分散式電源接納能力及提升方法

分散式電源接入配電網會對系統的運行和可靠性產生重要影響，接入方式不當會影響到電網的安全運行。配電網接納分散式電源的能力是指在一定技術指標約束的前提下，配電網系統所能接受的分散式電源的最大容量。根據配電網運行的不同約束條件，分散式電源準入容量確定的算法和模型較多。分散式電源接入電網對電網的電壓分布、潮流和功率因素等造成影響，這些因素成為制約準入容量的約束條件。

基本介紹

• 中文名：分散式電源接納能力及提升方法
• 外文名：Distributed powerreceiving capacity and promotion method
• 學科：電氣工程
• 領域：能源利用
• 套用：配網分散式電源接納能力提升
• 目的：增強配網可靠性、降低線損

背景

隨著風電、光伏發電和小型燃氣機組技術的日趨成熟，分散式電源(DG)迎來了巨大的發展機遇。DG的併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採用不同的分散式電源互聯標準，來降低分散式電網併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散式電源接納能力的準則。

分散式電源一般是指接近負荷、裝機容量小、接入中低壓配電網的小型電源，包括分散式電源和儲能。分散式發電裝置根據利用一次能源的形式不同，可分為熱電冷聯產發電、內燃機組發電、燃氣輪機發電等利用清潔能源發電的單元和小型水電、風電、光伏發電、生物質能等利用可再生能源發電的單元。合理的分散式發電容量可以增加配電網的可靠性，降低線路損耗，支撐電壓和改進負荷功率因數等，但分散式電源無限度地接入系統也會影響電力系統的安全運行。因此隨著分散式電源的進一步發展，給定配電網接納分散式電源的容量己成為電網規劃和運行過程中十分關心的問題。

根據配電網運行的不同約束條件，分散式電源準入容量確定的算法和模型較多。分散式電源接入電網對電網的電壓分布、潮流和功率因素等造成影響，這些因素成為制約準入容量的約束條件。

國際DG最大接納能力約束條件

從內容上看，大多數的分散式電源併網規範都含有接入容量、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散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散式電源的併網並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散式電源的接納能力。

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 022.2 No.257基於逆變器的微電源配電網互聯和CSA 022.3 No.9分散式電源與電力供應系統的互聯。其中022.2 No.257主要涉及了基於逆變器的微分散式電源與0.6 kV及以下的配電網互聯的要求，而022.3 No.9則涉及了併網電壓在50 kV以下、分散式電源容量在10 MW及以下的併網準則和要求。

基於這些規範，包括ATCO Electric , Energie NBPO}jE R和Hvdro One Networks Inc在內的多家配電網運營商推出了自己的併網要求，其中Hvdro OneNetworks Inc(HONI)最具有代表性。

（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。

（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，分散式電源不能主動的對公共連線點(PCC)的電壓進行調節。

準則2，公共連線點的電壓應被控制在0.941.06 P.u.之內且不應低於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10。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散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，斷開所有併入變電站的分散式電源不應導致母線電壓在事故後和OLTC動作前這一段時間因波動而超過其額定電壓的110%或低於其額定電壓的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淨變化需要儘量減小。

（3）短路容量約束

HONI根據規範要求分散式電源的併網不能造成電網短路水平超過電網設備的開斷能力。

美國

在美國，為了簡化DG併網的審批流程，配電網運營商(DNOs)基於IEEE 1547等規範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散式電源時的安全性。一旦這個簡單評價體系被滿足，DNOs在接入分散式電源時不需要額外進行詳細的可行性研究。

美國聯邦目前針對於分散式電源併網採用兩套流程，即快速通道審核和研究審核。

快速通道審核適用於當分散式電源的容量在2 MW以下的情況，具體細則如下：

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

(2)由本次接入的分散式電源和其他在此條饋線上的分散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，本次接入的分散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，或此分散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(包括但不限於變電站斷路器、熔斷器、線路自動重合閘)和用戶連線設備超過其短路電流開斷能力的87.5%；

而對於小於2 MW且不滿足因以上條件的分散式電源和容量在2 MW以上的分散式電源，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。

德國

德國目前採用兩本規範即BDE W(發電廠接入中壓電網的併網準則)和VDE-AR-N 4105(發電廠接入低壓電網的併網準則)。兩本規範的目的都是使分散式電源可以通過提供無功出力來穩定電網電壓，並且在當系統頻率過高時減小光伏發電系統的出力。

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線點的電壓幅值變化跟沒有連線DR時相比不能超過2%。

而且，與北美不同的是，德國中壓併網標準對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。這一要求的提出是因為德國分散式電源的裝機容量近幾年來顯著增長並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散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。

國內DG最大接納能力約束條件及對比

目前中國分散式電源互聯併網的標準和規範有十多種，具體為：

U B/T 20046-2006光伏(PV)系統電網接口特性

UB/T 29319-2012光伏發電系統接人配電網技術規定

U B/T 19963-2011風電場接人電力系統的技術規定

UB/T 31003-2011大型風電場併網設計技術規範

UB/T 31005-2011風電場電能質量測試方法

DL/T 724-2000電力系統用蓄黑黔黯裝置運行“維

NB/T 31003-2011大型風電場併網設計技術規範

02/UDW 617-2011光伏電站接人電網技術規定

02/UDW 613-2011光伏電站接人電網測試規程

02/UDW 564-2010儲能系統接人配電網技術規定

02/UDW 430-2010分散式電源接人電網技術規定

02/UDW GG7-2011分散式電源接人配電網運行控制規範

接入容量約束

根據標準，對於接入110 kV及以下電網的分散式電源，其出力應在其對應的電網進行消納。當一個特定容量的分散式電源接入配電網路時，需要考慮為此分散式電源預留的變電站的變壓器數量和整體容量並根據情況設計以便變電站能：

(1)為分散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。

當考慮分散式電源可以接入的電壓等級時以下準則需要被遵守：

(1)對於容量小於等於8 kW的分散式電源應接入220 V電網；

(2)對於容量大於8 kW且在400 kW及以下的分散式電源應接入380 V電網；

(3)對於容量大於400 k W且在6 000 kW及以下的分散式電源應接入10 kV (6 kV)或者擁有更高電壓等級的電網。

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電網的公共連線點的電壓絕對值的波動不能超過額定電壓的10% ；

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

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

短路容量約束

公共節點的短路電流和分散式電源的額定電流比不應該小於10，即分散式電源的短路容量不能超過公共連線點短路容量的10%。

基於上述的分析可以知道，在中國針對於分散式電源接納的配電網設計和常規的負荷接納設計很相似，這是由於配電網的內在的特性決定的。最大的分散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。然後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。最後其他部分(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套用，電網對分散式電源的接納能力會被進一步的提高。

中外接納能力約束條件對比

從各國分散式電源接納能力的約束條件來看，可以發現中外對分散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。最大的不同則來自於電壓偏差方面。德國都要求分散式電源可以控制自己的無功出力並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散式電源不能根據PCC的電壓來調節自己的無功。造成這一因素的原因是北美採用的規範發布年代較為久遠，而目前分散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散式電源的支持。中國在併網電壓在380 V時並不要求DG能參與到大電網電壓調節中來，而對於併網電壓在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。

分散式電源接入系統原則

分散式電源對系統影響

分散式電源接入配電網使系統從放射狀無源網路變為遍布負荷和中小型電源的有源網路，這將對系統的潮流分布、繼電保護、網路損耗、電能質量、電網可靠性以及電網調度均產生重要影響。

分散式電源使配電網結構和潮流發生變化，當配電網發生故障時，傳統的三段式電流保護加裝自動重合閘裝置的保護系統面臨如下問題：y分散式電源提供的短路電流與原系統提供的短路電流疊加，將增大故障電流，故障線路原保護整定值的保護範圍增大，可能造成相鄰線路段電流保護的失配和誤動；2)非故障線路流過分散式電源提供的反向短路電流，如果非故障線路電流保護無方向閉鎖裝置，短路電流超過速斷保護整定值就會觸發保護動作，切除非故障線路擴大停電範圍；3)分散式電源的存在可能產生非同期重合閘和故障點電弧重燃的問題，造成瞬時故障重合閘失敗進而轉化為永久故障。

此外，分散式電源對系統影響較為突出的是電能質量問題：1)分散式電源會改變配電網的潮流分布，其無功電壓特性各不相同，從而使相關節點的電壓偏差與原配電系統有很大差異；2)風電及光伏電站出力的間歇性和波動性，以及切換操作運行方式會引起的電壓波動和閃變；3)分散式電源採用各種換流設備，如整流器、逆變器等開關設備，其工作過程中會產生一定的諧波電流，屬於系統中電子開關類諧波源。

分散式電源準入容量限制因素

分散式電源接入系統後需要有效出力，保證發電負荷的功率平衡以及電網安全穩定，準入容量的約束條件從技術方面可分為靜態安全限制和暫態安全限制兩類。

靜態安全限制條件主要考慮分散式電源接入後，系統負荷電源充足、相關節點電壓不越限、輸變電設備不過載、電能質量問題不超標等方面;動態安全限制條件主要考慮接入分散式電源的配電網發生故障時，短路電流不超過開關設備的開斷容量，繼電保護能夠正確動作切除故障，系統功角、電壓和頻率都能夠迅速恢復正常水平。

分散式電源接入條件

國內外標準對分散式電源的接入系統也有相關技術要求，其中《分散式電源接入電網技術規定》Q/GDW 480 -2010規定了如下接入原則：1）併網點的確定原則為電源併入電網後能有效輸送電力並且能確保電網的安全穩定運行；2)當公共連線點處併入一個以上的電源時，應總體考慮它們的影響。分散式電源總容量原則上不宜超過上一級變壓器供電區域內最大負荷的25% ；3)分散式電源併網點的短路電流與分散式電源額定電流之比不宜低於10 ；4)分散式電源接入電壓等級宜按照:200 kW及以下分散式電源接入380 V電壓等級電網;200 kW以上分散式電源接入10 kV (6 kV)及以上電壓等級電網。經過技術經濟比較，分散式電源採用低一電壓等級接入優於高一電壓等級接入時，可採用低一電壓等級接入。

配電網接納分散式電源的最大容量需要滿足標準要求的同時，滿足上述各類約束條件，才能保證系統安全穩定運行。

提升配電網接納能力的目標和方法

DG的接入改變了配電網的潮流分布和電壓分布，從而改變了各支路的電流分布；DG接入的位置和短路的類型不同，短路電路改變的大小幅度會有所不同；同時，由於DG的自身特性不同(旋轉型和逆變型)，在短路瞬間的暫態電流也會有所不同。這些因素都會對配電網短路電流產生不同程度的影響。

短路電流的改變不僅影響繼電保護的動作，也對一次設備的安全可靠運行帶來了新的挑戰。目前配電網的短路電流水平已經接近了開關設備的額定電流，所以DG的加入對於短路電流的助增作用可能會使短路電流超過設備的額定耐受範圍，從而造成開關設備無法正常開斷、變壓器線路等設備故障等問題。

因此提升配電網的接納能力，提高DG的準入容量，要著眼於一次設備的改造和升級，這一方而要限制配電網的短路電流幅值，另一方而要提高系統中一次設備的短路電流耐受能力。

限制短路電流幅值的方法包括:變電站母線分列運行，採用高阻抗設備，採用限流電抗器，加裝變壓器中性點小電抗接地等。

提高一次設備的短路電流耐受能力，具體要從變電站出線、輸電線路、變壓器、斷路器等設備入手，比如提高一次設備的耐受短路電流額定值、提高開關設備的遮斷能力等。

限制短路電流幅值的方法

(1)變電站母線分列運行。

打開母線分段開關，將母線分列運行，可以增大系統阻抗，有效降低系統的短路電流水平，該措施實施方便。

(2)採用高阻抗設備。

採用高阻抗變壓器是控制下一級電網短路電流的有效措施，特製的高阻抗變壓器通過改變變壓器內部結構可以獲得更高阻抗。採用高阻抗變壓器可以減少電抗器設備的使用，從而減少了檢修維護工作量，但高阻抗變壓器的價格要高於普通變壓器。

(3)採用串聯電抗器。

採用串聯電抗器是將一個固定電抗值的電抗器串聯接入線路，這是一種傳統的限流技術，運行方式簡單、安全可靠，但會影響電力系統的潮流分布且增加了無功損耗，對系統的穩定性也有一定影響。串聯電抗器一般安裝於母線聯絡處或線路接入處。

(4)加裝變壓器中性點小電抗接地。

在變壓器中性點加裝小電抗器施工便利，投資也較小，小電抗器的阻抗值在零序網路中將被放大，因此在單相短路電流過大而三相短路電流相對較小的場合很有效。

提高短路電流耐受能力一次設備校驗與改造

(1)線路改造分析。

當DG接入配電網後，正常工作電流和短路電流的改變可能使得原有線路的線徑不能滿足電能傳輸的要求。線路線徑選取的依據是DG接入後出現的最大負荷電流，同時利用經濟電流密度對線徑進行校核。

如果原有線路的最大允許電流大於DG接入後的最大負荷電流，則無需更換線路，否則有必要改造線路，通常採用擴大線徑的方式，使之滿足需求。

(2)斷路器改造分析。

對於斷路器的選取原則為：

a.按正常工作條件選擇額定電壓和額定電流；

b.按短路情況來校驗電器設備的動穩定和熱穩定；

c.按裝置地點的三相短路容量來校驗高壓斷路器的遮斷容量。

在校驗中主要比較斷路器的額定開斷電流與安裝處的最大短路電流的大小。如果DG接入後的電流水平超過配電網內原有斷路器的額定值，則需要更換更大標稱值的斷路器。對於隔離開關、互感器等設備的校驗和改造也與斷路器相同。開關設備的更換難度和成本根據其自身結構和安裝位置有所差別。

(3)變壓器改造分析。

DG接入配電網後在功率逆流時對變壓器帶來的衝擊影響較大，短路電流水平的增大也會損害變壓器的絕緣性能和抗短路電流的能力。校驗原則為變壓器容許的短路電流大於實際最大短路電流。

通常變壓器的增容和抗短路改造措施主要包括鐵芯、繞組、絕緣件的更換。由於變壓器的造價較高，在情況嚴重時才可以考慮更換新的變壓器。

提升配電網接納能力方法的對比分析

為了在滿足DG併網規範的條件下減輕分散式電源接入對網路的不良影響，提升網路對分散式電源的接納能力，各國採取了很多措施。其中一些是類似的措施，另一些則是特有的。

在電壓偏差約束方面

電壓偏差約束接納分散式電源能力，各國都就此提出了自己的解決方案。

澳大利亞更多地採用電網設備升級或更換的手段，其中包括：

(1)更換變壓器

由於分散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範圍以此來促進分散式電源的併網。在技術上，可以採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並不好。

(2)調整控制策略

當有載分接開關的控制策略是基於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並進行適當調整。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。

英國類似於澳大利亞的方式，也是通過電網設備的升級來增加其配電網對分散式電源的接納能力。但不同於澳大利亞針對變壓器的升級改造，英國更多是針對於饋線部分的加強。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路阻抗，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定在饋線中，這樣穩壓器和發電機協調運行來控制後面的電壓。

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

(1)創新設備

未來配電網仍將套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，德國正研發採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套用。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。

在短路容量約束方面

針對短路電流約束，澳大利亞採取的解決方法為：

(1)用低短路電流電源代替以前的電源。

(2)如果連線方案中包括升壓變壓器，採用高阻抗變壓器。

(3)在連線方案中加入限流器。

此外，在一些實例中，也會更換現有的電源或者其他設備。

而英國採用的方式除了傳統的網路元件升級外，還增加了一些網路調整手段，具體如下：

(1)網路元件升級

可以升級網路元件以調整對短路電流的適應性。但由於舊設備的故障電流容量並不容易確定，因此進行網路元件升級的辦法並不容易實現。

(2)提升元件的阻抗

這對於新設備而言是一種低成本的解決方案，易於實現，但是對於改造而言花費相當高，並不容易實現。

(3)通過網路重組校正短路電流問題

配電網的設計允許其改變連線方式，因此可以通過網路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線相鄰變電站的點。在故障回響或電網維護時可以暫時隔離一部分網路。

(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。

結語

雖然各個國家和地區存在著各類型的分散式電源併網準則且存在一定的差異性，但大體思路基本保持一致。而限制分散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散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，德國允許分散式電源採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散式電源主動的對公共連線點的電壓進行調節。這一反差的產生是由於德國相較於北美更多地採用分散式電源發電，進而需要分散式電源參與到電網的穩定和可靠運行中來。

短路容量方面，因分散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散式電源的最大容量。中國要求接入的分散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，其認為如果分散式電源的容量如果小於中/高壓變壓器容量的15%並且小於線路運行穩定限制的15%，在分散式電源併網時可以不用考慮短路容量方面的限制。

而針對於容量、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散式電源接納能力最有效的方法。

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

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

(4)就未來而說，分散式儲能、需求回響和協調電壓控制可視為有效的解決方案，但是其要視智慧型電網、電力市場和技術條件發展的成熟度而定。