微电网用中小型风力发电机组设计特点

杨 伟

(北京科锐配电自动化股份有限公司，北京 100085)

0 引 言

近年来，美国、欧盟、日本和中国等国家都开展了对微电网技术的研究，并建立了一些示范项目。美国的CERTS(可靠性技术解决方案委员会)是最早提出微电网概念的国际机构［1－3］。微电网是将各类微型电源、储能装置、负荷及控制装置集成起来，形成一个单一可控的单元，同时向用户供给电能和冷、热能。微电网既可以与大电网并网运行，也可以孤立运行，具有高度的自治性，是智能电网的重要组成部分。微电网的出现很好地解决了分布式发电的并网难题，同时微电网与大电网的互相支撑也大大提高了对重要负荷供电的可靠性［4］。

微电网中的微型电源包括微型燃气轮机、风力发电机、光伏电池、储能电池和燃料电池等。图1的微电网系统包含了光伏发电、风力发电、生物质能发电、微型燃气轮机等微型电源，其中一些微型电源还可以向附近的热力负荷提供热源，从而提高了能量的利用率［5］。

我国地域辽阔，风能资源非常丰富，风力发电将会是微电网中重要的微型电源形式，因此对接入微电网的风力发电机组进行深入研究具有重要的意义。

图1 微电网示意图

1 常规中小型风力发电机组技术特点

接入微电网中的风力发电机组一般都是中小型风力发电机组［6］，主要由风力发电机、控制器(内含整流器)和并网逆变器等设备构成。风力发电机发出的三相交流电经控制器整流和逆变器逆变后，转换成工频交流电并入微电网交流母线。图2为风力发电机组接入微电网示意图。

图2 风力发电机组接入微电网示意图

微电网对接入的风力发电机组的要求是其能正确接收微电网中央控制器的调控命令，并快速做出响应，以使微电网内供需功率时刻达到平衡。目前，还没有风力发电机制造商专门制造适合微电网用的风力发电机组，市场上销售的中小型风力发电机组都是常规的风力发电机组，不适合接入微电网，强行接入会对电网造成冲击，影响系统运行的稳定性。只有给出适合接入微电网的风力发电机组的设计特点，用其指导中小型风力发电机制造商设计出符合微电网用的风力发电机组，才能使风能这种可再生清洁能源得到广泛应用。

下面先总结一下目前广泛应用的常规中小型风力发电机组的风力发电机、控制器、逆变器和通信方式的技术特点。

1.1 风力发电机

目前，常规中小型风力发电机组的风力发电机从经济性上考虑主要被设计成带尾舵的被动变桨距和带电子偏航的定桨距两种结构形式。带尾舵的被动变桨距风力发电机靠尾舵进行对风，靠机械离心装置的外力自动进行变桨限速。而另一种带电子偏航的定桨距风力发电机，主要靠电子偏航机构进行对风和限速。这两种结构的风力发电机都没有主动变桨距风力发电机所具有的变桨驱动机构和变桨控制系统，无法接收外部控制器发来的桨距角精确调节命令，不能对输出功率进行精确调节。

1.2 控制器

在并网的常规中小型风力发电机组中，控制器只要监测到环境风速小于切出风速就会一直将风力发电机投入运行，除非系统出现故障或环境风速超出切出风速时才会将风力发电机停机。另外，常规中小型风力发电机组的风力发电机由于不具有主动变桨机构，其控制器软件中也没有主动变桨控制功能，不能接收其它控制器发来的变桨调控命令。这种风力发电机组的控制器和逆变器之间没有通信连接通道，当系统发生故障、逆变器退出运行时，风力发电机有可能还在继续运行，使控制器直流输出电压过高，对系统的电气设备造成一定的危害。

1.3 逆变器

在常规的中小型风力发电机组中，逆变器在软件上采用了MPPT(最大功率点跟踪)的控制算法，目的是使风力发电机以最大功率发电，逆变器不具有无功功率和有功功率调节的能力，因而不能对其它控制器发出的功率调节指令做出响应，不能调节系统供需功率的平衡。逆变器和控制器之间没有信号交互，当系统出现故障时，逆变器会退出运行，将网侧交流接触器断开，但不能通知风力发电机控制器对风力发电机进行变桨、泄荷和停机操作。

1.4 通信方式

常规风力发电要设后台监控系统，风力发电机组的控制器和逆变器即能向后台监控系统上传机组的运行数据和故障信息，也能接收后台监控系统下发的遥控命令和参数设置命令。由于整个监控系统对通信速率的要求不是很高，系统中的智能设备大多采用串行通信模式。风力发电机组的控制器和逆变器目前广泛采用的通信接口是RS232接口或RS485接口，采用的通信协议是MODBUS协议，也有一些控制器和逆变器采用企业内部的通信协议。

2 微电网用中小型风力发电机组设计特点

微电网中央控制器要实时动态的对系统中所有的微型电源和负荷进行控制，以满足整个系统供需功率的平衡和对负荷供电的可靠性。微电网用中小型风力发电机组的发电机、控制器、逆变器和通信方式必须具有自己的设计特点才能满足微电网的动态调控要求。

2.1 风力发电机

在微电网中，微电网控制器需要对接入的风力发电机的输出功率进行精确调节以满足微电网能量管理系统的需求，这就要求接入微电网中的风力发电机在结构上要设计成主动变桨距的形式，当风速变化时，主动变桨距风力发电机的变桨控制系统会驱动桨叶绕其轴线旋转，桨距角得到调节，直到输出功率满足微电网能量管理系统的要求时才停止对桨距角的调节。

常规中小型风力发电机组中带尾舵的被动变桨距风力发电机和带电子偏航机构的定桨距风力发电机不具有变桨驱动机构和主动变桨控制系统，因此它们不适合接入微电网。为适应微电网的接入要求，风力发电机制造商要开发出具有变桨控制系统、变桨驱动机构和变桨轴承的中小型主动变桨距风力发电机组。

2.2 控制器

在微电网中，当风力发电系统正常时，为了满足系统能量管理的需要，微电网中央控制器会通过风力发电机组的控制器直接控制风力发电机的投入和切除，而风力发电机组的控制器只会在系统故障的情况下将风力发电机快速切除。因此，在进行微电网风力发电机组控制器的设计时一定要注意微电网是不允许风力发电机组控制器本身具有根据环境风速将风力发电机自行投入运行的功能，因为自行投入可能会造成系统内供需功率的不平衡，对系统造成一定的冲击，影响系统的电能质量。而现有已并网运行的常规中小型风力发电机组的控制器则不同，它只要监测风速正常就会一直将风力发电机组投入运行，除非系统故障才将风力发电机切除，因此这种控制器不适合接入微电网。在设计微电网风力发电机组控制器时，其硬件上要预留和微电网中央控制器的通信接口、要预留和风力发电机组逆变器的通信接口，在软件上必须具有主动变桨控制功能。只有这样风力发电机组控制器才能正确接收微电网中央控制器发来的起停机、偏航和变桨控制命令，正确接收逆变器发来的继续调节和泄荷命令。而常规的中小型风力发电机组的控制器和逆变器之间是没有通信联系的。

2.3 逆变器

微电网风力发电机组的逆变器在设计上一定要具有对输出功率进行调节的能力。当微电网中央控制器监测到风力发电机的发电量过多时应能通知逆变器向下调节输出功率;当微电网中央控制器监测到系统总发电量不能满足要求、有风而且风力发电机发电量偏少时，应能通知逆变器向上调节输出功率，直到发电量满足要求为止。逆变器对输出功率的调节通常采用恒功率控制，该控制的目的是使风力发电机输出的有功功率和无功功率等于其参考功率。参考功率通常是由微电网中央控制器根据对系统各微型电源的发电量进行监测并通过一定的算法得到，由通信下发给逆变器。而常规的中小型风力发电机组的逆变器由于采用了MPPT算法，以最大的能力向电网发电，不具有输出功率调节的能力，因而不能满足微电网对风力发电机输出功率灵活调节的要求。

逆变器在设计时还应具有和控制器之间的通信联系通道，在系统出现故障时，逆变器能及时通知风力发电机控制器对风力发电机进行变桨、泄荷和停机操作。

2.4 通信方式

微电网要时刻保证系统内供需功率的平衡，这就要求整个监控系统的通信速度要快，能够及时搜集微电网内微型电源和负荷的运行数据参与逻辑运算，并根据运算结果对微型电源和负荷给出快速投切命令。由于微电网内的智能设备较多，不同厂家的设备最好统一通信接口和通信协议标准才能增强互换性和互操作性，才能进行无缝连接，提高整个系统的通信速率，满足微电网监控系统的快速通信要求。

常规中小型风力发电机组的控制器和逆变器对外仅提供串行通信口，采用MODBUS规约，通信速度慢，不适合接入微电网。

建议微电网风力发电机组中的控制器和逆变器采用IEC61850标准的通信体系，设计时硬件上对外留有光纤以太网接口。IEC61850是国际电工委员会颁布的面向电力系统对象统一建模的标准体系［7］，它规范了电力智能设备之间的通信行为和系统要求，解决了电力系统自动化产品的互操作性和协议转换问题。在IEC61850－7－420中对与分布式电源相关的逻辑设备进行了定义［8］，这些逻辑设备的定义也适用于微电网中微型电源控制设备的通信建模。遵循IEC61850标准通信模型的微型电源控制设备可以很容易地与其它厂家的设备进行互换和互操作，有利于不同厂家智能设备之间的无缝连接，加快了微电网监控和能量管理系统的建立［9］。目前国内外许多在建的智能化变电站都采用了IEC61850标准的通信体系，基于该标准体系的微电网监控和能量管理系统符合智能电网的要求，也满足上级调度部门的通信需求。

3 结 语

微电网的出现很好地解决了分布式电源的并网难题。目前，已大量投入运行的常规中小型风力发电机组由于结构上和控制上的原因不适合接入微电网。本文给出了适合接入微电网的中小型风力发电机组的设计特点，使之更好地适应未来微电网的发展需求，对微电网产业的发展具有积极的推动作用。

［1］Lassetter R，Akhil A，Marnay C，et al.The CERTS Micro － Grid Concept［EB/OL］2008 － 10 － 18］.CERTS.http://certs.lbl.gov/pdf/50829.pdf.

［2］Lasseter R H，Paigi P.Microgrid:A conceptual solution［C］∥The 35th Annul IEEE Power Elecrronics Specialists Conference.Aachen，Germany，2004:4285 －4290.

［3］Marnay C，Rubio F J，SiddiquiA S.Shape of the Microgrid［C］∥2001 IEEE Power Engineering Society Winter Meeting.Columbus，US，2001，1:150 －153.

［4］盛鹍，孔力，齐智平，等.新型电网－微电网(Microgrid)研究综述［J］.继电器，2007，35(12):75 －81.

［5］Funabashi T，Yokoyama R.Microgrid field test experiences in Japan［C］∥ IEEE Power Engineering Society General Meeting，Montréal，2006:1 －2.

［6］姚兴佳，王士荣，董丽萍.风力发电机的工作原理［J］.可再生能源，2006，2(126):87 －89.

［7］任雁铭，秦立军，杨奇逊.IEC61850通信协议体系介绍和分析［J］.电力系统自动化，2000，24(8):62－ 64.

［8］International Electrotechnical Commission.IEC 61850 － 7 －420 Commumications Systems for Distributed Energy Resource(DER):Logical Nodes(Draft for Vote)［S］.IEC，2006.

［9］蹇芳，李建泉，吴小云.基于IEC61850标准的微电网监控系统［J］.大功率变流技术，2012，2(26):26－29.