黃 磊，王乾坤，湯 瓊，呂鑫昌，賀 慶

(1.全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織，北京 100031；2.國網(wǎng)冀北電力有限公司，北京 100053)

0 引言

分布式電源已成為推動能源清潔發(fā)展、實現(xiàn)氣候目標的熱點。美國是全球分布式電源發(fā)展最早的國家之一，已經(jīng)形成了一套完備的法律政策、技術標準和管理體系，能夠充分發(fā)揮分布式電源的靈活性優(yōu)勢，同時盡可能減少分布式發(fā)電規(guī)?；蠼o電網(wǎng)帶來的沖擊和影響。

近年來我國光伏發(fā)電規(guī)?？焖賶汛?，分布式光伏裝機更是增長迅猛。而由于分布式電源項目具有業(yè)主多樣、運營模式復雜、影響配電網(wǎng)運行等特點，國內不少專家學者對國外特別是美國分布式電源發(fā)展進行了相關研究。

文獻[1]闡述了美國分布式電源不同階段下的市場準入政策。文獻[2]研究了美國分布式電源的分類及有關技術特征。文獻[3]分析了美國分布式發(fā)電的發(fā)展趨勢和投資狀況。文獻[4]從電能質量、保護等角度比較了美國和歐洲分布式發(fā)電并網(wǎng)技術準則。文獻[5]從故障穿越能力、電能質量等技術角度對比了美國、歐洲分布式電源的并網(wǎng)標準。然而，相關文獻中未見對美國分布式電源并網(wǎng)技術標準體系的系統(tǒng)研究，也未見并網(wǎng)規(guī)則等方面的實踐應用研究和分析。

因此，針對美國分布式電源發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢進行梳理，系統(tǒng)介紹美國分布式電源并網(wǎng)技術標準體系及其重要指標與要求，深入研究美國基于可接納容量分析的分布式電源并網(wǎng)管理實踐，并提出相關建議以促進我國分布式電源安全有序發(fā)展。

1 美國分布式電源發(fā)展

美國分布式電源的定義由最初單純的分布式發(fā)電逐步外延到儲能、需求響應、能源效率、電動汽車等多個領域，并由此衍生出多種技術組合與商業(yè)模式，發(fā)展前景廣闊。

作為推動能源低碳清潔發(fā)展、實現(xiàn)能源轉型升級的重要途徑，美國分布式電源發(fā)展呈現(xiàn)以下趨勢。

(1) 分布式電源在美國能源電力結構中的重要性將更加突出。美國能源部開展的“光伏未來研究”認為，到2050年美國屋頂光伏裝機總量可達到200 GW。美國國家可再生能源實驗室(NREL)表示，如果美國計劃2035年實現(xiàn)100 %清潔電力，分布式風電可供應全美目前年用電量的一半以上。

(2) 分布式電源領域的商業(yè)模式創(chuàng)新活躍，逐步演化衍生出虛擬凈電量機制、聚合凈電量機制、社區(qū)太陽能等多種新型商業(yè)模式，以支持鼓勵更多用戶、特別是難以獨立安裝分布式電源的用戶參與其中；此外，“分布式+儲能”以及虛擬電廠等模式方興未艾。

(3) 推動解決配電網(wǎng)與分布式電源協(xié)調發(fā)展。分布式可再生電源具有間歇性和波動性特點，大規(guī)模接入后將改變傳統(tǒng)配電網(wǎng)特征，對配電網(wǎng)電壓、電能質量、繼電保護、規(guī)劃和調度運行等帶來諸多不利影響。美國電力行業(yè)和企業(yè)主要從技術和管理兩方面，促進分布式電源與配電網(wǎng)的協(xié)調發(fā)展，即技術上構建了以IEEE 1547 為核心的分布式電源并網(wǎng)技術標準體系；管理上引入了“配電網(wǎng)分布式電源可接納容量”指標。

2 IEEE 1547 標準體系

IEEE 1547 標準即美國電氣與電子工程師協(xié)會的第1547 號標準，是分布式電源與電力系統(tǒng)或電網(wǎng)互聯(lián)的基礎性技術依據(jù)。IEEE 1547 為整合清潔可再生能源技術及其他分布式發(fā)電與儲能技術提供了幫助，針對符合標準的設備接入細節(jié)提出了強制性的功能技術要求和規(guī)范。內容涵蓋并網(wǎng)技術標準、設計運行指南、影響分析評價等方面，形成了分布式電源接入電網(wǎng)的通用標準體系。

2.1 IEEE 1547 標準的更新

2003年6月，第1 版IEEE 1547 標準發(fā)布時，分布式電源只占據(jù)了系統(tǒng)發(fā)電的很小一部分，主要圍繞分布式電源不干擾配網(wǎng)系統(tǒng)和保護的正常運行來制定，涉及四部分，即一般要求、對異常系統(tǒng)條件的響應、電力質量和孤島。

2018年，IEEE 1547 正式發(fā)布，此時電網(wǎng)已經(jīng)納入了較高比例的分布式電源，對整個電網(wǎng)系統(tǒng)有著較大的影響，因此，在制定標準的過程中增加了對于電網(wǎng)支撐的要求。

IEEE 1547.1 提供了分布式電源負荷并網(wǎng)要求的驗證測試和程序，2020年作了更新，增加了設備承受暫態(tài)低電壓、高電壓、異常頻率和孤島方面的內容。

IEEE 1547.2 提供了支持理解IEEE 1547 內容的技術背景、基本原理，提供了相關技巧、技術和經(jīng)驗法則，描述了各種形式的分布式資源技術及其相關的互聯(lián)問題。

IEEE 1547.3 為項目投資者提供了實施監(jiān)測、信息交換和控制的指南，以促進分布式資源的部署實施。指南結合了信息建模、計算方法和信息交換模板，并引入了信息交換接口的概念幫助實現(xiàn)監(jiān)測、信息交換和控制。

IEEE 1547.4 為孤島系統(tǒng)與電力系統(tǒng)連接的設計、運行和集成提供了方法。以IEEE 1547 的互聯(lián)要求為基礎，提供了解決分布式孤島系統(tǒng)工程問題的方法，擴大了使用分布式電源的優(yōu)勢，提高了與電網(wǎng)互聯(lián)的可靠性。

IEEE 1547.5 未正式發(fā)布，其內容主要是大于10 MVA 的分布式電源與電網(wǎng)互聯(lián)的技術準則，涉及與電網(wǎng)互聯(lián)的設計、施工、調試、測試的各項要求。

IEEE 1547.6 對分布式資源與配網(wǎng)二次網(wǎng)絡互聯(lián)規(guī)范提供了建議和指導，概述了配電網(wǎng)系統(tǒng)的設計、組成和運行；為網(wǎng)絡配電系統(tǒng)的容災對接提供了潛在的解決方案，側重于與具有容災能力的本地電力系統(tǒng)互聯(lián)、與配電二次網(wǎng)絡互聯(lián)相關的技術問題；提供了與互聯(lián)的性能、操作、測試、安全注意事項和維護相關的建議，以及通信和控制建議，并就必須解決的分布式電源互聯(lián)問題提供了指導。

IEEE 1547.7 提出了分布式資源互聯(lián)或聚合可能會導致超出正常規(guī)劃的條件，并內置到配電系統(tǒng)中。該指南提供了相關的替代方法和良好實踐的工程研究，描述了這些工程研究的標準、范圍和程度，并為分布式資源所有者、互聯(lián)承包商、區(qū)域配電系統(tǒng)所有者、運營商以及監(jiān)管機構在配電系統(tǒng)的具體研究提供指導。

IEEE 1547.8 提供了針對分布式電源與電網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)及潛在不利影響的建議和改進方法，考慮了容災技術能力、互聯(lián)技術能力、容災運行、區(qū)域電網(wǎng)運行、局部電網(wǎng)運行、對電能質量的影響(電壓、頻率)、容災對接對異常狀態(tài)(如電壓、頻率、故障)的響應以及通過容災提高電力交付和電網(wǎng)運行可靠性及效率的潛力。

IEEE 1547.9 提供了IEEE 1547—2018 要求下儲能與電力系統(tǒng)互聯(lián)的指導。該指南考慮了能夠雙向有、無功潮流，并能夠向電力系統(tǒng)輸出功率；考慮了具有輸出能力的電動汽車充電站與所連接的電力系統(tǒng)(V2G)的互聯(lián)指導，同時擴展了有關非輸出系統(tǒng)例外情況的指導，例如UPS 從電網(wǎng)接收能量，但只在離網(wǎng)時用于提供功率；指導充電和發(fā)電約束，盡量減少對配電系統(tǒng)的負面影響。

2.2 IEEE 1547 標準相關分析

2.2.1 通用聯(lián)網(wǎng)規(guī)范和性能要求

分布式電源對無功輸出/電壓調節(jié)的A 級性能描述的是區(qū)域電網(wǎng)調節(jié)所需的能力，所有的分布式電源都應該合理地達到該性能水平，對于配網(wǎng)中分布式電源滲透率較低以及分布式電源總體功率輸出沒有頻繁大波動的情況下，這個水平是足夠的。B 級性能指在分布式電源總滲透率較高的地區(qū)，電網(wǎng)中應充分集成分布式電源所需的能力。

根據(jù)對區(qū)域電網(wǎng)異常情況的響應分級，I 級響應應滿足電力系統(tǒng)的普通可靠性需求，II 級響應應保證大電網(wǎng)穩(wěn)定性/可靠性的所有需求，III 級響應則同時涵蓋大電網(wǎng)與配電網(wǎng)的需求。分布式電源針對不同級別的響應規(guī)定了最低設備能力要求以及控制參數(shù)值允許范圍內的指定限制要求。

(1) 無功能力和電壓調節(jié)性能。要求B 類要滿足A 類的要求。

(2) 響應能力。要求II 級和III 級響應能力要具備一定的電壓和頻率穿越要求。

(3) 接入要求。要求分布式電源進入運行時，適用電壓為0.917～1.05 p.u.，適用頻率為59.5～60.1Hz，且許可證服務設置為“啟用”。

2.2.2 電壓/功率控制要求

IEEE 1547 要求根據(jù)正常工作時響應電壓變化的不同特性和能力，對A 類和B 類分布式電源進行了具體劃分，根據(jù)區(qū)域電網(wǎng)運營商與分布式電源之間相互協(xié)議，對其性能做了要求。

要求分布式電源在標稱電壓的0.88～1.1 倍條件下運行；在異常電壓條件下，分布式電源應具有一定吸收和發(fā)出無功的能力；當系統(tǒng)電壓恢復到正常范圍后，分布式電源應恢復到干擾前的工作模式。此外，分布式電源不應使任何局域電網(wǎng)的任何節(jié)點超出正常范圍。A 類分布式電源發(fā)出無功的能力不小于銘牌數(shù)值的44 %，吸收能力不小于銘牌數(shù)值的25 %，B 類則要求發(fā)出無功的能力和吸收能力均不小于44 %。

2.2.3 電網(wǎng)異常情況的響應

區(qū)域電力系統(tǒng)電壓過高或過低時，分布式電源需要做出響應。電壓異常狀態(tài)下響應的要求見表1，分布式電源應在規(guī)定的切除時間內停止向區(qū)域電力系統(tǒng)供電，例如在并網(wǎng)點電壓低于額定電壓45 %或高于120 %時，切除時間要求在0.16 s 以內，I，II 級響應的電壓響應要求相同，而III 級響應對分布式電源的承受能力要求更高。

表1 電壓異常狀態(tài)下的響應要求

電力系統(tǒng)頻率過高或過低時，并網(wǎng)的分布式電源需做出響應支持電網(wǎng)，分布式電源并網(wǎng)標準對頻率異常狀態(tài)響應的要求見表2，應在對應的切除時間內停止供電，此表適用于I，II，III 級響應。

表2 頻率異常狀態(tài)下的響應要求

孤島保護。要求檢測到孤島運行2 s 內切斷電源，當電壓和頻率能夠恢復到正常范圍時，再延后5 min 并入電網(wǎng)運行。

3 美國分布式電源并網(wǎng)規(guī)則及應用

3.1 分布式電源可接納容量概念

配電網(wǎng)分布式電源可接納容量是指在滿足供電設備和線路不過載、系統(tǒng)各項性能參數(shù)不超標的條件下，承載分布式光伏的最大容量。國內學者通常稱之為“接納能力”“準入容量”，國外文獻多用“hosting capacity”來表征此量。美國州際可再生能源理事會(IREC)給出的定義是：在現(xiàn)有電網(wǎng)狀況和運行條件下，在不對電網(wǎng)安全、電能質量、可靠性等產生負面影響，無需對電網(wǎng)基礎設施進行重大升級改造的前提條件下，配電網(wǎng)可接納的分布式電源最大容量或者規(guī)模。

3.2 相關政策規(guī)定

美國在全國層面沒有對電力公司開展配電網(wǎng)分布式電源可接納容量分析工作做出明確規(guī)定，但加利福尼亞州、紐約州、明尼蘇達州等部分聯(lián)邦州政府已先后提出強制性程度不同的政策，要求電力公司牽頭開展配電網(wǎng)分布式電源可接納容量分析。

3.2.1 加利福尼亞州

2013年，加利福尼亞州政府出臺法案，要求投資者(所有電力公司)識別出分布式電源最佳并網(wǎng)點。加州公用事業(yè)委員會(CUPC)要求各電力公司于2015年7月前，至少在一些測試線路上使用通用方法開展“并網(wǎng)容量分析”。

2017年，CUPC 發(fā)布行政指令，強制要求州內太平洋燃氣與電力公司、圣迭戈燃氣與電力公司、南加州愛迪生電力公司三大投資者全面開展可容納容量分析工作。

2022年6月，CPUC 發(fā)布新規(guī)，正式將“可接納容量分析”結果納入分布式電源并網(wǎng)審批流程。根據(jù)新規(guī)，只要配電網(wǎng)區(qū)域內分布式電源總裝機容量不超過可接納容量的90 %，并網(wǎng)申請就可以直接獲得批準，超出這一比例后，需要對項目進行更詳細的并網(wǎng)影響研究。這一新規(guī)被美國業(yè)界稱為數(shù)十年來加州分布式電源并網(wǎng)領域的最重大改革。

3.2.2 紐約州

2015年，紐約州公共服務委員會(NY PSC)要求各電力公司將可接納容量分析工作納入“分布式系統(tǒng)實施計劃”；要求各電力公司開發(fā)一套通用方法，在地圖上發(fā)布所有回路的可接納容量；要求各電力公司于2017-10-01 前完成所有12 kV 及以上回路的可接納容量分析，并要求每年更新一次分析結果，每月更新一次并網(wǎng)排隊數(shù)據(jù)。

3.2.3 明尼蘇達州

2015年，明尼蘇達州公用事業(yè)委員會(MN PUC)發(fā)布一項法令，要求Xcel 能源公司向兩年更新一次的輸電規(guī)劃工作組提交小型分布式發(fā)電并網(wǎng)相關信息，要求Xcel 完成配電網(wǎng)每條母線對1 MW 及以下分布式電源的可接納容量分析，并識別出潛在的配電網(wǎng)升級改造需求。

2017-08-01，MN PUC 發(fā)布可接納容量報告導則，要求Xcel 每年提交可接納容量報告，以彩色地圖方式展示配電網(wǎng)母線層級準入容量，公眾可下載分析結果。此外，MN PUC 還對Minnesota和Otter Tail 兩家電力公司提出了同樣要求。

3.3 分析方法

各州及各電力公司均是自主決定是否以及如何開展配電網(wǎng)分布式電源可接納容量分析工作，因此在具體分析方法上并不統(tǒng)一，主要采取簡化法、迭代法和隨機法。這三種方法有一定程度的交叉重疊，但在基本方法論、分析結果和條件假設等方面有著顯著區(qū)別。

(1) 簡化法。簡化法是將一套簡化算法應用于每一個電力系統(tǒng)限制性條件，比如分布式電源并網(wǎng)時電網(wǎng)元件不超過熱穩(wěn)定極限，分布式發(fā)電并網(wǎng)容量不超過當前峰值負荷的15 %，以此估算配電網(wǎng)各節(jié)點可接入電源容量上限。紐約州各電力公司和明尼蘇達州Xcel 能源公司采用的就是簡化法。

(2) 迭代法。迭代法是直接為新增分布式電源建模，模擬出電網(wǎng)可接納容量極限。具體步驟包括：在配電網(wǎng)節(jié)點上添加分布式電源模型，迭代運行潮流模擬，并得出并網(wǎng)容量上限。加利福尼亞州各電力公司均采用了這一方法。

(3) 隨機法。隨機法是從現(xiàn)有配電網(wǎng)建模開始，將不同規(guī)模的光伏或其他分布式電源接入隨機選取的某條母線位置，然后評估這一隨機位置對母線產生的各種負面影響，由此得出可接納容量范圍。

3.4 應用場景

配電網(wǎng)可接納容量分析結果的應用領域主要包括三個方面。

(1) 分布式電源并網(wǎng)規(guī)則制定。

(2) 支撐配電網(wǎng)規(guī)劃，這方面應用正在逐步加強和推廣。

(3) 優(yōu)化分布式電源位置效益，雖不是直接應用場景，但卻是分布式電源效益最優(yōu)化的重要輔助性工具。

3.4.1 應用于分布式電源并網(wǎng)管理

可接納容量分析在并網(wǎng)管理中的應用流程如圖1所示。通過為客戶提供可接納容量分析結果以及相應配電網(wǎng)地圖，能夠減少不恰當?shù)牟⒕W(wǎng)申請項目，節(jié)省電力公司用于每個項目影響分析的資源投入。

圖1 可接納容量分析在并網(wǎng)管理中的應用流程

(1) 簡化分布式電源的并網(wǎng)流程管理。當客戶尋求在某個節(jié)點并網(wǎng)時，電力公司首先要判斷該項目是否在可接納容量范圍內。如果是，則項目無需進行額外審查而獲得并網(wǎng)審批；如果否，則電力公司需要對該項目進行額外研究，或者客戶需要對項目進行重新設計以滿足可接納容量要求。

(2) 發(fā)布分布式電源并網(wǎng)點的地圖信息。繪制全部回路的可接納容量并對外公布，可以引導分布式電源客戶將并網(wǎng)點選在電網(wǎng)價值最大化和項目成本最小化的位置。據(jù)此，可以幫助客戶自主選擇最佳并網(wǎng)點，加快并網(wǎng)流程。

3.4.2 應用于配電網(wǎng)規(guī)劃

可接納分布式電源容量分析是“綜合配電網(wǎng)規(guī)劃”的重要組成部分。傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃模式正在發(fā)生改變，需要考慮配電網(wǎng)中分布式電源的增長及其影響，包括修訂負荷預測和分布式電源規(guī)劃，提供滿足新增負荷“非電網(wǎng)”解決方案。

通過可接納容量分析，電力公司可超前規(guī)劃配電網(wǎng)，更加公平地分攤疏導電網(wǎng)升級改造成本。根據(jù)美國現(xiàn)行規(guī)定，在分布式電源陸續(xù)接入配電網(wǎng)過程中，第一個引發(fā)電網(wǎng)升級改造需求的分布式電源項目需要承擔電網(wǎng)全部升級改造成本；可提前主動識別具有成本效益的基礎設施投資項目，從而使分布式電源投資者及其他電力用戶受益。這種主動規(guī)劃方法可以進行更高效、更經(jīng)濟的系統(tǒng)升級改造定位，同時實現(xiàn)各類電源、負荷和配網(wǎng)母線的收益優(yōu)化。由于已經(jīng)超前采取了可接納容量提升措施，因而可以加速分布式電源并網(wǎng)流程。

3.4.3 應用于優(yōu)化分布式電源位置效益

分布式電源項目在不同位置的能源價值、容量價值和電網(wǎng)價值存在差異。分布式電源可以為電網(wǎng)提供電壓支撐、可靠性和靈活性服務、延長設備壽命，以及其他輔助服務，從而增加母線可容納容量、抵消區(qū)域內部分增量負荷，減少甚至消除升級改造項目需求，以及產生公共環(huán)境和健康效益。

電力公司將位置效益分析與可接納容量和分布式電源預測相結合，引導分布式電源置于最優(yōu)電網(wǎng)位置，并通過出臺相關電價機制鼓勵分布式電源按照最優(yōu)方式運行，實現(xiàn)對電網(wǎng)價值最大化，并對產生這些效益的分布式電源提供補償。

(1) 加利福尼亞州在開展可接納容量分析的同時，也開展位置凈收益分析，用以識別低成本、高效益的分布式電源位置。該州提出更新配電網(wǎng)規(guī)劃流程，將可接納容量分析與分布式電源預測分析相結合，得出支持分布式電源增長的年度電網(wǎng)升級改造總需求?；诳山蛹{容量分析和位置凈收益分析，分布式電源投資者可以提出滿足電網(wǎng)需求的分布式電源解決方案。

(2) 紐約州開展的“分布式電源資源價值行動”，利用一套評估框架體系，能夠更加精確地判定分布式電源的時間價值和位置價值，未來也有可能將其可接納容量分析與位置凈收益分析相結合。

3.5 應用案例

PEPCO 電力公司是美國首批開展配電網(wǎng)分布式電源可接納容量分析的電力公司之一，服務89.4 萬個客戶及240 萬人口。

3.5.1 分析方法

2015年，在美國能源部資助下，PEPCO 公司啟動相關研究，采用“隨機法”確定所有配電母線的分布式電源可接納容量。該方法是通過模擬光伏項目隨機接入母線的各種情景，確定可接納容量范圍，而不是確定某條母線的具體可接納容量。

3.5.2 結果應用

PEPCO 公司將可接納容量分析方法用于簡化經(jīng)營區(qū)域內分布式電源并網(wǎng)流程。通過開展可接納容量分析，識別出“受限制回路”，即需要進行重大投資改造才能在不影響系統(tǒng)運行指標的條件下實現(xiàn)分布式電源安全接入。

該公司將受限制回路分為三類。

(1) 各種規(guī)模的項目都受到限制的回路。

(2) 250 kW 以上項目受到限制的回路。

(3) 50 kW 以上項目受到限制的回路。

PEPCO 公司將可接納容量地圖(受限制回路地圖)在其官方網(wǎng)站發(fā)布，至少每個季度更新一次，用顏色標記各條回路受限制類型。PEPCO 公司對受限制回路以外的分布式電源項目，以及裝機規(guī)模低于回路限制水平的并網(wǎng)申請，給予簡化并網(wǎng)流程。

4 結束語

美國通過政策、技術和管理的組合拳，適應和推動分布式電源向高比例、大規(guī)模發(fā)展；通過建立以IEEE 1547 為主的并網(wǎng)技術標準體系，解決了分布式電源并網(wǎng)的電網(wǎng)安全問題，并根據(jù)技術發(fā)展需要不斷修訂和完善。該國部分州和電力公司引入可接納分布式容量分析引導分布式電源合理布局，減少了配電網(wǎng)的改造需求。

根據(jù)國際能源署的研究，中國分布式電源占比2030年可達到28 %[7]。因此，針對美國分布式電源并網(wǎng)標準和管理實踐的分析，對于推進我國分布式電源的發(fā)展，尤其是政策的制定，具有重要的借鑒意義。