微電網(wǎng)用中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)特點(diǎn)

楊 偉

(北京科銳配電自動(dòng)化股份有限公司，北京 100085)

0 引 言

近年來(lái)，美國(guó)、歐盟、日本和中國(guó)等國(guó)家都開(kāi)展了對(duì)微電網(wǎng)技術(shù)的研究，并建立了一些示范項(xiàng)目。美國(guó)的CERTS(可靠性技術(shù)解決方案委員會(huì))是最早提出微電網(wǎng)概念的國(guó)際機(jī)構(gòu)［1－3］。微電網(wǎng)是將各類微型電源、儲(chǔ)能裝置、負(fù)荷及控制裝置集成起來(lái)，形成一個(gè)單一可控的單元，同時(shí)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(yùn)行，也可以孤立運(yùn)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(shí)微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的互相支撐也大大提高了對(duì)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(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池、儲(chǔ)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(jī)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(guó)地域遼闊，風(fēng)能資源非常豐富，風(fēng)力發(fā)電將會(huì)是微電網(wǎng)中重要的微型電源形式，因此對(duì)接入微電網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)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(jī)組技術(shù)特點(diǎn)

接入微電網(wǎng)中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般都是中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組［6］，主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、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(jī)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(jī)組接入微電網(wǎng)示意圖。

圖2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入微電網(wǎng)示意圖

微電網(wǎng)對(duì)接入的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shí)刻達(dá)到平衡。目前，還沒(méi)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造商專門(mén)制造適合微電網(wǎng)用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，市場(chǎng)上銷(xiāo)售的中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都是常規(guī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，不適合接入微電網(wǎng)，強(qiáng)行接入會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，影響系統(tǒng)運(yùn)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(jī)組的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，用其指導(dǎo)中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造商設(shè)計(jì)出符合微電網(wǎng)用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)組的風(fēng)力發(fā)電機(jī)、控制器、逆變器和通信方式的技術(shù)特點(diǎn)。

1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)

目前，常規(guī)中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)力發(fā)電機(jī)從經(jīng)濟(jì)性上考慮主要被設(shè)計(jì)成帶尾舵的被動(dòng)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(dòng)變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)靠尾舵進(jìn)行對(duì)風(fēng)，靠機(jī)械離心裝置的外力自動(dòng)進(jìn)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(jī)，主要靠電子偏航機(jī)構(gòu)進(jìn)行對(duì)風(fēng)和限速。這兩種結(jié)構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)都沒(méi)有主動(dòng)變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)所具有的變槳驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和變槳控制系統(tǒng)，無(wú)法接收外部控制器發(fā)來(lái)的槳距角精確調(diào)節(jié)命令，不能對(duì)輸出功率進(jìn)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(jī)組中，控制器只要監(jiān)測(cè)到環(huán)境風(fēng)速小于切出風(fēng)速就會(huì)一直將風(fēng)力發(fā)電機(jī)投入運(yùn)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(shí)才會(huì)將風(fēng)力發(fā)電機(jī)停機(jī)。另外，常規(guī)中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于不具有主動(dòng)變槳機(jī)構(gòu)，其控制器軟件中也沒(méi)有主動(dòng)變槳控制功能，不能接收其它控制器發(fā)來(lái)的變槳調(diào)控命令。這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制器和逆變器之間沒(méi)有通信連接通道，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障、逆變器退出運(yùn)行時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)有可能還在繼續(xù)運(yùn)行，使控制器直流輸出電壓過(guò)高，對(duì)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(jī)組中，逆變器在軟件上采用了MPPT(最大功率點(diǎn)跟蹤)的控制算法，目的是使風(fēng)力發(fā)電機(jī)以最大功率發(fā)電，逆變器不具有無(wú)功功率和有功功率調(diào)節(jié)的能力，因而不能對(duì)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(méi)有信號(hào)交互，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，逆變器會(huì)退出運(yùn)行，將網(wǎng)側(cè)交流接觸器斷開(kāi)，但不能通知風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制器對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行變槳、泄荷和停機(jī)操作。

1.4 通信方式

常規(guī)風(fēng)力發(fā)電要設(shè)后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制器和逆變器即能向后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)上傳機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障信息，也能接收后臺(tái)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(gè)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)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(jī)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(jī)組設(shè)計(jì)特點(diǎn)

微電網(wǎng)中央控制器要實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的對(duì)系統(tǒng)中所有的微型電源和負(fù)荷進(jìn)行控制，以滿足整個(gè)系統(tǒng)供需功率的平衡和對(duì)負(fù)荷供電的可靠性。微電網(wǎng)用中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)、控制器、逆變器和通信方式必須具有自己的設(shè)計(jì)特點(diǎn)才能滿足微電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)調(diào)控要求。

2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)

在微電網(wǎng)中，微電網(wǎng)控制器需要對(duì)接入的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率進(jìn)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(jī)在結(jié)構(gòu)上要設(shè)計(jì)成主動(dòng)變槳距的形式，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，主動(dòng)變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變槳控制系統(tǒng)會(huì)驅(qū)動(dòng)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(shí)才停止對(duì)槳距角的調(diào)節(jié)。

常規(guī)中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中帶尾舵的被動(dòng)變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)和帶電子偏航機(jī)構(gòu)的定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)不具有變槳驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和主動(dòng)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(jī)制造商要開(kāi)發(fā)出具有變槳控制系統(tǒng)、變槳驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和變槳軸承的中小型主動(dòng)變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shí)，為了滿足系統(tǒng)能量管理的需要，微電網(wǎng)中央控制器會(huì)通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制器直接控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的投入和切除，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制器只會(huì)在系統(tǒng)故障的情況下將風(fēng)力發(fā)電機(jī)快速切除。因此，在進(jìn)行微電網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制器的設(shè)計(jì)時(shí)一定要注意微電網(wǎng)是不允許風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)自行投入運(yùn)行的功能，因?yàn)樽孕型度肟赡軙?huì)造成系統(tǒng)內(nèi)供需功率的不平衡，對(duì)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(yùn)行的常規(guī)中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制器則不同，它只要監(jiān)測(cè)風(fēng)速正常就會(huì)一直將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組投入運(yùn)行，除非系統(tǒng)故障才將風(fēng)力發(fā)電機(jī)切除，因此這種控制器不適合接入微電網(wǎng)。在設(shè)計(jì)微電網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制器時(shí)，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(jī)組逆變器的通信接口，在軟件上必須具有主動(dòng)變槳控制功能。只有這樣風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制器才能正確接收微電網(wǎng)中央控制器發(fā)來(lái)的起停機(jī)、偏航和變槳控制命令，正確接收逆變器發(fā)來(lái)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(jī)組的控制器和逆變器之間是沒(méi)有通信聯(lián)系的。

2.3 逆變器

微電網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的逆變器在設(shè)計(jì)上一定要具有對(duì)輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)的能力。當(dāng)微電網(wǎng)中央控制器監(jiān)測(cè)到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電量過(guò)多時(shí)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(cè)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(jī)發(fā)電量偏少時(shí)，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(duì)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(jī)輸出的有功功率和無(wú)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(duì)系統(tǒng)各微型電源的發(fā)電量進(jìn)行監(jiān)測(cè)并通過(guò)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(jī)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(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率靈活調(diào)節(jié)的要求。

逆變器在設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)，逆變器能及時(shí)通知風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制器對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行變槳、泄荷和停機(jī)操作。

2.4 通信方式

微電網(wǎng)要時(shí)刻保證系統(tǒng)內(nèi)供需功率的平衡，這就要求整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的通信速度要快，能夠及時(shí)搜集微電網(wǎng)內(nèi)微型電源和負(fù)荷的運(yùn)行數(shù)據(jù)參與邏輯運(yùn)算，并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果對(duì)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(qiáng)互換性和互操作性，才能進(jìn)行無(wú)縫連接，提高整個(gè)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(jī)組的控制器和逆變器對(duì)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(jī)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(jì)時(shí)硬件上對(duì)外留有光纖以太網(wǎng)接口。IEC61850是國(guó)際電工委員會(huì)頒布的面向電力系統(tǒng)對(duì)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(dòng)化產(chǎn)品的互操作性和協(xié)議轉(zhuǎn)換問(wèn)題。在IEC61850－7－420中對(duì)與分布式電源相關(guān)的邏輯設(shè)備進(jìn)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(jìn)行互換和互操作，有利于不同廠家智能設(shè)備之間的無(wú)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(guó)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(jí)調(diào)度部門(mén)的通信需求。

3 結(jié) 語(yǔ)

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(yùn)行的常規(guī)中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)組的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，使之更好地適應(yīng)未來(lái)微電網(wǎng)的發(fā)展需求，對(duì)微電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有積極的推動(dòng)作用。

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