基于逆变器的微分布式电源与0.6 kV及以下的配电网互联的要求，而022.3 No.9则涉及了并网电压在50 kV以下、分布式电源容量在10 MW及以下的并网准则和要求。

基于这些规范，包括ATCO Electric , Energie NBPO}jE R和Hvdro One Networks Inc在内的多家配电网运营商推出了自己的并网要求，其中Hvdro OneNetworks Inc(HONI)最具有代表性。

（1）接入容量约束

HONI对馈线上的总电流做出了详细的要求，其规定当馈线运行电压为13 kV时电流不能超过400 A，而当电压在13 kV以下时电流则不能超过200 A。

（2）电压偏差约束

电压偏差常常引起用户的不满甚至威胁到电网的安全，为了保证所有跟电压相关的问题都会被避免，HONI已经设定了5个必须遵守的准则。

准则1，分布式电源不能主动的对公共连接点(PCC)的电压进行调节。

准则2，公共连接点的电压应被控制在0.941.06 P.u.之内且不应低于DG接入前的电压。

准则3，就馈线电压而言，DG不应导致馈线上任何一点的短时电压偏差超过10。在DG突然断开的情况下，HONI的短时电压偏差也不应超过1%。

准则4，同样的，所有的直接接入变压器的分布式电源不应导致这些变压器的低压母线上的短时电压偏差超过1%。

准则5，断开所有并入变电站的分布式电源不应导致母线电压在事故后和OLTC动作前这一段时间因波动而超过其额定电压的110%或低于其额定电压的90%。因此，为了保证在调压装置动作前不出现过大的电压偏差，因DG断开而引起的系统无功净变化需要尽量减小。

（3）短路容量约束

HONI根据规范要求分布式电源的并网不能造成电网短路水平超过电网设备的开断能力。

美国在美国，为了简化DG并网的审批流程，配电网运营商(DNOs)基于IEEE 1547等规范设定了包括短路水平和负荷出力比等指标在内的简单评价体系来确保电网在接纳分布式电源时的安全性。一旦这个简单评价体系被满足，DNOs在接入分布式电源时不需要额外进行详细的可行性研究。

美国联邦目前针对于分布式电源并网采用两套流程，即快速通道审核和研究审核。

快速通道审核适用于当分布式电源的容量在2 MW以下的情况，具体细则如下：

(1)对于分布式电源设备与辐射型配电电路的互连，包括此分布式电源在内的馈线上的所有分布式电源的总容量不应超过此馈线年最大负荷的15%；

(2)由本次接入的分布式电源和其他在此条馈线上的分布式电源所贡献的故障电流不应超过此条馈线最大故障电流的10%；

(3)在配网线路上，本次接入的分布式电源不能接在已经超过短路电流开断能力87.5%的电路上，或此分布式电源连带其他小型发电设备不能导致系统上任一配电保护装置、设备(包括但不限于变电站断路器、熔断器、线路自动重合闸)和用户连接设备超过其短路电流开断能力的87.5%；

而对于小于2 MW且不满足因以上条件的分布式电源和容量在2 MW以上的分布式电源，要求进行包括短路水平、稳定性、潮流、压降、保护和闪变分析在内的系统影响研究。

德国德国目前采用两本规范即BDE W(发电厂接入中压电网的并网准则)和VDE-AR-N 4105(发电厂接入低压电网的并网准则)。两本规范的目的都是使分布式电源可以通过提供无功出力来稳定电网电压，并且在当系统频率过高时减小光伏发电系统的出力。

在德国，高压或中压变电站的接纳能力一般当变电站电压越限或者其任何一个部件的热负荷过高时达到极限。其中电压越限指电网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%。

而且，与北美不同的是，德国中压并网标准对DR系统的有功功率和无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、电压值、电网调度指令等信号调节电源的有功和无功功率输出。这一要求的提出是因为德国分布式电源的装机容量近几年来显著增长并已成为电网中不可或缺的一部分。大电网的稳定可靠运行需要分布式电源必须具有一定的有功和无功控制来参与到电网的频率和电压支撑中来。

国内DG最大接纳能力约束条件及对比目前中国分布式电源互联并网的标准和规范有十多种，具体为：

U B/T 20046-2006光伏(PV)系统电网接口特性

UB/T 29319-2012光伏发电系统接人配电网技术规定

U B/T 19963-2011风电场接人电力系统的技术规定

UB/T 31003-2011大型风电场并网设计技术规范

UB/T 31005-2011风电场电能质量测试方法

DL/T 724-2000电力系统用蓄黑黔黯装置运行“维

NB/T 31003-2011大型风电场并网设计技术规范

02/UDW 617-2011光伏电站接人电网技术规定

02/UDW 613-2011光伏电站接人电网测试规程

02/UDW 564-2010储能系统接人配电网技术规定

02/UDW 430-2010分布式电源接人电网技术规定

02/UDW GG7-2011分布式电源接人配电网运行控制规范

接入容量约束根据标准，对于接入110 kV及以下电网的分布式电源，其出力应在其对应的电网进行消纳。当一个特定容量的分布式电源接入配电网络时，需要考虑为此分布式电源预留的变电站的变压器数量和整体容量并根据情况设计以便变电站能：

(1)为分布式电源提供足够的裕量；

(2)满足N-1校验；

(3)接入合理的负荷。

当考虑分布式电源可以接入的电压等级时以下准则需要被遵守：

(1)对于容量小于等于8 kW的分布式电源应接入220 V电网；

(2)对于容量大于8 kW且在400 kW及以下的分布式电源应接入380 V电网；

(3)对于容量大于400 k W且在6 000 kW及以下的分布式电源应接入10 kV (6 kV)或者拥有更高电压等级的电网。

电压偏差约束中国标准规定用户侧可以接受的电压偏差为：

(1)35 kV电网的公共连接点的电压绝对值的波动不能超过额定电压的10% ；

(2)对于20 kV及以下的电网，公共连接点的电压偏差应该在额定电压的±7%；

(3)对于220 V的电网，公共连接点的电压偏差不能超过额定电压的7%和-10%。

短路容量约束公共节点的短路电流和分布式电源的额定电流比不应该小于10，即分布式电源的短路容量不能超过公共连接点短路容量的10%。

基于上述的分析可以知道，在中国针对于分布式电源接纳的配电网设计和常规的负荷接纳设计很相似，这是由于配电网的内在的特性决定的。最大的分布式电源接纳能力是根据以下规定而选择的:首先，最大的接纳能力是根据接入的电压等级决定的。然后这一最大的接纳能力因短路等级、电压控制和电能质量方面的限制而进一步减少。最后其他部分(如继电保护设定、孤岛运行和出力限制等)会进一步减小电网的最大接纳能力。然而，随着良好的控制和管理工具的应用，电网对分布式电源的接纳能力会被进一步的提高。

中外接纳能力约束条件对比从各国分布式电源接纳能力的约束条件来看，可以发现中外对分布式电源的理解大有不同。就接入容量约束来看中国针对不同容量的DG规定了可以接入的不同电压等级，而加拿大等国家则对某一特定电压等级的最大接纳容量做了详细的要求。最大的不同则来自于电压偏差方面。德国都要求分布式电源可以控制自己的无功出力并参与到电网的稳压过程中来。而以加拿大HONI为首的多家北美配电网运营商则规定分布式电源不能根据PCC的电压来调节自己的无功。造成这一因素的原因是北美采用的规范发布年代较为久远，而目前分布式电源经过快速的发展已经成为大电网的重要补充。这一身份的改变也就造成了现在大电网的稳定可靠运行需要来自分布式电源的支持。中国在并网电压在380 V时并不要求DG能参与到大电网电压调节中来，而对于并网电压在10 kV到35 kV之内的DG则要求其能利用无功功率控制来调节PCC的电压。

分布式电源接入系统原则分布式电源对系统影响分布式电源接入配电网使系统从放射状无源网络变为遍布负荷和中小型电源的有源网络，这将对系统的潮流分布、继电保护、网络损耗、电能质量、电网可靠性以及电网调度均产生重要影响。

分布式电源使配电网结构和潮流发生变化，当配电网发生故障时，传统的三段式电流保护加装自动重合闸装置的保护系统面临如下问题：y分布式电源提供的短路电流与原系统提供的短路电流叠加，将增大故障电流，故障线路原保护整定值的保护范围增大，可能造成相邻线路段电流保护的失配和误动；2)非故障线路流过分布式电源提供的反向短路电流，如果非故障线路电流保护无方向闭锁装置，短路电流超过速断保护整定值就会触发保护动作，切除非故障线路扩大停电范围；3)分布式电源的存在可能产生非同期重合闸和故障点电弧重燃的问题，造成瞬时故障重合闸失败进而转化为永久故障。

此外，分布式电源对系统影响较为突出的是电能质量问题：1)分布式电源会改变配电网的潮流分布，其无功电压特性各不相同，从而使相关节点的电压偏差与原配电系统有很大差异；2)风电及光伏电站出力的间歇性和波动性，以及切换操作运行方式会引起的电压波动和闪变；3)分布式电源采用各种换流设备，如整流器、逆变器等开关设备，其工作过程中会产生一定的谐波电流，属于系统中电子开关类谐波源3。

分布式电源准入容量限制因素分布式电源接入系统后需要有效出力，保证发电负荷的功率平衡以及电网安全稳定，准入容量的约束条件从技术方面可分为静态安全限制和暂态安全限制两类。

静态安全限制条件主要考虑分布式电源接入后，系统负荷电源充足、相关节点电压不越限、输变电设备不过载、电能质量问题不超标等方面;动态安全限制条件主要考虑接入分布式电源的配电网发生故障时，短路电流不超过开关设备的开断容量，继电保护能够正确动作切除故障，系统功角、电压和频率都能够迅速恢复正常水平4。

分布式电源接入条件国内外标准对分布式电源的接入系统也有相关技术要求，其中《分布式电源接入电网技术规定》Q/GDW 480 -2010规定了如下接入原则：1）并网点的确定原则为电源并入电网后能有效输送电力并且能确保电网的安全稳定运行；2)当公共连接点处并入一个以上的电源时，应总体考虑它们的影响。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% ；3)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 ；4)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入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。经过技术经济比较，分布式电源采用低一电压等级接入优于高一电压等级接入时，可采用低一电压等级接入。

配电网接纳分布式电源的最大容量需要满足标准要求的同时，满足上述各类约束条件，才能保证系统安全稳定运行。

提升配电网接纳能力的目标和方法DG的接入改变了配电网的潮流分布和电压分布，从而改变了各支路的电流分布；DG接入的位置和短路的类型不同，短路电路改变的大小幅度会有所不同；同时，由于DG的自身特性不同(旋转型和逆变型)，在短路瞬间的暂态电流也会有所不同。这些因素都会对配电网短路电流产生不同程度的影响。

短路电流的改变不仅影响继电保护的动作，也对一次设备的安全可靠运行带来了新的挑战。目前配电网的短路电流水平已经接近了开关设备的额定电流，所以DG的加入对于短路电流的助增作用可能会使短路电流超过设备的额定耐受范围，从而造成开关设备无法正常开断、变压器线路等设备故障等问题。

因此提升配电网的接纳能力，提高DG的准入容量，要着眼于一次设备的改造和升级，这一方而要限制配电网的短路电流幅值，另一方而要提高系统中一次设备的短路电流耐受能力。

限制短路电流幅值的方法包括:变电站母线分列运行，采用高阻抗设备，采用限流电抗器，加装变压器中性点小电抗接地等。

提高一次设备的短路电流耐受能力，具体要从变电站出线、输电线路、变压器、断路器等设备入手，比如提高一次设备的耐受短路电流额定值、提高开关设备的遮断能力等5。

限制短路电流幅值的方法(1)变电站母线分列运行。

打开母线分段开关，将母线分列运行，可以增大系统阻抗，有效降低系统的短路电流水平，该措施实施方便。

(2)采用高阻抗设备。

采用高阻抗变压器是控制下一级电网短路电流的有效措施，特制的高阻抗变压器通过改变变压器内部结构可以获得更高阻抗。采用高阻抗变压器可以减少电抗器设备的使用，从而减少了检修维护工作量，但高阻抗变压器的价格要高于普通变压器。

(3)采用串联电抗器。

采用串联电抗器是将一个固定电抗值的电抗器串联接入线路，这是一种传统的限流技术，运行方式简单、安全可靠，但会影响电力系统的潮流分布且增加了无功损耗，对系统的稳定性也有一定影响。串联电抗器一般安装于母线联络处或线路接入处。

(4)加装变压器中性点小电抗接地。

在变压器中性点加装小电抗器施工便利，投资也较小，小电抗器的阻抗值在零序网络中将被放大，因此在单相短路电流过大而三相短路电流相对较小的场合很有效。

提高短路电流耐受能力一次设备校验与改造(1)线路改造分析。

当DG接入配电网后，正常工作电流和短路电流的改变可能使得原有线路的线径不能满足电能传输的要求。线路线径选取的依据是DG接入后出现的最大负荷电流，同时利用经济电流密度对线径进行校核。

如果原有线路的最大允许电流大于DG接入后的最大负荷电流，则无需更换线路，否则有必要改造线路，通常采用扩大线径的方式，使之满足需求。

(2)断路器改造分析。

对于断路器的选取原则为：

a.按正常工作条件选择额定电压和额定电流；

b.按短路情况来校验电器设备的动稳定和热稳定；

c.按装置地点的三相短路容量来校验高压断路器的遮断容量。

在校验中主要比较断路器的额定开断电流与安装处的最大短路电流的大小。如果DG接入后的电流水平超过配电网内原有断路器的额定值，则需要更换更大标称值的断路器。对于隔离开关、互感器等设备的校验和改造也与断路器相同。开关设备的更换难度和成本根据其自身结构和安装位置有所差别。

(3)变压器改造分析。

DG接入配电网后在功率逆流时对变压器带来的冲击影响较大，短路电流水平的增大也会损害变压器的绝缘性能和抗短路电流的能力。校验原则为变压器容许的短路电流大于实际最大短路电流。

通常变压器的增容和抗短路改造措施主要包括铁芯、绕组、绝缘件的更换。由于变压器的造价较高，在情况严重时才可以考虑更换新的变压器6。

提升配电网接纳能力方法的对比分析为了在满足DG并网规范的条件下减轻分布式电源接入对网络的不良影响，提升网络对分布式电源的接纳能力，各国采取了很多措施。其中一些是类似的措施，另一些则是特有的1。

在电压偏差约束方面电压偏差约束接纳分布式电源能力，各国都就此提出了自己的解决方案。

澳大利亚更多地采用电网设备升级或更换的手段，其中包括：

(1)更换变压器

由于分布式电源巨大的渗透能力，有载分接开关调压能力会达到极限而不能在未来的电压控制中发挥作用。在这些情况下，需要变压器有更宽的分接开关调压范围以此来促进分布式电源的并网。在技术上，可以采用更换变压器的方法来解决稳压问题，但实施起来经济效益并不好。

(2)调整控制策略

当有载分接开关的控制策略是基于线路压降补偿设计的，则需要适当调整控制策略。

(3)调节变压器分接头的取值

一个可行的解决方法就是重新检查所有变压器分接头的取值并进行适当调整。另外一个方法就是用带有自动调节分接头的变压器更换原有变压器，但是花费较高。

英国类似于澳大利亚的方式，也是通过电网设备的升级来增加其配电网对分布式电源的接纳能力。但不同于澳大利亚针对变压器的升级改造，英国更多是针对于馈线部分的加强。这其中包括用具有低阻抗电缆或架空线路对电路导体进行更换来降低网络阻抗，提高线路电压稳定性。除此之外英国运营商还用线压稳压器来控制馈线的电压分布。将线压稳压器按需求设置在馈线中，这样稳压器和发电机协调运行来控制后面的电压。

德国VDE-ETG在考虑创新设备的条件下，提出了关于可持续配电网的经济解决方案和关于增加分布式电源接纳能力的建议。主要包括：

(1)创新设备

未来配电网仍将应用现存的技术来提供高效的能源供应。而在现有趋势和创新技术方法的基础上，需要进行设备创新以实现未来电网的高效性。针对配网的特性，德国正研发采用多种技术的调压器。

(2)创新的电网概念

创新的电网概念包括新旧设备的联合运行和旧设备在新控制策略下的应用。电网概念描述了能源供给任务的解决方案。传统电网的扩展是衡量每个创新方法的经济标准。

在短路容量约束方面针对短路电流约束，澳大利亚采取的解决方法为：

(1)用低短路电流电源代替以前的电源。

(2)如果连接方案中包括升压变压器，采用高阻抗变压器。

(3)在连接方案中加入限流器。

此外，在一些实例中，也会更换现有的电源或者其他设备。

而英国采用的方式除了传统的网络元件升级外，还增加了一些网络调整手段，具体如下：

(1)网络元件升级

可以升级网络元件以调整对短路电流的适应性。但由于旧设备的故障电流容量并不容易确定，因此进行网络元件升级的办法并不容易实现。

(2)提升元件的阻抗

这对于新设备而言是一种低成本的解决方案，易于实现，但是对于改造而言花费相当高，并不容易实现。

(3)通过网络重组校正短路电流问题

配电网的设计允许其改变连接方式，因此可以通过网络重组校正短路电流问题。配电网配置了能够额外连通(常开开关)或者隔离(常闭开关)的开关元件，常开开关一般安装在开环的最远端或两馈线连接相邻变电站的点。在故障响应或电网维护时可以暂时隔离一部分网络。

(4)装置快速限流器

装置快速限流器能够校正短路电流。

(5)顺序转接

通过顺序转接的方法，可以使引起故障电流的多个来源在故障部件被清除之前隔离。

结语虽然各个国家和地区存在着各类型的分布式电源并网准则且存在一定的差异性，但大体思路基本保持一致。而限制分布式电源接纳容量的主要条件也基本为:接入容量约束、电压偏差约束和短路容量约束等。

从接入容量约束上看，电压等级为限制馈线可接入分布式电源最大容量的首要因素。其中，中国对不同容量等级的分布电源可以接入的电压等级做出了硬性要求，而英国和日本则对不同电压等级可以接入的最大容量做了详细描述。

而从电压偏差角度来看，各国目前的标准差异性较大。以德国为例，德国允许分布式电源采取控制无功出力的方式参与到大电网的电压稳定控制中来。而以Hydro One Networks Inc为代表的北美部分运营商则禁止分布式电源主动的对公共连接点的电压进行调节。这一反差的产生是由于德国相较于北美更多地采用分布式电源发电，进而需要分布式电源参与到电网的稳定和可靠运行中来。

短路容量方面，因分布式电源额外的短路容量，会对现有断路器等设备带来潜在的危害。因此各国都从设备所允许的最大短路水平角度考虑限制可接入的分布式电源的最大容量。中国要求接入的分布式电源容量不能超过公共节点短路容量的10%。而韩国则不同，其认为如果分布式电源的容量如果小于中/高压变压器容量的15%并且小于线路运行稳定限制的15%，在分布式电源并网时可以不用考虑短路容量方面的限制。

而针对于容量、电压变化和短路水平方面的限制，各国也提出了自己独特的解决方法，概括来说大概分为下列几方面：

(1)电网升级，改造和旧有设备的更换是改善电网对分布式电源接纳能力最有效的方法。

(2)分布式电源无功和功率因数控制的应用可以很好的解决因电压偏差而带来的对分布式电源接纳的限制。

(3)有功控制亦可以解决因电压变化而带来的限制，但是因其对分布式电源投资带来不好的经济影响，一般被视为最后的尝试手段。

(4)就未来而说，分布式储能、需求响应和协调电压控制可视为有效的解决方案，但是其要视智能电网、电力市场和技术条件发展的成熟度而定。