分布式电源的并网标准及发展范文

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《电器与能效管理技术杂志》2016年第17期

摘要:

近年来，分布式电源和微电网的应用推动了分布式电源并网标准的发展。介绍了国内外主要分布式电源并网标准，并从接网原则、有功控制和频率响应、无功控制和电压调节、故障穿越能力、电能质量以及保护与孤岛运行等几个方面进行对比，指明其主要差异。最后，分析了分布式电源并网标准的发展趋势。为国内制、修订相关的并网标准提供了有益的参考。

关键词:

分布式电源;微电网;并网;标准;故障穿越;电能质量;孤岛运行

0引言

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。分布式电源是指位于负荷附近，装机规模较小(容量在几千瓦到50MW)，就近接入中低压配电网的电源，包括分布式发电和储能。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、燃料电池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用变流器并网的发电单元两类。微电网(Microgrid，MG)是一种由DR、ES、能量转换装置、监控、保护装置和负荷共同组成的小型系统，是一个能够实现自我控制、保护和能量管理的自治系统，既可并网运行，也可孤网运行。MG的并网标准一般可以归结为DR的并网标准，虽然有其特点，但本文不做专门论述。开发DG可以充分利用以分布形式广泛存在的可再生能源，提高能源利用效率，节能减排。DR和MG就近并入中低压配电网，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MG还可以解决偏远内陆或海岛地区的用电问题。但是DR或MG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DR的要求，保证系统的安全可靠和高质量运行［1］。本文对国内外DR和MG并网标准的现状进行介绍:选取北美、欧洲和中国具有代表性的DR并网标准，重点针对差异比较大的接网原则、有功和频率响应、无功控制和电压调节、故障穿越等几个方面进行了对比。

1国内外DR并网标准介绍

1．1国际组织标准

(1)IEEE1547系列标准［2］。IEEE1547标准是最早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正式出版。IEEE1547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。例如IEEE1547．1为DR与电力系统互联一致性测试程序;IEEE1547．2为DR与电力系统互联标准;IEEE1547．3为DR与电力系统互联的监测、信息交换和控制指南，等。

(2)IEC/IEEE/PAS63547—2011DR与电力系统的互联标准。由IEEE1547标准转化而来，以国际电工委员会公共可用规范文件的形式，内容与IEEE1547大体相同。

1．2部分国家标准

(1)英国。英国BSEN50438:2007标准针对的微电源为接入230、400V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工程推荐标准。G59/1标准适用于接入20kV及以下配电网，且容量不超过5MW的小型电源;G75/1标准适用于接入20kV以上电压等级配电网，且容量大于5MW的电源并网。此外，ERG83/1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。

(2)德国。德国先后于2008年1月和2011年8月了发电厂接入中压电网并网指南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)、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DINEN50438—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C22．2No．257基于逆变器的微电源配电网互联标准和C22．3No．9分布式电力供应系统互联标准，其中C22．2No．257标准规定了基于逆变器的分布式电源与0．6kV以下的低压配电网互联要求，C22．3No．9适用于接入50kV以下配电网、并网容量不超过10MW的DR。

(4)中国。国家电网公司先后于2010年和2011年了Q/GDW480—2010《分布式电源接入电网技术规定》［3］、Q/GDW666—2011《分布式电源接入配电网测试技术规范》、Q/GDW667—2011《分布式电源接入配电网运行控制规范》和Q/GDW677—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/GDW480—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35kV及以下电压等级电网的DR，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10kV及以下电压等级配电网的DR。除了针对各种类型DR的统一标准外，国内也了一些针对具体DR形式的并网标准，如GB/T19963《风电场接入电力系统技术规定》，Q/GDW617《光伏电站接入电网技术规定》。

2国内外DR并网标准对比

2．1接网原则

从内容上看，大多数DR并网标准都包括接网原则、功率控制、电压调节与频率响应、电能质量、并网与同步、安全与保护、计量、监控与通信、检测等几个方面的要求。下面重点针对接网原则、功率和电能质量控制以及电网支撑(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［4］。IEEE1547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，IEEE1547标准要求DR在公共连接点(PointsofCommonConnection，PCC)产生的电压波动不大于5%标称电压，德国中压并网指南规定网络中每个PCC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DR的接入容量、接入电压等级做了具体规定，具体要求:①DR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%;②DR并网点的短路电流与DR额定电流之比不宜低于10;③DR接入电压等级宜按照200kW及以下DR接380V电压等级电网，200kW以上DR接入10kV(6kV)及以上电压等级电网。

2．2有功控制和频率响应

IEEE1547和加拿大C22．3No．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间内切除，停止向电网供电。与北美的标准不同，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，具体规定如图1所示。其他参数的具体数值如表1所示。由图1可知:①DR须具备根据调度指令限制其有功功率输出的能力，并能够最大以额定有功功率的10%逐步降低其功率输出;②当fNet≤f1或者fNet≥f4时，DR需要从电网断开(注:fNet为系统频率);③当f1＜fNet≤f3时，DR保持联网运行，对其输出功率未作要求;④当f3＜fNet≤f4时，功率可调的DR系统必须以40%PM/Hz的速率减小(频率上升时)或增加(频率降低时)其有功输出，功率不可调的DR系统允许从电网断开;⑤只有当系统频率降低到50．05Hz以下时，才允许DR的有功输出继续增长。我国Q/GDW480—2010标准将适用范围内的电源分为两类:10kV(6kV)～35kV电压等级并网和380V电压等级并网的DR。对于380V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-频率调节与无功-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10kV(6kV)～35kV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，具体的频率响应要求如表2所示，但未给出确定的有功功率控制速率。

2．3无功控制和电压调节

IEEE1547标准不鼓励DG参与电压调节，对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在规定的时间内断开。这一要求在其他各项标准中均有体现，不再赘述。与IEEE1547标准不同，在电网公司许可的前提下，加拿大C22．3No．9标准允许DR参与PCC点的电压调压。对于30kW以上的DR要求功率因数在－0．9～+0．9之间可调，30kW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，如动态功率因数方法等。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的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/GDW480—2010标准分别对它们提出了不同的要求，要求通过10kV(6kV)～35kV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DR的调节能力。各个标准是否允许DR参与PCC点电压调节的要求如表3所示。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，并且可以在规定时间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。具体标准规定的数值如表4所示。由表4可以看出，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－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。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cosφ－P，如图2所示。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。图2中，曲线1和曲线2分别是德国中低压并网标准中建议的cosφ－P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。

2．4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DR并网点电压暂降(暂升)时，在一定的幅值范围和时间间隔内，DR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。各项标准关于低电压穿越的要求如表5所示。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)，如图3所示。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。图3中，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。曲线1适合于直接和电网相连的同步发电机类DR(只通过发电机变压器);曲线2适用于其他类型的DR，包括通过变流器和异步电机并网的DR。需要指出的是，在电网公司同意的前提下，加拿大C22．3No．9标准也允许DR进行低电压穿越。在这种情况下，保持动作的时间无效，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。

2．5电能质量

各DR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。从IEEE1547对谐波的要求来看，DR注入的直流电流不应大于DR接入点总额定输出电流的0．5%。DR不应在地方配电网的其他用户中引起有害闪变，否则，应配置失步保护。DR注入地方配电网的谐波电流不应大于限值。从国网以及国内的行业标准来看，电能质量主要以电网对电能质量的几个标准为参照指标，规定均是DR并入后PCC的电能质量不能超出相关的国家标准［8］。

2．6保护与孤岛运行

各DR并网标准都要求DR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间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DR需具备防孤岛保护。作为孤岛运行的出现，往往会给系统运行造成不可预知的危险，如孤岛中电压与频率无法控制、孤岛可能对检修人员的安全造成威胁。为了保障孤岛时用电以及检修的安全，几乎所有的国内外标准都有要求。从国外标准来看，当主电网失电，DR在计划孤岛时，在有限时间内必须断开。IEEE929和IEEE1547都规定，逆变器在孤岛条件下应在10个周波条件下停止供电。其中IEEE1547则明确规定，对于DR通过PCC给区域电力系统的一部分供电的计划外的孤岛，DR并网系统应检测这个孤岛并且应在孤岛形成的2s内停止供电。从国内的标准来看，国家电网的企标规定“同步电机、异步电机类型DR，无需专门设置孤岛保护，但DR切除时间应与线路保护相配合，以避免非同期合闸”。变流器类型DR必须具备快速监测孤岛且监测到孤岛后立即断开与电网连接的能力。其防孤岛保护应与电网侧线路保护相配合。变流器的防孤岛控制有主动式和被动式两种:主动防孤岛保护方式主要有频率偏离、有功功率变动、无功功率变动、电流脉冲注入引起阻抗变动等判断准则;被动防孤岛保护方式主要有电压相位跳动、3次电压谐波脉动、频率变化率等判断准则。作为计划性孤岛，则往往在微电网的标准中而不在常规的DR并网标准中予以规定。

3发展趋势

通过对典型标准内容的对比研究可以看出:以IEEE1547为代表的北美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。近几年来，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，DR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。目前，德国的DR并网标准中充分考虑了在DR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DR必须具有一定的有功控制能力参与电网的频率支撑，允许DR通过无功功率控制参与电网电压调节，以及必须具备一定的故障穿越能力支撑电网的稳定运行等。从世界范围看来，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，DR的成本也在不断下降，DR发展势头良好。从DR的发展趋势来看，随着DR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。这个趋势已经在近来的加拿大标准协会(CanadianStandardsAssociation，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自己的标准，如近年来，北美电力可靠性公司(NorthAmericanElectricReliabilityCorporation，NERC)和IEEE工作组成员提出由于IEEE1547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IEEE1547．7和IEEE1547．8意图填补IEEE1547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IEEE1547标准修订做补充。相比发达国家，国内DR和MG的发展较为落后，标准体系还不完善，已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定和修订工作。国内的DR在未来几年内也会得到迅速发展。国内在制定DR标准时，应借鉴北美和欧洲标准的发展历程，充分考虑未来几年的发展趋势，促进DR的合理有序发展。

4结语

伴随电力需求的快速增长和世界能源危机的加剧，调整能源结构、提高能源利用率、改善能源安全、解决环境污染已经成为我国能源战略的重点。DR作为一种新型能源供应模式，以其节能、经济、环保和可靠等优势，在我国有广泛的发展前景。本文介绍了国内外主要DR并网标准，并从接网原则、功率控制、频率响应、电压调节、电能质量以及保护与孤岛运行等几个方面进行对比，分析指出了DR并网标准的发展趋势，可供有关专业人员参考。

参考文献：

［1］鲍薇，胡学浩，何国庆，等．分布式电网并网标准研究［J］．电网技术，2012，36(11):46-52．

［3］分布式电源接入电网技术规定:Q/GDW480—2010［S］．

［4］薛迎成，邰能灵．国际上分布式电源的互联标准介绍［J］．南方电网技术，2008，2(6):1-17．

［8］王路，陈志刚．分布式电源并网标准简述［C］∥第七届电能质量研讨会论文集，2014:54-57．

作者:林海雪 单位:中国电力科学研究院