國內外分布式電源接納能力及提升方法綜述

李文升，徐 群，尹 志，姜 斌，宋敏平，王 超，郭建豪，張 媛

（1.國網青島供電公司，山東 青島 266002；2.天地電研（北京）科技有限公司，北京 102206）

0 引言

隨著風電、光伏發電和小型燃氣機組技術的日趨成熟，分布式電源（DG）迎來了巨大的發展機遇。DG的并網運行改變了配電網原有的輻射式的狀態，導致配電網中故障電流、潮流流向、電壓波動等發生變化，對配電網繼電保護裝置的正確動作造成了嚴重影響。為了保證大電網的可靠運行，目前各國配電網運營商都針對自己地區特點采用不同的分布式電源互聯標準，來降低分布式電網并網所帶來的負面影響。因此這些標準也成為了判定配電網對分布式電源接納能力的準則。

本文選取目前分布式電源發展較好的國家，介紹其分布式電源互聯規范，根據各國的并網標準，對比分析各國分布式電源最大接納能力的約束條件。分析國內DG并網標準，并對國內外分布式電源接納能力的約束條件進行對比分析。最后，選取具有代表性的國家，綜述其目前所采用的增加分布式電源接納能力的方法。

1 國際DG最大接納能力約束條件

從內容上看，大多數的分布式電源并網規范都含有接入容量、短路水平、繼電保護、電能質量和電壓偏差等方面的要求。這些技術要求在各個方面限制著分布式電源最大的接納能力，而接入容量、短路水平和電壓偏差又為其中最主要的約束條件。

滿足這些要求可以保證分布式電源的并網并不會對其他用戶和電網構成可靠性和安全性上的危害。因此，配電網運營商即以這些約束條件為依據來判定配電網對分布式電源的接納能力[1]。

1.1 加拿大

加拿大目前有兩個主要的互聯標準，即分別在2006年和2008年發布的CSA C22.2 No.257基于逆變器的微電源配電網互聯和CSA C22.3 No.9分布式電源與電力供應系統的互聯。其中C22.2 No.257主要涉及了基于逆變器的微分布式電源與0.6 kV及以下的配電網互聯的要求[2],而C22.3 No.9則涉及了并網電壓在50 kV以下、分布式電源容量在10 MW及以下的并網準則和要求[3]。

基于這些規范，包括ATCO Electric、Energie NB POWER和Hydro One Networks Inc在內的多家配電網運營商推出了自己的并網要求，其中Hydro One Networks Inc（下面簡稱HONI）最具有代表性。

1.1.1 接入容量約束

HONI對饋線上的總電流做出了詳細的要求，其規定當饋線運行電壓為13 kV時電流不能超過400 A，而當電壓在13 kV以下時電流則不能超過200 A。

除此之外HONI還針對不同電壓等級可以接入的單個分布式電源最大容量和分布式電源接入的總容量做出了詳細的規定，具體情況見表1。

表1 HONI關于DG接入總量約束條件Tab.1 HONI constraints on the total DG access

1.1.2 電壓偏差約束

電壓偏差常常引起用戶的不滿甚至威脅到電網的安全，為了保證所有跟電壓相關的問題都會被避免，HONI已經設定了5個必須遵守的準則。

準則1-分布式電源不能主動的對公共連接點（PCC）的電壓進行調節。

準則2-公共連接點的電壓應被控制在0.94～1.06 p.u.之內且不應低于DG接入前的電壓。

準則3-就饋線電壓而言，DG不應導致饋線上任何一點的短時電壓偏差超過1%。在DG突然斷開的情況下，HONI的短時電壓偏差也不應超過1%。

準則4-同樣的，所有的直接接入變壓器的分布式電源不應導致這些變壓器的低壓母線上的短時電壓偏差超過1%。

準則5-斷開所有并入變電站的分布式電源不應導致母線電壓在事故后和OLTC動作前這一段時間因波動而超過其額定電壓的110%或低于其額定電壓的90%。因此，為了保證在調壓裝置動作前不出現過大的電壓偏差，因DG斷開而引起的系統無功凈變化需要盡量減小。

1.1.3 短路容量約束

HONI根據規范要求分布式電源的并網不能造成電網短路水平超過電網設備的開斷能力。

1.2 美國

在美國，為了簡化DG并網的審批流程，配電網運營商（DNOs）基于IEEE 1547等規范設定了包括短路水平和負荷出力比等指標在內的簡單評價體系來確保電網在接納分布式電源時的安全性。一旦這個簡單評價體系被滿足，DNOs在接入分布式電源時不需要額外進行詳細的可行性研究。

美國聯邦目前針對于分布式電源并網采用兩套流程，即快速通道審核和研究審核。

快速通道審核適用于當分布式電源的容量在2 MW以下的情況，具體細則如下：

（1）對于分布式電源設備與輻射型配電電路的互連，包括此分布式電源在內的饋線上的所有分布式電源的總容量不應超過此饋線年最大負荷的15%。

（2）由本次接入的分布式電源和其他在此條饋線上的分布式電源所貢獻的故障電流不應超過此條饋線最大故障電流的10%。

（3）在配網線路上，本次接入的分布式電源不能接在已經超過短路電流開斷能力87.5%的電路上，或此分布式電源連帶其他小型發電設備不能導致系統上任一配電保護裝置、設備（包括但不限于變電站斷路器、熔斷器、線路自動重合閘）和用戶連接設備超過其短路電流開斷能力的87.5%。

而對于小于2 MW且不滿足因以上條件的分布式電源和容量在2 MW以上的分布式電源，要求進行包括短路水平、穩定性、潮流、壓降、保護和閃變分析在內的系統影響研究。

1.3 德國

德國目前采用兩本規范即BDEW（發電廠接入中壓電網的并網準則）和VDE-AR-N 4105（發電廠接入低壓電網的并網準則）。兩本規范的目的都是使分布式電源可以通過提供無功出力來穩定電網電壓，并且在當系統頻率過高時減小光伏發電系統的出力。不同點在于BDEW主要覆蓋并網發電機容量在100 kW及以上的情況，而VDE-AR-N 4105則主要涉及容量在100 kW以下的發電機與電網互聯。

在德國，高壓或中壓變電站的接納能力一般當變電站電壓越限或者其任何一個部件的熱負荷過高時達到極限。其中電壓越限指電網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%。

而且，與北美不同的是，德國中壓并網標準對DR系統的有功功率和無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、電壓值、電網調度指令等信號調節電源的有功和無功功率輸出[8]。這一要求的提出是因為德國分布式電源的裝機容量近幾年來顯著增長并已成為電網中不可或缺的一部分。大電網的穩定可靠運行需要分布式電源必須具有一定的有功和無功控制來參與到電網的頻率和電壓支撐中來。

1.4 韓國

韓國2012年發布了最新的標準來促進分布式電源的并網，此標準對分布電源可以接入的電壓等級做出了詳細的要求，具體見表2。

表2 最大接入容量的限制Tab.2 Maximum access capacity limit table

除此之外標準還對中壓系統中變電站和饋線所能接納的分布式電源最大容量做出了要求。對于變電站來說，其能接納的最大分布式電源的容量為其變壓器額定容量的20%。而對于中壓配電線路，其能接納的最大分布式電源容量為其運行穩定限制的100%。

1.5 英國

英國目前采用的國際規范為EN50160《公共電網供電電壓特性》。這本規范是歐洲國家強制執行的電網電壓質量評估標準,是國際第一個關于供電質量的標準。

1.5.1 接入容量約束

分布式發電機的連接會改變電壓分布和電壓調整方案。英國運營商SP發電系統使用以下方法來確定連接到11 kV電網的發電機容量的極限。

發電機容量（MVA）*到變電站距離（km）≤4

例如，一個2 MVA發電機能夠接在達到2 km遠的變電站或一個1 MVA發電機能夠接到達到4 km遠的主變上。同時，需要進行網絡研究來論證發電機對現有用戶的供電質量沒有不利影響。

1.5.2 電壓偏差約束

在英國，輻射式饋線末端最大電壓降限制為7%。該值依據11 kV/433 V/250 V變壓器的電壓變比、電力安全、供電質量以及連續性規定的要求設置。

2 國內DG最大接納能力約束條件及對比

目前中國分布式電源互聯并網的標準和規范有十多種,具體見表3。

表3 中國已發布分布式電源標準Tab.3 Distributed power supply related standards in china

2.1 接入容量約束

根據標準，對于接入110 kV及以下電網的分布式電源，其出力應在其對應的電網進行消納[4]。當一個特定容量的分布式電源接入配電網絡時，需要考慮為此分布式電源預留的變電站的變壓器數量和整體容量并根據情況設計以便變電站能：

（1）為分布式電源提供足夠的裕量。

（2）滿足N-1校驗。

（3）接入合理的負荷。

為了能滿足上述條件，在電壓在110 kV～35 kV之間時，負荷應能滿足下列條件（Loadmin和DGmin可以為零）：

（1）Load max=Load max– DG min

（2）Load=Load max– DG max

（3）Load=Load min– DG min

（4）Load min=Load min– DG max

當考慮分布式電源可以接入的電壓等級時以下準則需要被遵守[5]：

（1）對于容量小于等于8 kW的分布式電源應接入220 V電網；

（2）對于容量大于8 kW且在400 kW及以下的分布式電源應接入380 V電網；

（3）對于容量大于400 kW且在6 000 kW及以下的分布式電源應接入10 kV（6 kV）或者擁有更高電壓等級的電網。

2.2 電壓偏差約束

中國標準規定用戶側可以接受的電壓偏差為：

（1）35 kV電網的公共連接點的電壓絕對值的波動不能超過額定電壓的10%；

（2）對于20 kV及以下的電網，公共連接點的電壓偏差應該在額定電壓的±7%；

（3）對于220 V的電網，公共連接點的電壓偏差不能超過額定電壓的7%和-10%。

2.3 短路容量約束

公共節點的短路電流和分布式電源的額定電流比不應該小于10，即分布式電源的短路容量不能超過公共連接點短路容量的10%[6]。

基于上述的分析可以知道，在中國針對于分布式電源接納的配電網設計和常規的負荷接納設計很相似，這是由于配電網的內在的特性決定的。最大的分布式電源接納能力是根據以下規定而選擇的：首先，最大的接納能力是根據接入的電壓等級決定的。然后這一最大的接納能力因短路等級、電壓控制和電能質量方面的限制而進一步減少。最后其他部分（如繼電保護設定、孤島運行和出力限制等）會進一步減小電網的最大接納能力。然而，隨著良好的控制和管理工具的應用，電網對分布式電源的接納能力會被進一步的提高。

2.4 中外接納能力約束條件對比

從各國分布式電源接納能力的約束條件來看，可以發現中外對分布式電源的理解大有不同。就接入容量約束來看中國針對不同容量的DG規定了可以接入的不同電壓等級，而加拿大等國家則對某一特定電壓等級的最大接納容量做了詳細的要求。最大的不同則來自于電壓偏差方面。德國都要求分布式電源可以控制自己的無功出力并參與到電網的穩壓過程中來。而以加拿大HONI為首的多家北美配電網運營商則規定分布式電源不能根據PCC的電壓來調節自己的無功。造成這一因素的原因是北美采用的規范發布年代較為久遠，而目前分布式電源經過快速的發展已經成為大電網的重要補充。這一身份的改變也就造成了現在大電網的穩定可靠運行需要來自分布式電源的支持。中國在并網電壓在380 V時并不要求DG能參與到大電網電壓調節中來，而對于并網電壓在10 kV到35 kV之內的DG則要求其能利用無功功率控制來調節PCC的電壓。

3 提升配電網接納能力方法的對比分析

為了在滿足DG并網規范的條件下減輕分布式電源接入對網絡的不良影響，提升網絡對分布式電源的接納能力，各國采取了很多措施。其中一些是類似的措施，另一些則是特有的。

3.1 在電壓偏差約束方面

電壓偏差約束接納分布式電源能力，各國都就此提出了自己的解決方案。

澳大利亞更多地采用電網設備升級或更換的手段，其中包括：

（1）更換變壓器

由于分布式電源巨大的滲透能力，有載分接開關調壓能力會達到極限而不能在未來的電壓控制中發揮作用。在這些情況下，需要變壓器有更寬的分接開關調壓范圍以此來促進分布式電源的并網。在技術上，可以采用更換變壓器的方法來解決穩壓問題，但實施起來經濟效益并不好。

（2）調整控制策略

當有載分接開關的控制策略是基于線路壓降補償設計的，則需要適當調整控制策略。

（3）調節變壓器分接頭的取值

一個可行的解決方法就是重新檢查所有變壓器分接頭的取值并進行適當調整。另外一個方法就是用帶有自動調節分接頭的變壓器更換原有變壓器，但是花費較高。

英國類似于澳大利亞的方式，也是通過電網設備的升級來增加其配電網對分布式電源的接納能力。但不同于澳大利亞針對變壓器的升級改造，英國更多是針對于饋線部分的加強。這其中包括用具有低阻抗電纜或架空線路對電路導體進行更換來降低網絡阻抗，提高線路電壓穩定性。除此之外英國運營商還用線壓穩壓器來控制饋線的電壓分布。將線壓穩壓器按需求設置在饋線中，這樣穩壓器和發電機協調運行來控制后面的電壓。

德國VDE-ETG在考慮創新設備的條件下，提出了關于可持續配電網的經濟解決方案和關于增加分布式電源接納能力的建議。主要包括：

（1）創新設備

未來配電網仍將應用現存的技術來提供高效的能源供應。而在現有趨勢和創新技術方法的基礎上，需要進行設備創新以實現未來電網的高效性。針對配網的特性，德國正研發采用多種技術的調壓器。

（2）創新的電網概念

創新的電網概念包括新舊設備的聯合運行和舊設備在新控制策略下的應用。電網概念描述了能源供給任務的解決方案。傳統電網的擴展是衡量每個創新方法的經濟標準。

3.2 在短路容量約束方面

針對短路電流約束，澳大利亞采取的解決方法為：

（1）用低短路電流電源代替以前的電源。

（2）如果連接方案中包括升壓變壓器，采用高阻抗變壓器。

（3）在連接方案中加入限流器。

此外，在一些實例中，也會更換現有的電源或者其他設備。

而英國采用的方式除了傳統的網絡元件升級外，還增加了一些網絡調整手段，具體如下：

（1）網絡元件升級

可以升級網絡元件以調整對短路電流的適應性。但由于舊設備的故障電流容量并不容易確定，因此進行網絡元件升級的辦法并不容易實現。

（2）提升元件的阻抗

這對于新設備而言是一種低成本的解決方案，易于實現，但是對于改造而言花費相當高，并不容易實現。

（3）通過網絡重組校正短路電流問題

配電網的設計允許其改變連接方式，因此可以通過網絡重組校正短路電流問題。

配電網配置了能夠額外連通（常開開關）或者隔離（常閉開關）的開關元件，常開開關一般安裝在開環的最遠端或兩饋線連接相鄰變電站的點。在故障響應或電網維護時可以暫時隔離一部分網絡。

（4）裝置快速限流器

裝置快速限流器能夠校正短路電流。

（5）順序轉接

通過順序轉接的方法，可以使引起故障電流的多個來源在故障部件被清除之前隔離，順序轉接如圖1所示。

圖1 通過實施順序轉接校正短路電流[6]Fig.1 Correction of short circuit current by implementing sequential transfer[6]

4 結語

通過以上研究分析，可以看到雖然各個國家和地區存在著各類型的分布式電源并網準則且存在一定的差異性，但大體思路基本保持一致。而限制分布式電源接納容量的主要條件也基本為：接入容量約束、電壓偏差約束和短路容量約束等。

從接入容量約束上看，電壓等級為限制饋線可接入分布式電源最大容量的首要因素。其中，中國對不同容量等級的分布電源可以接入的電壓等級做出了硬性要求，而英國和日本則對不同電壓等級可以接入的最大容量做了詳細描述。

而從電壓偏差角度來看，各國目前的標準差異性較大。以德國為例，德國允許分布式電源采取控制無功出力的方式參與到大電網的電壓穩定控制中來。而以Hydro One Networks Inc為代表的北美部分運營商則禁止分布式電源主動的對公共連接點的電壓進行調節。這一反差的產生是由于德國相較于北美更多地采用分布式電源發電，進而需要分布式電源參與到電網的穩定和可靠運行中來。

短路容量方面，因分布式電源額外的短路容量，會對現有斷路器等設備帶來潛在的危害。因此各國都從設備所允許的最大短路水平角度考慮限制可接入的分布式電源的最大容量。中國要求接入的分布式電源容量不能超過公共節點短路容量的10%。而韓國則不同，其認為如果分布式電源的容量如果小于中/高壓變壓器容量的15%并且小于線路運行穩定限制的15%，在分布式電源并網時可以不用考慮短路容量方面的限制。

而針對于容量、電壓變化和短路水平方面的限制，各國也提出了自己獨特的解決方法，概括來說大概分為下列幾方面：

（1）電網升級，改造和舊有設備的更換是改善電網對分布式電源接納能力最有效的方法。

（2）分布式電源無功和功率因數控制的應用可以很好的解決因電壓偏差而帶來的對分布式電源接納的限制。

（3）有功控制亦可以解決因電壓變化而帶來的限制，但是因其對分布式電源投資帶來不好的經濟影響，一般被視為最后的嘗試手段。

（4）就未來而說，分布式儲能、需求響應和協調電壓控制可視為有效的解決方案，但是其要視智能電網、電力市場和技術條件發展的成熟度而定。

（References）

[1] IEEE Std 929-2000,IEEE Recommended Practice for Utility Inter-face of Photovoltaic(PV)Systems(Withdrawn 2006)[S].

[2] http://shop.csa.ca/en/canada/general-standards/canc?sa-c222-no-257-06-r2015/invt/27024102006.

[3] http://shop.csa.ca/en/canada/canadian-electrical-code-part-iii-electricity-distribution-and-transmission/cancsa-c223-no-9-08-r2015/invt/27028362008.

[4] 鮑薇,胡學浩,何國慶,李光輝.分布式電源并網標準研究[J].電網技術,2012,36(11):46-52.BAO Wei,HU Xuehao,HE Guoqing,LI Guanghui.Study on standard for grid-integration of distributed resou-rces[J].PowerSystem Technology,2012,36(11):46-52.

[5] 薛迎成,邰能靈.國際上分布式電源的互連標準介紹[J].南方電網技術,2008,(06):13-17.XUE Yingcheng，TAINengling.Introduction to the Existing DG interconnection standards worldwide[J].Southern Power System Technology,2008,(06):13-17.

[6] 王成山,高菲,李鵬等.可再生能源與分布式發電接入技術歐盟研究項目述評[J].南方電網技術,2008,2(6):1-6.WANG Chengshan,GAO Fei,LI Peng,DING Fei.Review on the EU research projects of integration of ree?wa-ble energy sources and distributed generation[J].Southern PowerSystem Technology,2008,2(6):1-6.