微電網用中小型風力發電機組設計特點

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技術的研究，并建立了一些示范項目。美國的CERTS(可靠性技術解決方案委員會)是最早提出微電網概念的國際機構［1－3］。微電網是將各類微型電源、儲能裝置、負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。微電網既可以與大電網并網運行，也可以孤立運行，具有高度的自治性，是智能電網的重要組成部分。微電網的出現很好地解決了分布式發電的并網難題，同時微電網與大電網的互相支撐也大大提高了對重要負荷供電的可靠性［4］。

微電網中的微型電源包括微型燃氣輪機、風力發電機、光伏電池、儲能電池和燃料電池等。圖1的微電網系統包含了光伏發電、風力發電、生物質能發電、微型燃氣輪機等微型電源，其中一些微型電源還可以向附近的熱力負荷提供熱源，從而提高了能量的利用率［5］。

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

圖1 微電網示意圖

1 常規中小型風力發電機組技術特點

接入微電網中的風力發電機組一般都是中小型風力發電機組［6］，主要由風力發電機、控制器(內含整流器)和并網逆變器等設備構成。風力發電機發出的三相交流電經控制器整流和逆變器逆變后，轉換成工頻交流電并入微電網交流母線。圖2為風力發電機組接入微電網示意圖。

圖2 風力發電機組接入微電網示意圖

微電網對接入的風力發電機組的要求是其能正確接收微電網中央控制器的調控命令，并快速做出響應，以使微電網內供需功率時刻達到平衡。目前，還沒有風力發電機制造商專門制造適合微電網用的風力發電機組，市場上銷售的中小型風力發電機組都是常規的風力發電機組，不適合接入微電網，強行接入會對電網造成沖擊，影響系統運行的穩定性。只有給出適合接入微電網的風力發電機組的設計特點，用其指導中小型風力發電機制造商設計出符合微電網用的風力發電機組，才能使風能這種可再生清潔能源得到廣泛應用。

下面先總結一下目前廣泛應用的常規中小型風力發電機組的風力發電機、控制器、逆變器和通信方式的技術特點。

1.1 風力發電機

目前，常規中小型風力發電機組的風力發電機從經濟性上考慮主要被設計成帶尾舵的被動變槳距和帶電子偏航的定槳距兩種結構形式。帶尾舵的被動變槳距風力發電機靠尾舵進行對風，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力發電機，主要靠電子偏航機構進行對風和限速。這兩種結構的風力發電機都沒有主動變槳距風力發電機所具有的變槳驅動機構和變槳控制系統，無法接收外部控制器發來的槳距角精確調節命令，不能對輸出功率進行精確調節。

1.2 控制器

在并網的常規中小型風力發電機組中，控制器只要監測到環境風速小于切出風速就會一直將風力發電機投入運行，除非系統出現故障或環境風速超出切出風速時才會將風力發電機停機。另外，常規中小型風力發電機組的風力發電機由于不具有主動變槳機構，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來的變槳調控命令。這種風力發電機組的控制器和逆變器之間沒有通信連接通道，當系統發生故障、逆變器退出運行時，風力發電機有可能還在繼續運行，使控制器直流輸出電壓過高，對系統的電氣設備造成一定的危害。

1.3 逆變器

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

1.4 通信方式

常規風力發電要設后臺監控系統，風力發電機組的控制器和逆變器即能向后臺監控系統上傳機組的運行數據和故障信息，也能接收后臺監控系統下發的遙控命令和參數設置命令。由于整個監控系統對通信速率的要求不是很高，系統中的智能設備大多采用串行通信模式。風力發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，采用的通信協議是MODBUS協議，也有一些控制器和逆變器采用企業內部的通信協議。

2 微電網用中小型風力發電機組設計特點

微電網中央控制器要實時動態的對系統中所有的微型電源和負荷進行控制，以滿足整個系統供需功率的平衡和對負荷供電的可靠性。微電網用中小型風力發電機組的發電機、控制器、逆變器和通信方式必須具有自己的設計特點才能滿足微電網的動態調控要求。

2.1 風力發電機

在微電網中，微電網控制器需要對接入的風力發電機的輸出功率進行精確調節以滿足微電網能量管理系統的需求，這就要求接入微電網中的風力發電機在結構上要設計成主動變槳距的形式，當風速變化時，主動變槳距風力發電機的變槳控制系統會驅動槳葉繞其軸線旋轉，槳距角得到調節，直到輸出功率滿足微電網能量管理系統的要求時才停止對槳距角的調節。

常規中小型風力發電機組中帶尾舵的被動變槳距風力發電機和帶電子偏航機構的定槳距風力發電機不具有變槳驅動機構和主動變槳控制系統，因此它們不適合接入微電網。為適應微電網的接入要求，風力發電機制造商要開發出具有變槳控制系統、變槳驅動機構和變槳軸承的中小型主動變槳距風力發電機組。

2.2 控制器

在微電網中，當風力發電系統正常時，為了滿足系統能量管理的需要，微電網中央控制器會通過風力發電機組的控制器直接控制風力發電機的投入和切除，而風力發電機組的控制器只會在系統故障的情況下將風力發電機快速切除。因此，在進行微電網風力發電機組控制器的設計時一定要注意微電網是不允許風力發電機組控制器本身具有根據環境風速將風力發電機自行投入運行的功能，因為自行投入可能會造成系統內供需功率的不平衡，對系統造成一定的沖擊，影響系統的電能質量。而現有已并網運行的常規中小型風力發電機組的控制器則不同，它只要監測風速正常就會一直將風力發電機組投入運行，除非系統故障才將風力發電機切除，因此這種控制器不適合接入微電網。在設計微電網風力發電機組控制器時，其硬件上要預留和微電網中央控制器的通信接口、要預留和風力發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。只有這樣風力發電機組控制器才能正確接收微電網中央控制器發來的起停機、偏航和變槳控制命令，正確接收逆變器發來的繼續調節和泄荷命令。而常規的中小型風力發電機組的控制器和逆變器之間是沒有通信聯系的。

2.3 逆變器

微電網風力發電機組的逆變器在設計上一定要具有對輸出功率進行調節的能力。當微電網中央控制器監測到風力發電機的發電量過多時應能通知逆變器向下調節輸出功率;當微電網中央控制器監測到系統總發電量不能滿足要求、有風而且風力發電機發電量偏少時，應能通知逆變器向上調節輸出功率，直到發電量滿足要求為止。逆變器對輸出功率的調節通常采用恒功率控制，該控制的目的是使風力發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中央控制器根據對系統各微型電源的發電量進行監測并通過一定的算法得到，由通信下發給逆變器。而常規的中小型風力發電機組的逆變器由于采用了MPPT算法，以最大的能力向電網發電，不具有輸出功率調節的能力，因而不能滿足微電網對風力發電機輸出功率靈活調節的要求。

逆變器在設計時還應具有和控制器之間的通信聯系通道，在系統出現故障時，逆變器能及時通知風力發電機控制器對風力發電機進行變槳、泄荷和停機操作。

2.4 通信方式

微電網要時刻保證系統內供需功率的平衡，這就要求整個監控系統的通信速度要快，能夠及時搜集微電網內微型電源和負荷的運行數據參與邏輯運算，并根據運算結果對微型電源和負荷給出快速投切命令。由于微電網內的智能設備較多，不同廠家的設備最好統一通信接口和通信協議標準才能增強互換性和互操作性，才能進行無縫連接，提高整個系統的通信速率，滿足微電網監控系統的快速通信要求。

常規中小型風力發電機組的控制器和逆變器對外僅提供串行通信口，采用MODBUS規約，通信速度慢，不適合接入微電網。

建議微電網風力發電機組中的控制器和逆變器采用IEC61850標準的通信體系，設計時硬件上對外留有光纖以太網接口。IEC61850是國際電工委員會頒布的面向電力系統對象統一建模的標準體系［7］，它規范了電力智能設備之間的通信行為和系統要求，解決了電力系統自動化產品的互操作性和協議轉換問題。在IEC61850－7－420中對與分布式電源相關的邏輯設備進行了定義［8］，這些邏輯設備的定義也適用于微電網中微型電源控制設備的通信建模。遵循IEC61850標準通信模型的微型電源控制設備可以很容易地與其它廠家的設備進行互換和互操作，有利于不同廠家智能設備之間的無縫連接，加快了微電網監控和能量管理系統的建立［9］。目前國內外許多在建的智能化變電站都采用了IEC61850標準的通信體系，基于該標準體系的微電網監控和能量管理系統符合智能電網的要求，也滿足上級調度部門的通信需求。

3 結 語

微電網的出現很好地解決了分布式電源的并網難題。目前，已大量投入運行的常規中小型風力發電機組由于結構上和控制上的原因不適合接入微電網。本文給出了適合接入微電網的中小型風力發電機組的設計特點，使之更好地適應未來微電網的發展需求，對微電網產業的發展具有積極的推動作用。

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