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国内外新能源并网标准差异化分析

北极星风力发电网  来源:泰坦之家  作者:Titan  2019/12/23 8:59:55  我要投稿  

北极星风力发电网讯:本文选取进行对比分析的标准有:

(来源:微信公众号“泰坦之家”作者:Titan)

中国光伏:

GB/T 19964-2012《光伏发电站接入电力系统技术规定》

GB/T 29319-2012《光伏发电系统接入配电网技术规定》

中国风电:

GB/T 19963-2011《风电场接入电力系统技术规定》

北美:

IEEE 1547-2018

德国:

VDE 4105-2018

VDE 4110-2017

南非:

GCCSA-2012

(一)标准适用范围

对于接入不同电网等级的新能源电站,各国或采用不同的标准分别给出并网要求,或在同一个标准中进行分类给出不同的技术要求,如下图:

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(1)德国标准按照接入电压等级进行分类,VDE 4110适用于接入中压电网运行及并网点在低压电网但公共连接点在中压电网的新能源电站。VDE 4105适用于并网点、公共连接点均在低压电网的新能源电站。适用于接入高压电网的VDE 4120尚在编制中。

(2)美国标准按照接入电力系统的不同位置划分(不考虑接入电压等级),IEEE 1547标准明确标准适用于分布式电源接入初级或次级配电网,适用于接入输电网或子输电网新能源电站的并网标准IEEE P2800还在制定中。

(3)中国标准结合上上述两种分类方法,新能源电站同时按照接入的电压等级分类和接入位置进行分类。对于光伏电站,接380V电压等级为1类电站,接入35kV及以上电压等级为2类电站,接入10kV电压等级的则需按照接入用户侧和公共电网侧区分为1类和2类。风电场接入66kV及以上电压等级,应归属于2类电站。

(4)南非标准新能源电站按照接入容量,选取1MVA和20MVA两个分界点分为A、B、C三类电站,不同容量的电站分别接入不同电压等级的电网。

根据各自标准的适用范围,可大致将并网接入要求为两类:

——对于容量较小且接入配用电侧的新能源电站(下文简称1类电站),标准制定的原则以保护自身设备不损害为主,几乎不考虑对电网的支撑作用,对发电站提出的技术指标相对较低。

——对于容量较大且接入输电侧的新能源电站(下文简称2类电站),标准制定的原则以维持电网安全稳定为主,对发电站提出的技术指标较高。

(二)电压波动限值

对于1类电站,当电网电压偏离正常运行的范围时,新能源电站应在一定时间范围内跳闸。跳闸一般分为快速跳闸和慢速跳闸,如下图所示:

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  • 德国、中国、南非标准的跳闸阈值和跳闸时间固定不可调。

  • 美国标准规定跳闸阈值和跳闸时间完全可调,以适应不同地域配电网特殊电压波动的范围。

  • 但中国标准跳闸时间设置存在一定问题:跳闸时间为≤2s(非2s)。

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    对于光伏逆变器厂商来说,就存在一个投机取巧的设置,只要逆变器交流侧电压偏离了正常运行范围就立即跳闸(例如0.1s跳闸),即可同时满足4个不同电压区域的标准要求。但这明显违背了标准设置慢速跳闸和快速跳闸的初衷。

    有学者认为,设置慢速快速跳闸因为:当电压偏离正常值范围较小时,逆变器需要一个较长的周期(2s)才能检测出准确的电压值,而当电压偏离正常值范围较大时,逆变器则能更快的(0.2s)检测出电压值。笔者认为不然。

    对于测量元件来说,与频率测量不同。元件通常只需要一个周期(50Hz对应0.02s)甚至半个周期即可准确测量当前电压有效值。对于逆变器来说,测量+控制,10个周期已经绰绰有余,这个技术在10年前就可以实现,多给出1.8s没有任何意义。

    笔者认为,之所以设置慢速跳闸(或称为延时跳闸),是为了使得新能源电站“穿越”由于负荷启停造成电压暂降暂升时期而防止误跳闸设置的功能。这里对比德国标准尤其明显,德国标准只有欠压区域存在满足跳闸的要求,正是为了躲避低压电网大型异步电动机启动时造成的电压暂降问题。

    标准修改建议:删除满足跳闸“≤”,改为固定延时。

    对于2类电站,各国标准亦规定了各自正常运行的电压范围。当电网偏离正常工作范围时,部分标准规定了最短运行时间(或进入电压故障穿越区域),超出时间后,电站可根据自身的条件自行决定是否跳闸。

    1.jpg

    (三)频率波动限值

    对于1类电站,与电压波动限值相同。跳闸一般分为快速跳闸和慢速跳闸,如下图所示:

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  • 美国标准规定跳闸阈值和跳闸时间完全可调,以适应不同地域配电网特殊频率波动的范围。

  • 德国和南非标准采用最短并网时间(频率适应性)替代了跳闸要求,减少了由于电网频率波动造成新能源电站跳闸的情况。

  • 中国标准只有快速跳闸且跳闸阈值和时间固定。

  • 对于2类电站,当并网点频率偏离正常值时,除南非和中国标准外,其他各国标准均有没有强制跳闸的技术要求,各国标准均要求新能源电站应能支撑一段时间后方可跳闸。

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  • 南非标准采用“反时限”频率适应性,即电网频率的偏移值与新能源电站维持并网时间成反比。电网频率偏离越多,标准要求维持并网时间越短。当电网频率严重偏离时,新能源电站应在短时间内跳闸。

  • 南非标准采用“单次”和“累计”频率适应性,即考虑了新能源电站对电网的支撑作用,又兼顾了新能源电站自身运行特性。

  • 中国风电标准与德国标准相似,仅规定了电网频率偏移一定范围时,新能源电站的最短运行时间。

  • 中国标准存在的问题:频率适用性正常范围过窄

    对于1类电站,正常运行范围仅为-0.5Hz到+0.2Hz,当高压直流电路发生发生故障时,处于送端电网位置的主网频率会发生大幅度波动,有可能直接导致分布式光伏电站大规模脱网。华东电网根据电网安全运行需要,出具了《华东区域电力安全生产委员会关于开展华东区域分布式光伏涉网频率专项核查整改工作的通知》的文件,要求华东地区分布式光伏根据需要修改涉网频率定值。

    对于2类电站,同样不适用于电网结构薄弱的西藏地区。2015年3月,国网西藏电力有限公司调控中心印发了《国网西藏电力有限公司调控中心关于并网光伏电站整改工作的通知》,要求各光伏发电企业按照相关规定完成整定涉网频率参数的整改。

    随着新能源发电技术水平的不断提高,新能源电站中的关键设备逆变器与风电机组的频率适应能力的增强,部分设备已达到传统火电/水电同步发电机的频率适应性要求。对于光伏逆变器,其自身的频率使用范围很广。据逆变器厂家反馈,相同硬件配置的逆变器几乎可以完全适用于50Hz和60Hz的电网,只需修改相关软件设置即可。

    标准修改建议:

    对于使用双馈式风机的风电场,可根据机组自身的频率适用性能力适当放宽频率适应性范围;

    对于使用直驱式风机的风电场、光伏电站(无论1类和2类),频率适应性范围可参照GB/T 31464-2015《电网运行准则》的对传统发电机组的技术。

    (四)电压故障穿越

    电压故障穿越是新能源电站接入电力系统的关键性指标,一般只对2类电站提出要求,但美国和德国标准同样对1类电站有涉及,如下图所示:

    1.jpg

    各国故障穿越曲线不尽相同,强行对比意义不大。但大体原则一致:即偏离正常范围越多,标准要求维持并网时间越短。笔者初步推断,故障穿越曲线制定的范围还可能与如下因素相关:

  • 保护定制:电网短路故障保护定制时间设定的越长,相同故障电压下标准要求的电压故障穿越时间越长,反之亦然。

  • 电网结构:电网结构越薄弱,短路容量越小,标准电压故障穿越要求中的高电压穿越的最大幅值越高,反之亦然。

  • 电网渗透率:新能源在该地域中发电量占比越高,电网对新能源电站的安全稳定支撑能要求也越高,标准电压故障穿越要求最高/低故障电压和穿越时间也越高,反之亦然。

  • 电网运营商和设备制造商博弈的结果。

  • 但目前为止:中国风电接入标准GB/T 19963和光伏接入标准GB/T 19964均没有高电压穿越的要求,应在标准中增加。

    (五)防孤岛保护

    (1)对于1类电站,各国标准均要求设置防孤岛保护,中国、德国标准要求保护时间为2s,美国是2s-5s连续可调,南非是0.2s。

    (2)对于2类电站,各国标准对是否设置防孤岛保护目前尚未有分歧。德国标准没有要求而南非标准有要求,中国风电场接入标准未涉及,但光伏电站接入标准明确提出了防孤岛保护的要求。

    对于是否需要设置防孤岛保护,笔者以为:因为对于设备制造商(变流器)来说,孤岛检测功能与故障穿越功能存在冲突,在一定的技术领域内无法突破。因此,笔者建议:

    对于2类电站,由于自身负荷很低,几乎不可能产生孤岛现象。而且电站完全可以采用公共连接点并网开关带动每个风电机组(光伏发电单元)出口开关联动跳闸完美避免孤岛现象。因此标准应以故障穿越为主,无需设置防孤岛功能。

    对于1类电站,标准应要求有孤岛功能,但若1类电站具有故障穿越的技术要求,“孤岛检测时间”>“故障穿越要求的最长时间”,方可完美实现两种功能。


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