美国分布式电源并网规则改进综述

2022-12-13王乾坤吕鑫昌

电力安全技术 2022年11期

关键词：电力公司分布式配电网

黄磊，王乾坤，汤琼，吕鑫昌，贺庆

(1.全球能源互联网发展合作组织，北京 100031；2.国网冀北电力有限公司，北京 100053)

0 引言

分布式电源已成为推动能源清洁发展、实现气候目标的热点。美国是全球分布式电源发展最早的国家之一，已经形成了一套完备的法律政策、技术标准和管理体系，能够充分发挥分布式电源的灵活性优势，同时尽可能减少分布式发电规模化之后给电网带来的冲击和影响。

近年来我国光伏发电规模快速壮大，分布式光伏装机更是增长迅猛。而由于分布式电源项目具有业主多样、运营模式复杂、影响配电网运行等特点，国内不少专家学者对国外特别是美国分布式电源发展进行了相关研究。

文献[1]阐述了美国分布式电源不同阶段下的市场准入政策。文献[2]研究了美国分布式电源的分类及有关技术特征。文献[3]分析了美国分布式发电的发展趋势和投资状况。文献[4]从电能质量、保护等角度比较了美国和欧洲分布式发电并网技术准则。文献[5]从故障穿越能力、电能质量等技术角度对比了美国、欧洲分布式电源的并网标准。然而，相关文献中未见对美国分布式电源并网技术标准体系的系统研究，也未见并网规则等方面的实践应用研究和分析。

因此，针对美国分布式电源发展现状与发展趋势进行梳理，系统介绍美国分布式电源并网技术标准体系及其重要指标与要求，深入研究美国基于可接纳容量分析的分布式电源并网管理实践，并提出相关建议以促进我国分布式电源安全有序发展。

1 美国分布式电源发展

美国分布式电源的定义由最初单纯的分布式发电逐步外延到储能、需求响应、能源效率、电动汽车等多个领域，并由此衍生出多种技术组合与商业模式，发展前景广阔。

作为推动能源低碳清洁发展、实现能源转型升级的重要途径，美国分布式电源发展呈现以下趋势。

(1) 分布式电源在美国能源电力结构中的重要性将更加突出。美国能源部开展的“光伏未来研究”认为，到2050年美国屋顶光伏装机总量可达到200 GW。美国国家可再生能源实验室(NREL)表示，如果美国计划2035年实现100 %清洁电力，分布式风电可供应全美目前年用电量的一半以上。

(2) 分布式电源领域的商业模式创新活跃，逐步演化衍生出虚拟净电量机制、聚合净电量机制、社区太阳能等多种新型商业模式，以支持鼓励更多用户、特别是难以独立安装分布式电源的用户参与其中；此外，“分布式+储能”以及虚拟电厂等模式方兴未艾。

(3) 推动解决配电网与分布式电源协调发展。分布式可再生电源具有间歇性和波动性特点，大规模接入后将改变传统配电网特征，对配电网电压、电能质量、继电保护、规划和调度运行等带来诸多不利影响。美国电力行业和企业主要从技术和管理两方面，促进分布式电源与配电网的协调发展，即技术上构建了以IEEE 1547 为核心的分布式电源并网技术标准体系；管理上引入了“配电网分布式电源可接纳容量”指标。

2 IEEE 1547 标准体系

IEEE 1547 标准即美国电气与电子工程师协会的第1547 号标准，是分布式电源与电力系统或电网互联的基础性技术依据。IEEE 1547 为整合清洁可再生能源技术及其他分布式发电与储能技术提供了帮助，针对符合标准的设备接入细节提出了强制性的功能技术要求和规范。内容涵盖并网技术标准、设计运行指南、影响分析评价等方面，形成了分布式电源接入电网的通用标准体系。

2.1 IEEE 1547 标准的更新

2003年6月，第1 版IEEE 1547 标准发布时，分布式电源只占据了系统发电的很小一部分，主要围绕分布式电源不干扰配网系统和保护的正常运行来制定，涉及四部分，即一般要求、对异常系统条件的响应、电力质量和孤岛。

2018年，IEEE 1547 正式发布，此时电网已经纳入了较高比例的分布式电源，对整个电网系统有着较大的影响，因此，在制定标准的过程中增加了对于电网支撑的要求。

IEEE 1547.1 提供了分布式电源负荷并网要求的验证测试和程序，2020年作了更新，增加了设备承受暂态低电压、高电压、异常频率和孤岛方面的内容。

IEEE 1547.2 提供了支持理解IEEE 1547 内容的技术背景、基本原理，提供了相关技巧、技术和经验法则，描述了各种形式的分布式资源技术及其相关的互联问题。

IEEE 1547.3 为项目投资者提供了实施监测、信息交换和控制的指南，以促进分布式资源的部署实施。指南结合了信息建模、计算方法和信息交换模板，并引入了信息交换接口的概念帮助实现监测、信息交换和控制。

IEEE 1547.4 为孤岛系统与电力系统连接的设计、运行和集成提供了方法。以IEEE 1547 的互联要求为基础，提供了解决分布式孤岛系统工程问题的方法，扩大了使用分布式电源的优势，提高了与电网互联的可靠性。

IEEE 1547.5 未正式发布，其内容主要是大于10 MVA 的分布式电源与电网互联的技术准则，涉及与电网互联的设计、施工、调试、测试的各项要求。

IEEE 1547.6 对分布式资源与配网二次网络互联规范提供了建议和指导，概述了配电网系统的设计、组成和运行；为网络配电系统的容灾对接提供了潜在的解决方案，侧重于与具有容灾能力的本地电力系统互联、与配电二次网络互联相关的技术问题；提供了与互联的性能、操作、测试、安全注意事项和维护相关的建议，以及通信和控制建议，并就必须解决的分布式电源互联问题提供了指导。

IEEE 1547.7 提出了分布式资源互联或聚合可能会导致超出正常规划的条件，并内置到配电系统中。该指南提供了相关的替代方法和良好实践的工程研究，描述了这些工程研究的标准、范围和程度，并为分布式资源所有者、互联承包商、区域配电系统所有者、运营商以及监管机构在配电系统的具体研究提供指导。

IEEE 1547.8 提供了针对分布式电源与电网互联系统及潜在不利影响的建议和改进方法，考虑了容灾技术能力、互联技术能力、容灾运行、区域电网运行、局部电网运行、对电能质量的影响(电压、频率)、容灾对接对异常状态(如电压、频率、故障)的响应以及通过容灾提高电力交付和电网运行可靠性及效率的潜力。

IEEE 1547.9 提供了IEEE 1547—2018 要求下储能与电力系统互联的指导。该指南考虑了能够双向有、无功潮流，并能够向电力系统输出功率；考虑了具有输出能力的电动汽车充电站与所连接的电力系统(V2G)的互联指导，同时扩展了有关非输出系统例外情况的指导，例如UPS 从电网接收能量，但只在离网时用于提供功率；指导充电和发电约束，尽量减少对配电系统的负面影响。

2.2 IEEE 1547 标准相关分析

2.2.1 通用联网规范和性能要求

分布式电源对无功输出/电压调节的A 级性能描述的是区域电网调节所需的能力，所有的分布式电源都应该合理地达到该性能水平，对于配网中分布式电源渗透率较低以及分布式电源总体功率输出没有频繁大波动的情况下，这个水平是足够的。B 级性能指在分布式电源总渗透率较高的地区，电网中应充分集成分布式电源所需的能力。

根据对区域电网异常情况的响应分级，I 级响应应满足电力系统的普通可靠性需求，II 级响应应保证大电网稳定性/可靠性的所有需求，III 级响应则同时涵盖大电网与配电网的需求。分布式电源针对不同级别的响应规定了最低设备能力要求以及控制参数值允许范围内的指定限制要求。

(1) 无功能力和电压调节性能。要求B 类要满足A 类的要求。

(2) 响应能力。要求II 级和III 级响应能力要具备一定的电压和频率穿越要求。

(3) 接入要求。要求分布式电源进入运行时，适用电压为0.917～1.05 p.u.，适用频率为59.5～60.1Hz，且许可证服务设置为“启用”。

2.2.2 电压/功率控制要求

IEEE 1547 要求根据正常工作时响应电压变化的不同特性和能力，对A 类和B 类分布式电源进行了具体划分，根据区域电网运营商与分布式电源之间相互协议，对其性能做了要求。

要求分布式电源在标称电压的0.88～1.1 倍条件下运行；在异常电压条件下，分布式电源应具有一定吸收和发出无功的能力；当系统电压恢复到正常范围后，分布式电源应恢复到干扰前的工作模式。此外，分布式电源不应使任何局域电网的任何节点超出正常范围。A 类分布式电源发出无功的能力不小于铭牌数值的44 %，吸收能力不小于铭牌数值的25 %，B 类则要求发出无功的能力和吸收能力均不小于44 %。

2.2.3 电网异常情况的响应

区域电力系统电压过高或过低时，分布式电源需要做出响应。电压异常状态下响应的要求见表1，分布式电源应在规定的切除时间内停止向区域电力系统供电，例如在并网点电压低于额定电压45 %或高于120 %时，切除时间要求在0.16 s 以内，I，II 级响应的电压响应要求相同，而III 级响应对分布式电源的承受能力要求更高。

表1 电压异常状态下的响应要求

电力系统频率过高或过低时，并网的分布式电源需做出响应支持电网，分布式电源并网标准对频率异常状态响应的要求见表2，应在对应的切除时间内停止供电，此表适用于I，II，III 级响应。

表2 频率异常状态下的响应要求

孤岛保护。要求检测到孤岛运行2 s 内切断电源，当电压和频率能够恢复到正常范围时，再延后5 min 并入电网运行。

3 美国分布式电源并网规则及应用

3.1 分布式电源可接纳容量概念

配电网分布式电源可接纳容量是指在满足供电设备和线路不过载、系统各项性能参数不超标的条件下，承载分布式光伏的最大容量。国内学者通常称之为“接纳能力”“准入容量”，国外文献多用“hosting capacity”来表征此量。美国州际可再生能源理事会(IREC)给出的定义是：在现有电网状况和运行条件下，在不对电网安全、电能质量、可靠性等产生负面影响，无需对电网基础设施进行重大升级改造的前提条件下，配电网可接纳的分布式电源最大容量或者规模。

3.2 相关政策规定

美国在全国层面没有对电力公司开展配电网分布式电源可接纳容量分析工作做出明确规定，但加利福尼亚州、纽约州、明尼苏达州等部分联邦州政府已先后提出强制性程度不同的政策，要求电力公司牵头开展配电网分布式电源可接纳容量分析。

3.2.1 加利福尼亚州

2013年，加利福尼亚州政府出台法案，要求投资者(所有电力公司)识别出分布式电源最佳并网点。加州公用事业委员会(CUPC)要求各电力公司于2015年7月前，至少在一些测试线路上使用通用方法开展“并网容量分析”。

2017年，CUPC 发布行政指令，强制要求州内太平洋燃气与电力公司、圣迭戈燃气与电力公司、南加州爱迪生电力公司三大投资者全面开展可容纳容量分析工作。

2022年6月，CPUC 发布新规，正式将“可接纳容量分析”结果纳入分布式电源并网审批流程。根据新规，只要配电网区域内分布式电源总装机容量不超过可接纳容量的90 %，并网申请就可以直接获得批准，超出这一比例后，需要对项目进行更详细的并网影响研究。这一新规被美国业界称为数十年来加州分布式电源并网领域的最重大改革。

3.2.2 纽约州

2015年，纽约州公共服务委员会(NY PSC)要求各电力公司将可接纳容量分析工作纳入“分布式系统实施计划”；要求各电力公司开发一套通用方法，在地图上发布所有回路的可接纳容量；要求各电力公司于2017-10-01 前完成所有12 kV 及以上回路的可接纳容量分析，并要求每年更新一次分析结果，每月更新一次并网排队数据。

3.2.3 明尼苏达州

2015年，明尼苏达州公用事业委员会(MN PUC)发布一项法令，要求Xcel 能源公司向两年更新一次的输电规划工作组提交小型分布式发电并网相关信息，要求Xcel 完成配电网每条母线对1 MW 及以下分布式电源的可接纳容量分析，并识别出潜在的配电网升级改造需求。

2017-08-01，MN PUC 发布可接纳容量报告导则，要求Xcel 每年提交可接纳容量报告，以彩色地图方式展示配电网母线层级准入容量，公众可下载分析结果。此外，MN PUC 还对Minnesota和Otter Tail 两家电力公司提出了同样要求。

3.3 分析方法

各州及各电力公司均是自主决定是否以及如何开展配电网分布式电源可接纳容量分析工作，因此在具体分析方法上并不统一，主要采取简化法、迭代法和随机法。这三种方法有一定程度的交叉重叠，但在基本方法论、分析结果和条件假设等方面有着显著区别。

(1) 简化法。简化法是将一套简化算法应用于每一个电力系统限制性条件，比如分布式电源并网时电网元件不超过热稳定极限，分布式发电并网容量不超过当前峰值负荷的15 %，以此估算配电网各节点可接入电源容量上限。纽约州各电力公司和明尼苏达州Xcel 能源公司采用的就是简化法。

(2) 迭代法。迭代法是直接为新增分布式电源建模，模拟出电网可接纳容量极限。具体步骤包括：在配电网节点上添加分布式电源模型，迭代运行潮流模拟，并得出并网容量上限。加利福尼亚州各电力公司均采用了这一方法。

(3) 随机法。随机法是从现有配电网建模开始，将不同规模的光伏或其他分布式电源接入随机选取的某条母线位置，然后评估这一随机位置对母线产生的各种负面影响，由此得出可接纳容量范围。

3.4 应用场景

配电网可接纳容量分析结果的应用领域主要包括三个方面。

(1) 分布式电源并网规则制定。

(2) 支撑配电网规划，这方面应用正在逐步加强和推广。

(3) 优化分布式电源位置效益，虽不是直接应用场景，但却是分布式电源效益最优化的重要辅助性工具。

3.4.1 应用于分布式电源并网管理

可接纳容量分析在并网管理中的应用流程如图1所示。通过为客户提供可接纳容量分析结果以及相应配电网地图，能够减少不恰当的并网申请项目，节省电力公司用于每个项目影响分析的资源投入。

图1 可接纳容量分析在并网管理中的应用流程

(1) 简化分布式电源的并网流程管理。当客户寻求在某个节点并网时，电力公司首先要判断该项目是否在可接纳容量范围内。如果是，则项目无需进行额外审查而获得并网审批；如果否，则电力公司需要对该项目进行额外研究，或者客户需要对项目进行重新设计以满足可接纳容量要求。

(2) 发布分布式电源并网点的地图信息。绘制全部回路的可接纳容量并对外公布，可以引导分布式电源客户将并网点选在电网价值最大化和项目成本最小化的位置。据此，可以帮助客户自主选择最佳并网点，加快并网流程。

3.4.2 应用于配电网规划

可接纳分布式电源容量分析是“综合配电网规划”的重要组成部分。传统配电网规划模式正在发生改变，需要考虑配电网中分布式电源的增长及其影响，包括修订负荷预测和分布式电源规划，提供满足新增负荷“非电网”解决方案。

通过可接纳容量分析，电力公司可超前规划配电网，更加公平地分摊疏导电网升级改造成本。根据美国现行规定，在分布式电源陆续接入配电网过程中，第一个引发电网升级改造需求的分布式电源项目需要承担电网全部升级改造成本；可提前主动识别具有成本效益的基础设施投资项目，从而使分布式电源投资者及其他电力用户受益。这种主动规划方法可以进行更高效、更经济的系统升级改造定位，同时实现各类电源、负荷和配网母线的收益优化。由于已经超前采取了可接纳容量提升措施，因而可以加速分布式电源并网流程。

3.4.3 应用于优化分布式电源位置效益

分布式电源项目在不同位置的能源价值、容量价值和电网价值存在差异。分布式电源可以为电网提供电压支撑、可靠性和灵活性服务、延长设备寿命，以及其他辅助服务，从而增加母线可容纳容量、抵消区域内部分增量负荷，减少甚至消除升级改造项目需求，以及产生公共环境和健康效益。

电力公司将位置效益分析与可接纳容量和分布式电源预测相结合，引导分布式电源置于最优电网位置，并通过出台相关电价机制鼓励分布式电源按照最优方式运行，实现对电网价值最大化，并对产生这些效益的分布式电源提供补偿。

(1) 加利福尼亚州在开展可接纳容量分析的同时，也开展位置净收益分析，用以识别低成本、高效益的分布式电源位置。该州提出更新配电网规划流程，将可接纳容量分析与分布式电源预测分析相结合，得出支持分布式电源增长的年度电网升级改造总需求。基于可接纳容量分析和位置净收益分析，分布式电源投资者可以提出满足电网需求的分布式电源解决方案。

(2) 纽约州开展的“分布式电源资源价值行动”，利用一套评估框架体系，能够更加精确地判定分布式电源的时间价值和位置价值，未来也有可能将其可接纳容量分析与位置净收益分析相结合。