各国分布式电源并网研究

      摘要：分布式电源并网技术在我国起步较晚，很大程度上是因为没有明确的标准做指导，标准制定的滞后又将制约分布式发电技术的发展。本文介绍了各国分布式电源并网标准，分别从并网容量、电压频率波动、功率控制、无功调节、电能质量等方面进行对比，得出各项要求的共同之处及区别所在，分析国内标准研究现状，为国内制定更完善的分布式并网准则做合理意见。
      
      0 引言
      当今对能源与电力供应的质量与可靠性要求越来越高，促进了分布式发电迅速发展。国际标准组织和各个国家都相继推出分布式电源并网标准，例如以IEEE1547、IEC1727为主的国际标准，德国、英国、加拿大也有较完善的分布式发电技术准则。
      中国对分布式发电技术的研究较晚，至今还没有完善的并网标准推出，也导致了分布式发电故障频出，例如2 011年2月的甘肃中电酒泉风电公司16个风电场598台风电机组脱网，成为近年来国内风电领域影响最大的一起事故。标准的缺失很大程度上抑制了分布式发电技术的发展。
      文献[1]仅对北美和欧洲规范中的有功和频率响应、无功和电压调节进行了对比；文献[2]和[3]则对早期的标准做了简单汇总，部分数据已与当今的标准完全不同；文献[4]仅罗列了IEEE 1547的各项内容，且侧重于微电网的运行而非分布式电源并网的技术要求；文献[5]仅对德国并入配网的指南进行了内容介绍，无具体论证和结论。本文介绍了国际及主要国家的多种标准，从并网容量、电压波动、频率波动、功率控制、无功调节、电能质量等各个方面进行对比，为国内全面的完善的分布式电源并网准则制定做参考。
      1 国际标准及各国标准介绍
       分布式发电国际标准主要有IEEE1547、IEC1727 等标准，获得最广泛认可的是IEEE 1547标准。主要针对10 MVA以下容量的DG相关问题规范，分别从分布式电源DG(Distribution Generation)与电力系统互连的应用、监测等方面进行规范。国际电工委员会互联准则IEC1727，规定了针对光伏发电、风电的系统实用接口特性、继电器绝缘测试规范等，其内容与IEEE 1547大体相同[6-8]。
      美国主要使用IEEE 1547标准，其针对60 Hz系统制定；德国先后发布了发电厂接入中压电网并网指南[10]和发电系统接入低压配电网并网指南[11]；英国的G59/1 标准适用于接入20 kV以下配电网，且容量不超过5MW的小型电源并网；加拿大有C22.2NO.257基于逆变器的微电源配电网互联[12]和C22.3NO.9分布式电力供应系统互联[13]，着重基于额定电压600V以下的逆变器微电源；澳大利亚在2003年9月完成了可持续能源发展的指南——全国电力市场微电源连接指南，针对容量不超过100kW的微网[14-15]；日本于1994年发布了EAG 970—1993分散发电连接电网技术建议[16]；新西兰在2005年完成了基于逆变器的微电源标准AS 4777.1、AS 4777.2、AS 4777.3的制定。
      2 各项标准的接入准则
      2.1 接入容量
      通常通过分布式电源接入后对电压波动的影响来确定并网容量，IEEE 1547标准要求DG在公共连接点PPC(points of common connection)产生的电压波动不应大于±5%额定电压。德国中压并网指南规定并入前后PPC的电压波动需小于2%，低压并网指南要求不得超过3%。
      此外，并网容量还可根据变电容量来确定。如比利时规定DG最大安装功率要小于电网N-1运行方式下变压器的容量；意大利规定在中压和低电压系统中, DG最大安装功率应小于65%输电线容量[17,18]；西班牙则规定应小于低压变电站50%的变电容量,或小于50%高压输电线容量[19]。
      2.2 对电压波动的响应
      IEEE1547标准规定，当电压波动达到某一区间值时，分布式电源应在相应的时间内停止向电网供电，如表2.1所示，其中当DG容量不超过30kW时，t为最大分闸时间，当DG容量大于30kW时，t为额定分闸时间。类似的，加拿大C22.2NO.107也规定了此项要求，如表2.2所示，以30kVA电源容量为界规定了不同情况的最大分闸时间，容量大于30kVA时，分闸时间可调不固定。
      表2.1 IEEE1547对电压波动响应时间的要求
      Table 2.1 Interconnection System Response to Abnormal Voltages by IEEE1547
      电压波动范围（%基准电压） 分闸时间 t（s）
      
      0.16
      
      2.00
      
      1.00
      
      0.16
      表2.2 加拿大标准对电压波动响应时间的要求
      Table2.2 Response to Abnormal Voltage Level by C22.2NO.107
      DG容量不超过30kVA DG容量超过30kVA
      电压波动范围(%UN) 最大分闸时间（周期数） 电压波动范围(%UN) 最大分闸时间（周期数）
      
      6
      6
      
      120
      120
      --- ---
      按实际可调
      
      120
      120
      --- ---
      120（或10）
      
      2
      2
      2.3 有功控制和频率响应
      IEEE 1547规定安装在北美的光伏系统工作频率范围在59.3～60.5 Hz之间。加拿大C22.3NO.9的标准规定，对于小型突发事件，频率的允许偏差通常在59.7～60.2 Hz之间[13]。类似的，当频率波动超过一定值时，也应在相应时间内切除分布式电源，如表2.3，2.4所示。
      表2.3 IEEE1547对频率波动的分闸时间要求
      Table 2.3 Interconnection System Response to Abnormal Frequencies by IEEE1547
      分布式电源容量 频率波动范围（Hz） 分闸时间（s）
      
      >60.5 0.16
       <59.3 0.16
      
      >60.5 0.16
       <(59.8-57.0) 0.16~300可调
       <57.0 0.16
      表2.4 C22.3NO.9对频率波动的分闸时间要求
      Table 2.4 Interconnection System Response to Abnormal Frequencies by C22.3NO.9
      分布式电源容量 频率波动范围（Hz） 分闸时间（电网周期数）
      
      低于额定频率0.5 6
       高于额定频率0.5 6
      
      59.8~57.0 6~18
      
      59.8~56.4 6~18
      其他 >60.5 6~10.8
      不同于美国和加拿大对频率波动响应的要求，德国中低压并网标准根据系统频率，对DG系统的有功功率控制 进行了详细规定，明确提出DG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，能够最大以额定有功功率的10%逐步降低其功率输出；当系统频率降低到50.05 Hz以下时，允许DG的有功输出继续增长。具体规定见表2.5。
      表2.5 DG系统的有功功率控制
      Table 2.5 Power Control of DG System
      系统频率(Hz) 有功控制要求
      <47.5or >51.5 DG需要从电网断开
      47.5~50.2 DG保持联网运行，对其输出功率未作要求
      50.2~51.5 功率可调的DG系统必须以40%最大有功功率/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DG系统允许从电网断开
      2.4 无功控制和电压调节
      IEEE 1547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DG在规定的时间内断开。
      加拿大C22.3NO.9标准允许DG参与PCC点的电压调节，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DG允许以这个范围内的某一固定功率因数运行。
       德国中、低压并网标准规定，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； 且低压标准中对大容量(大于13.8kVA）的DG无功控制要求很高，要求其在-0.9~+0.9 之间可调，因为大容量DG并入低压配网的对电网各方面影响很大。
      2.5 故障穿越能力
      各项标准中，只有德国中压并网指南明确提出DG必须具备低电压穿越能力，参与电网的动态支撑，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。加拿大的C22.3NO.9没有做硬性要求但允许进行故障穿越，而德国低压并网要求和IEEE 1547中没有相关的规定。
      2.6 电能质量
       各分布式电源并网标准对DG接入后引起的公共连接点的电能质量做了约束，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。
       IEEE 1547规定总谐波失真（THD）在60Hz时不得超过额定值的5%，或对任何DG，总谐波失真在共同耦合点不得超过额定值的3%；加拿大亦采用此标准。意大利标准[17,18]规定了总容量小于500kVA的谐波失真限制为5% ，总容量大于500kVA的谐波失真限制为3%.
       在对直流分量的规定上，IEEE 1547和加拿大均规定DG注入的直流电流不应该超过0.5％的额定电流。比利时技术要求DG注入的直流电流必须小于1％额定电流，如果高于1％，DG在2s内被切断[20]。
      2.7 并网与同步
      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，才允许并入电网，且DG并网工作时，其输出电压应能跟踪电网电压。DG同步要求如表2.6所示。
      表2.6 DG并网同步要求
      Tab. 2.6 Requirements for Synchronous DG
      容量 0-500kVA 500-1500kVA >1500kVA
      IEEE 1547
      
      
      
      法国
      
      意大利
      
       DG小于1000kVA DG大于1000kVA
      西班牙
      
      
      此外，各标准还对电网故障恢复后DG的重新并网做了规定，要求除了满足上述并网条件之外，DG的重新并网和系统的电压、频率恢复之间需要有一定延时。
      3 各准则对比分析及我国分布式并网准则研究现状
      (1) IEEE1547包括的1547.1-1547.8标准中，只有1547.5是针对10MVA以上容量电源的输电网并网技术指南。由于此标准制定较早，且额定频率为60Hz系统，因此主要应用于60Hz的发电系统以及分布式电源应用不广泛的国家，这类地区还是以大电源集中供电为主。
      (2) 随着分布式电源装机容量的增加，IEEE1547的部分标准不再适用，德国的分布式发电应用广泛，即随之制定了大规模可再生能源并入高一等级电网指南，中压并网指南中明确提出DG必须具备低电压穿越能力，且必须参与中压网络的稳态电压控制，使分布式电源不再扮演辅助供电的角色，参与电能调节。
      (3) 国内目前已有少数的不完善的标准，其严格程度介于德国和美国之间。我国海上和西部地区的风力资源丰富，因此在对风电并网的要求中同样规定了低电压穿越的能力，但国内的分布式电源发电量占总发电量的比值很小，因此很多内容可参照IEEE1547。
      (4) 国内已有Q/GDW 480—2010分布式电源接入电网技术规定及其相关运行控制和监控功能规范；风电并网技术国家标准也于2011年底出台，来应对国内风电场频发的风电设备脱网、倒塌等事故；即将推出的《分布式电源配电电网并网标准》将针对分布式光伏电源进行规范。
      4 总结
      本文比较了现有的分布式电源并网准则，各个标准针不同国家和地区而制定，但均从这几个方面来规定：接入 容量、对电压波动的响应、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、并网同步性。其外，安全保护也被多数标准涵盖，本文中没做具体介绍。
       分布式电源并网的国家标准对于分布式能源发展至关重要，它将有利于DG并网的安全运行，随着DG容量越来越大，其在电网中扮演的角色越来越重要，标准的制定势在必行。 中国至今尚未有系统的完善的分布式电源并网准则出台，本文的研究结果可以为开发中国DG 互连标准提供有益参考。除了标准的制定，文中列举的几个因素，还可为分布式并网运行评价体系的制定提供有力的参考。