微電網(wǎng)用中小型風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計特點

楊 偉

(北京科銳配電自動化股份有限公司，北京 100085)

0 引 言

近年來，美國、歐盟、日本和中國等國家都開展了對微電網(wǎng)技術(shù)的研究，并建立了一些示范項目。美國的CERTS(可靠性技術(shù)解決方案委員會)是最早提出微電網(wǎng)概念的國際機構(gòu)［1－3］。微電網(wǎng)是將各類微型電源、儲能裝置、負(fù)荷及控制裝置集成起來，形成一個單一可控的單元，同時向用戶供給電能和冷、熱能。微電網(wǎng)既可以與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可以孤立運行，具有高度的自治性，是智能電網(wǎng)的重要組成部分。微電網(wǎng)的出現(xiàn)很好地解決了分布式發(fā)電的并網(wǎng)難題，同時微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的互相支撐也大大提高了對重要負(fù)荷供電的可靠性［4］。

微電網(wǎng)中的微型電源包括微型燃?xì)廨啓C、風(fēng)力發(fā)電機、光伏電池、儲能電池和燃料電池等。圖1的微電網(wǎng)系統(tǒng)包含了光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電、微型燃?xì)廨啓C等微型電源，其中一些微型電源還可以向附近的熱力負(fù)荷提供熱源，從而提高了能量的利用率［5］。

我國地域遼闊，風(fēng)能資源非常豐富，風(fēng)力發(fā)電將會是微電網(wǎng)中重要的微型電源形式，因此對接入微電網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機組進行深入研究具有重要的意義。

圖1 微電網(wǎng)示意圖

1 常規(guī)中小型風(fēng)力發(fā)電機組技術(shù)特點

接入微電網(wǎng)中的風(fēng)力發(fā)電機組一般都是中小型風(fēng)力發(fā)電機組［6］，主要由風(fēng)力發(fā)電機、控制器(內(nèi)含整流器)和并網(wǎng)逆變器等設(shè)備構(gòu)成。風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的三相交流電經(jīng)控制器整流和逆變器逆變后，轉(zhuǎn)換成工頻交流電并入微電網(wǎng)交流母線。圖2為風(fēng)力發(fā)電機組接入微電網(wǎng)示意圖。

圖2 風(fēng)力發(fā)電機組接入微電網(wǎng)示意圖

微電網(wǎng)對接入的風(fēng)力發(fā)電機組的要求是其能正確接收微電網(wǎng)中央控制器的調(diào)控命令，并快速做出響應(yīng)，以使微電網(wǎng)內(nèi)供需功率時刻達(dá)到平衡。目前，還沒有風(fēng)力發(fā)電機制造商專門制造適合微電網(wǎng)用的風(fēng)力發(fā)電機組，市場上銷售的中小型風(fēng)力發(fā)電機組都是常規(guī)的風(fēng)力發(fā)電機組，不適合接入微電網(wǎng)，強行接入會對電網(wǎng)造成沖擊，影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。只有給出適合接入微電網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機組的設(shè)計特點，用其指導(dǎo)中小型風(fēng)力發(fā)電機制造商設(shè)計出符合微電網(wǎng)用的風(fēng)力發(fā)電機組，才能使風(fēng)能這種可再生清潔能源得到廣泛應(yīng)用。

下面先總結(jié)一下目前廣泛應(yīng)用的常規(guī)中小型風(fēng)力發(fā)電機組的風(fēng)力發(fā)電機、控制器、逆變器和通信方式的技術(shù)特點。

1.1 風(fēng)力發(fā)電機

目前，常規(guī)中小型風(fēng)力發(fā)電機組的風(fēng)力發(fā)電機從經(jīng)濟性上考慮主要被設(shè)計成帶尾舵的被動變槳距和帶電子偏航的定槳距兩種結(jié)構(gòu)形式。帶尾舵的被動變槳距風(fēng)力發(fā)電機靠尾舵進行對風(fēng)，靠機械離心裝置的外力自動進行變槳限速。而另一種帶電子偏航的定槳距風(fēng)力發(fā)電機，主要靠電子偏航機構(gòu)進行對風(fēng)和限速。這兩種結(jié)構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電機都沒有主動變槳距風(fēng)力發(fā)電機所具有的變槳驅(qū)動機構(gòu)和變槳控制系統(tǒng)，無法接收外部控制器發(fā)來的槳距角精確調(diào)節(jié)命令，不能對輸出功率進行精確調(diào)節(jié)。

1.2 控制器

在并網(wǎng)的常規(guī)中小型風(fēng)力發(fā)電機組中，控制器只要監(jiān)測到環(huán)境風(fēng)速小于切出風(fēng)速就會一直將風(fēng)力發(fā)電機投入運行，除非系統(tǒng)出現(xiàn)故障或環(huán)境風(fēng)速超出切出風(fēng)速時才會將風(fēng)力發(fā)電機停機。另外，常規(guī)中小型風(fēng)力發(fā)電機組的風(fēng)力發(fā)電機由于不具有主動變槳機構(gòu)，其控制器軟件中也沒有主動變槳控制功能，不能接收其它控制器發(fā)來的變槳調(diào)控命令。這種風(fēng)力發(fā)電機組的控制器和逆變器之間沒有通信連接通道，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障、逆變器退出運行時，風(fēng)力發(fā)電機有可能還在繼續(xù)運行，使控制器直流輸出電壓過高，對系統(tǒng)的電氣設(shè)備造成一定的危害。

1.3 逆變器

在常規(guī)的中小型風(fēng)力發(fā)電機組中，逆變器在軟件上采用了MPPT(最大功率點跟蹤)的控制算法，目的是使風(fēng)力發(fā)電機以最大功率發(fā)電，逆變器不具有無功功率和有功功率調(diào)節(jié)的能力，因而不能對其它控制器發(fā)出的功率調(diào)節(jié)指令做出響應(yīng)，不能調(diào)節(jié)系統(tǒng)供需功率的平衡。逆變器和控制器之間沒有信號交互，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，逆變器會退出運行，將網(wǎng)側(cè)交流接觸器斷開，但不能通知風(fēng)力發(fā)電機控制器對風(fēng)力發(fā)電機進行變槳、泄荷和停機操作。

1.4 通信方式

常規(guī)風(fēng)力發(fā)電要設(shè)后臺監(jiān)控系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電機組的控制器和逆變器即能向后臺監(jiān)控系統(tǒng)上傳機組的運行數(shù)據(jù)和故障信息，也能接收后臺監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的遙控命令和參數(shù)設(shè)置命令。由于整個監(jiān)控系統(tǒng)對通信速率的要求不是很高，系統(tǒng)中的智能設(shè)備大多采用串行通信模式。風(fēng)力發(fā)電機組的控制器和逆變器目前廣泛采用的通信接口是RS232接口或RS485接口，采用的通信協(xié)議是MODBUS協(xié)議，也有一些控制器和逆變器采用企業(yè)內(nèi)部的通信協(xié)議。

2 微電網(wǎng)用中小型風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計特點

微電網(wǎng)中央控制器要實時動態(tài)的對系統(tǒng)中所有的微型電源和負(fù)荷進行控制，以滿足整個系統(tǒng)供需功率的平衡和對負(fù)荷供電的可靠性。微電網(wǎng)用中小型風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電機、控制器、逆變器和通信方式必須具有自己的設(shè)計特點才能滿足微電網(wǎng)的動態(tài)調(diào)控要求。

2.1 風(fēng)力發(fā)電機

在微電網(wǎng)中，微電網(wǎng)控制器需要對接入的風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率進行精確調(diào)節(jié)以滿足微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的需求，這就要求接入微電網(wǎng)中的風(fēng)力發(fā)電機在結(jié)構(gòu)上要設(shè)計成主動變槳距的形式，當(dāng)風(fēng)速變化時，主動變槳距風(fēng)力發(fā)電機的變槳控制系統(tǒng)會驅(qū)動槳葉繞其軸線旋轉(zhuǎn)，槳距角得到調(diào)節(jié)，直到輸出功率滿足微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的要求時才停止對槳距角的調(diào)節(jié)。

常規(guī)中小型風(fēng)力發(fā)電機組中帶尾舵的被動變槳距風(fēng)力發(fā)電機和帶電子偏航機構(gòu)的定槳距風(fēng)力發(fā)電機不具有變槳驅(qū)動機構(gòu)和主動變槳控制系統(tǒng)，因此它們不適合接入微電網(wǎng)。為適應(yīng)微電網(wǎng)的接入要求，風(fēng)力發(fā)電機制造商要開發(fā)出具有變槳控制系統(tǒng)、變槳驅(qū)動機構(gòu)和變槳軸承的中小型主動變槳距風(fēng)力發(fā)電機組。

2.2 控制器

在微電網(wǎng)中，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)正常時，為了滿足系統(tǒng)能量管理的需要，微電網(wǎng)中央控制器會通過風(fēng)力發(fā)電機組的控制器直接控制風(fēng)力發(fā)電機的投入和切除，而風(fēng)力發(fā)電機組的控制器只會在系統(tǒng)故障的情況下將風(fēng)力發(fā)電機快速切除。因此，在進行微電網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組控制器的設(shè)計時一定要注意微電網(wǎng)是不允許風(fēng)力發(fā)電機組控制器本身具有根據(jù)環(huán)境風(fēng)速將風(fēng)力發(fā)電機自行投入運行的功能，因為自行投入可能會造成系統(tǒng)內(nèi)供需功率的不平衡，對系統(tǒng)造成一定的沖擊，影響系統(tǒng)的電能質(zhì)量。而現(xiàn)有已并網(wǎng)運行的常規(guī)中小型風(fēng)力發(fā)電機組的控制器則不同，它只要監(jiān)測風(fēng)速正常就會一直將風(fēng)力發(fā)電機組投入運行，除非系統(tǒng)故障才將風(fēng)力發(fā)電機切除，因此這種控制器不適合接入微電網(wǎng)。在設(shè)計微電網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組控制器時，其硬件上要預(yù)留和微電網(wǎng)中央控制器的通信接口、要預(yù)留和風(fēng)力發(fā)電機組逆變器的通信接口，在軟件上必須具有主動變槳控制功能。只有這樣風(fēng)力發(fā)電機組控制器才能正確接收微電網(wǎng)中央控制器發(fā)來的起停機、偏航和變槳控制命令，正確接收逆變器發(fā)來的繼續(xù)調(diào)節(jié)和泄荷命令。而常規(guī)的中小型風(fēng)力發(fā)電機組的控制器和逆變器之間是沒有通信聯(lián)系的。

2.3 逆變器

微電網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組的逆變器在設(shè)計上一定要具有對輸出功率進行調(diào)節(jié)的能力。當(dāng)微電網(wǎng)中央控制器監(jiān)測到風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電量過多時應(yīng)能通知逆變器向下調(diào)節(jié)輸出功率;當(dāng)微電網(wǎng)中央控制器監(jiān)測到系統(tǒng)總發(fā)電量不能滿足要求、有風(fēng)而且風(fēng)力發(fā)電機發(fā)電量偏少時，應(yīng)能通知逆變器向上調(diào)節(jié)輸出功率，直到發(fā)電量滿足要求為止。逆變器對輸出功率的調(diào)節(jié)通常采用恒功率控制，該控制的目的是使風(fēng)力發(fā)電機輸出的有功功率和無功功率等于其參考功率。參考功率通常是由微電網(wǎng)中央控制器根據(jù)對系統(tǒng)各微型電源的發(fā)電量進行監(jiān)測并通過一定的算法得到，由通信下發(fā)給逆變器。而常規(guī)的中小型風(fēng)力發(fā)電機組的逆變器由于采用了MPPT算法，以最大的能力向電網(wǎng)發(fā)電，不具有輸出功率調(diào)節(jié)的能力，因而不能滿足微電網(wǎng)對風(fēng)力發(fā)電機輸出功率靈活調(diào)節(jié)的要求。

逆變器在設(shè)計時還應(yīng)具有和控制器之間的通信聯(lián)系通道，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，逆變器能及時通知風(fēng)力發(fā)電機控制器對風(fēng)力發(fā)電機進行變槳、泄荷和停機操作。

2.4 通信方式

微電網(wǎng)要時刻保證系統(tǒng)內(nèi)供需功率的平衡，這就要求整個監(jiān)控系統(tǒng)的通信速度要快，能夠及時搜集微電網(wǎng)內(nèi)微型電源和負(fù)荷的運行數(shù)據(jù)參與邏輯運算，并根據(jù)運算結(jié)果對微型電源和負(fù)荷給出快速投切命令。由于微電網(wǎng)內(nèi)的智能設(shè)備較多，不同廠家的設(shè)備最好統(tǒng)一通信接口和通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)才能增強互換性和互操作性，才能進行無縫連接，提高整個系統(tǒng)的通信速率，滿足微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的快速通信要求。

常規(guī)中小型風(fēng)力發(fā)電機組的控制器和逆變器對外僅提供串行通信口，采用MODBUS規(guī)約，通信速度慢，不適合接入微電網(wǎng)。

建議微電網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組中的控制器和逆變器采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的通信體系，設(shè)計時硬件上對外留有光纖以太網(wǎng)接口。IEC61850是國際電工委員會頒布的面向電力系統(tǒng)對象統(tǒng)一建模的標(biāo)準(zhǔn)體系［7］，它規(guī)范了電力智能設(shè)備之間的通信行為和系統(tǒng)要求，解決了電力系統(tǒng)自動化產(chǎn)品的互操作性和協(xié)議轉(zhuǎn)換問題。在IEC61850－7－420中對與分布式電源相關(guān)的邏輯設(shè)備進行了定義［8］，這些邏輯設(shè)備的定義也適用于微電網(wǎng)中微型電源控制設(shè)備的通信建模。遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)通信模型的微型電源控制設(shè)備可以很容易地與其它廠家的設(shè)備進行互換和互操作，有利于不同廠家智能設(shè)備之間的無縫連接，加快了微電網(wǎng)監(jiān)控和能量管理系統(tǒng)的建立［9］。目前國內(nèi)外許多在建的智能化變電站都采用了IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的通信體系，基于該標(biāo)準(zhǔn)體系的微電網(wǎng)監(jiān)控和能量管理系統(tǒng)符合智能電網(wǎng)的要求，也滿足上級調(diào)度部門的通信需求。

3 結(jié) 語

微電網(wǎng)的出現(xiàn)很好地解決了分布式電源的并網(wǎng)難題。目前，已大量投入運行的常規(guī)中小型風(fēng)力發(fā)電機組由于結(jié)構(gòu)上和控制上的原因不適合接入微電網(wǎng)。本文給出了適合接入微電網(wǎng)的中小型風(fēng)力發(fā)電機組的設(shè)計特點，使之更好地適應(yīng)未來微電網(wǎng)的發(fā)展需求，對微電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有積極的推動作用。

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