2.2 风力发电机、蓄能装置

2.2.1 独立运行风力发电系统中的发电机

1．直流发电机

（1）基本结构及原理。较早时期的小容量风力发电装置一般采用小型直流发电机，在结构上有永磁式及电励磁式两种类型。永磁式直流发电机利用永久磁铁来提供发电机所需的励磁磁通，其结构型式如图2-12所示；电励磁式直流发电机则是借助在励磁线圈，由于励磁绕组与电枢绕组连接方式的不同，分为他励与并励（自励）两种型式，其结构型式如图2-13所示。

在风力发电装置中，直流发电机由风力机拖动旋转时，根据法拉第电磁感应定律，在直流发电机的电枢绕组中产生感应电势，在电枢的出线端（ab两端）若接上负载，就会有电流流向负载，即在a、b端有电能输出，风能也就转换成了电能。

直流发电机电枢回路中各电磁物理量的关系为

励磁回路中各电磁物理量的关系如下：

他励发电机

并励发电机

式中：Ce为电机的电势系数；φ为电机每极下的磁通量；Ra为电枢绕组电阻；Rf为励磁绕组的外接电阻；Ea为绕组感应电势；U为电枢端电压；n为发电机转速；If为励磁电流。

（2）发电机的电磁转矩与风力机的驱动转矩之间的关系。根据比奥——沙瓦定律，直流发电机的电枢电流与电机的磁通作用会产生电磁力，并由此而产生电磁转矩，电磁转矩可表示为

式中：CM为电机的转矩系数；M为电磁转矩；Ia为电枢电流。

电磁转矩对风力机的拖动转矩为制动性质的，在转速恒定时，风力机的拖动转矩与发电机的电磁转矩平衡，即

式中：M1为风力机的拖动转矩；M0为机械摩擦阻转矩。

当风速变化时，风力机的驱动转矩变化或者发电机的负载变化时，则转矩的平衡关系为

式中：J为风力机、发电机及传动系统的总转动惯量；Ω为发电机转轴的旋转角速率；为动态转矩。

从式（2-11）可见，当负载不变时，即M为常数时，若风速增大，发电机转速将增加；反之，转速将下降，由式（2-5）知，转速的变化，将导致感应电势及电枢端电压变化，为此风力机的调速装置应动作，以调整转速。

（3）发电机与变化的负载连接时，电磁转矩与转速的关系。直流发电机与变化的负载电阻R连接时的线路如图2-14所示。根据式（2-5）、式（2-6）及U=IaR，可知

当励磁磁通φ及负载电阻R不变化时，K为一常数。

故M与n的关系为直线关系，对应于不同的负载电阻，M与n有不同的线性关系，如图2-15中的A、B、C三条直线，分别对应负载电阻为R1、R2及R3（R3＞R2＞R1）时的M—n特性。并励直流发电机的M—n特性与他励的相似，只是在并励时励磁磁通将随电枢端电压的变化而改变，因此M—n的关系不再是直流关系，其M—n特性为曲线形状，如图2-16所示。

（4）并励直流发电机的自励。在采用并励发电机时，为了建立电压，在发电机具有剩磁的情况下，必须使励磁绕组并联到电枢两端的极性正确，同时励磁回路的总电阻Rf+rf，必须小于某一定转速下的临界值，如果并联到电枢两端的极性不正确（即励磁绕组接反了），则励磁回路中的电流所产生的磁势将削减发电机中的剩余磁通，发电机的端电压就不能建立，即电机不能自励。

当励磁绕组解法正确，励磁回路中的电阻为（rf+R f）时，则从图2-17可知：

励磁回路电阻线与无载特性曲线的交点即为发电机自励后建立起来的电枢端电压Uo。若励磁回路中串入的电阻值Rf增大，则励磁回路的电阻与无载特性曲线相切，无稳定交点，则不能建立稳定的电压。

从图2-17可见，此时的α cr＞α，对应于此α cr的电阻值R cr=ta nα cr，此R cr即为临界电阻值，所以为了建立电压，励磁回路的总电阻Rf必须小于临界电阻值。

必须注意，若发电机励磁回路的总电阻在某一转速下能够自励，当转速降低到某一转速数值时，可能不能自励，这是因为无载特性曲线与发电机的转速成正比。转速降低时，无载特性曲线也改变了形状，因此，对于某一励磁回路的电阻值，就对应地有一个最小的临界转速值ncr，若发电机转速小于ncr，就不能自励。在小型风力发电装置中，为了使发电机建立稳定的电压，在设计风电装置时，应考虑使风力机调速机构确定的转速值大于发电机最小的临界转速值。

2．交流发电机

（1）永磁式发电机。

1）永磁发电机的特点。永磁发电机转子上无励磁绕组，因此不存在励磁绕组铜损耗，比同容量的电励磁式发电机效率高；转子上没有滑环，运转时更安全可靠；电机的重量轻，体积小，制造工艺简便，因此在小型及微型发电机中被广泛采用，永磁发电机的缺点是电压调节性能差。

2）永磁材料。永磁电机的关键是永磁材料，表征永磁材料的性能的主要技术参数为Br（剩余磁密）、Hc（矫顽力）、（BH）max（最大磁能积）等。在小型及微型风力发电机中常用的永磁材料有铁氧体及钕铁硼两种；由于铝镍钴、钐钴两种材料价格高且最高磁能积不够高，故经济性差，用得不多。铁氧体材料价格较低，Hr较高，能稳定运行，永磁铁的利用率较高；但氧化铁的（B H）max约为3.5×106 GOe（高奥），Br在4000Gs（高斯）以下，而钕铁硼的（BH）max为（25～40）× 106 OeGs，电机的总效率可更高，因此在相同的输入机械功率下，输出的电功率可以提高，故而在微型及小型风力发电机中采用此种材料的更多，但与铁氧体比较，价格要贵些，无论是哪种永磁材料，都要现在永磁机中充磁才能获得磁性。

3）永磁电机的结构。永磁发电机定子与普通交流电机相同，包括定子铁芯及定子绕组；定子铁芯槽内安放定子三相绕组或单相绕组。

永磁发电机的转子按照永磁体的布置及形状，有凸极式爪极式两类，如图2-18所示为凸极式永磁转子电机结构，图2-19为爪极式永磁转子电机结构。

凸极式永磁电机磁通走向为：N极—气隙—定子齿槽—气隙—S极，如图2-18所示，形成闭合磁通回路。

爪极式永磁电机磁通走向为：N极—左端爪极—气隙—定子—右端爪极—S极。

所有左端爪极皆为N极，所有右端爪极皆为S极，爪极与定子铁芯间的气隙距离远小于左右两端爪极之间的间隙，因此磁通不会直接由N极爪进入S极爪而形成短路，左端爪极与右端爪极皆做成相同的形状。

为了使永磁电机的设计能达到获得高效率及节约永磁材料的效果，应使永磁电机在运行时永磁材料的工作点接近最大磁能积处，此时永磁材料最节省。图2-20表示了永磁材料的磁通密度B、磁场强度H及磁能积（BH）的关系曲线，图中第Ⅱ象限的曲线为永磁材料的退磁曲线，第Ⅰ象限的曲线为磁能积曲线，若永磁材料工作于a点，则显见其磁能积（BH）接近于最大磁能积（BH）max。

（2）硅整流自励交流发电机。

1）结构、工作原理及电路图。硅整流自励交流发电机的电路图如图2-21所示，发电机的定子由定子铁芯和定子绕组组成，定子绕组为三相，Y形连接，放在定子铁芯内圆槽内，转子由转子铁芯、转子绕组（即励磁绕组）、滑环和转子轴组成，转子铁芯可做成凸极式或爪形，一般多用爪形磁极，转子励磁绕组的两端接到滑环上，通过与滑环接触的电刷与硅整流器的直流输出端相连，从而获得直流励磁电流。

独立运行的小型风力发电机组的风力机叶片多数是固定桨距的，当风力变化时，风力机转速随机之发生变化，与风力机相连接的发电机的转速也将发生变化，因而发电机的出口电压会发生波动，这将导致硅整流器输出的直流电压及发电机励磁电流的变化，并造成励磁磁场的变化，这样又会造成发电机出口电压的波动。这种连锁反应使得发电机出口电压的波动范围不断增加，显见，如果电压的波动得不到控制，在向负载独立供电的情况下，将会影响供电的质量，甚至会造成用电设备损坏。此外独立运行的风力发电机都带有蓄电池组，电压的波动会导致蓄电池组过充电，从而降低了蓄电池组的使用寿命。

为了消除发电机输出端电压的波动，硅整流交流发电机配有励磁调节器，励磁调节器由电压继电器、电流继电器、逆流继电器及其所控制的动断触点J1、J2和动合触点J3以及电阻R1、R2等组成。

2）励磁调节器的工作原理。励磁调节器的作用是使发电机能自动调节其励磁电流（即励磁磁通）的大小，来抵消因风速变化而导致的发电机转速变化对发电机端电压的影响。

当发电机转速较低，发电机端电压低于额定值时，电压继电器V不动作，其动断触点J1闭合，硅整流器输出端电压直接施加在励磁绕组上，发电机属于正常励磁状况；当风速加大，发电机转速增高，发电机端电压高于额定值，动断触点J1断开，励磁回路中被串入了电阻R1，励磁电流及磁通随之减小，发电机输出端电压也随之下降；当发电机电压降至额定值时，触点J1重新闭合，发电机恢复到正常励磁状况。电压继电器工作时发电机端电压与发电机转速的关系如图2-22所示。

风力发电机组运行时，当用户投入的负载过多时，可能出现负载电流过大，超过额定值的状况，如不加以控制，使发电机过负荷运行，会对发电机的使用寿命有较大影响，甚至会损坏发电机的定子绕组。电流继电器的作用就是为了抑制发电机过负荷运行。电流继电器I的动断触点J2串接在发电机的励磁回路中，发电机输出的负荷电流则通过电流继电器的绕组；当发电机的输出电流高于额定值时，继电器不工作，动断触点闭合，发电机属于正常励磁状况；当发电机输出电流高于额定值时，动断触点J2断开，电阻R1被串入励磁回路，励磁电流减小，从而降低了发电机输出端电压并减小了负载电流。电流继电器工作时，发电机负载电流与电机转速的关系如图2-23所示的曲线。

为了防止无风或风速太低时，蓄电池组向发电机励磁绕组送电，即蓄电池组由充电运行变为反方向放电状况，这不仅会消耗蓄电池所储电能，还可能烧毁励磁绕组，因此在励磁调节器装置中，还装有逆电流继电器，逆电流继电器由电压线圈V′、电流线圈I′、动合触点J3及电阻R2组成。发电机正常工作时，逆电流继电器的电压线圈及电流线圈内流过的电流产生的吸力使动合触点J3闭合；当风力太低，发电机端电压低于蓄电池组电压时，继电器电流线圈瞬间流过反向电流，此电流产生的磁场与电压线圈内流过的电流产生的磁场作用相反，而电压线圈内流过的电流由于发电机电压下降也减小了，由其产生的磁场也减弱了，故由电压线圈及电流线圈内电流产生的总磁场的吸力减弱，使得动合触点J3断开，从而断开了蓄电池向发电机励磁绕组送电的回路。

采用励磁调节器的硅整流交流发电机，与永磁发电机比较，其特点是能随风速变化自动调节发电机的输出端电压，防止产生对蓄电池过充电，延长蓄电池的使用寿命，同时还实现了对发电机的过负荷保护。但励磁调节器的动断触点，由于其断开和闭合的动作较频繁，需对触点材质及断弧性能做适当的处理。

用交流发电机进行风力发电时，发电机的转速要达到在该转速下的电压才能够对蓄电池充电。

（3）电容自励异步电机。从异步发电机的理论知道，异步发电机在并网运行时，其励磁电流是由电网供给的，此励磁电流对异步电机的感应电势而言是电容性电流，在风力驱动的异步发电机独立运行时，为得到此电容性电流，必须在发电机输出端接上电容，从而，产生磁场并建立电压。

自励异步电机建立电压的条件是：①发电机必须有剩磁，一般情况下，发电机都会有剩磁存在，万一失磁，可用蓄电池充磁的方法重新获得剩磁；②在异步发电机的输出端并上足够数量的电容，如图2-24所示。

从图2-24可知，在异步发电机输出端所并的电容的容抗，只有电容C增大，使XC减小，励磁电流IO才能增大；而只有IO增大到足够大时，才能建立稳定的电压，如图2-25中的a点，a点的位置是由发电机的无载特性曲线与电容C所确定的电容线交点来决定的。对于建立了稳定电压的a点应有如下的关系：

故XC的大小，也即电容C的大小决定了电容线的斜率，若电容C减小，则容抗X C增加，励磁电流IO减小，从图2-25可以看出电容线将变陡，即角度α增大，当电容线与无载特性不相交时，就不能建立稳定电压。

对应于最小的电容值为临界电容值Ccr，此时的电容线称为临界电容线，而临界电容线与横坐标轴之间的夹角为临界角度αcr，由此可知在独立运行的自励异步发电机中，发电机输出端并联的电容值应大于临界电容值Ccr，即α角度小于临界角度αcr。

值得注意的是发电机的无载特性曲线与发电机的转速有关，若发电机的转速降低，无载特性曲线也随之下降，可能导致自励失败而不能建立电压。独立运行的异步发电机在带负载运行时，发电机的电压及频率都将随负载的变化及负载的性质有较大额变化，要想维持异步电机的电压及频率不变，应采取调节措施。

为了维持发电机的频率不变，当发电机负载增加时，必须相应地提高发电机转子的转速。因为当负载增加时，异步发电机的滑差绝对值 S 增大（异步电机的滑差，在异步电机作为发电机运行时，发电机的转速n大于电机旋转磁场的转速ns，故滑差S为负值），而发电机的频率（p为发电机的极对数），故欲维持频率f1不变，则ns应维持不变，因此当发电机负载增加时，必须增大发电机转子的转速。

为了维持发电机的电压不变，当发电机负载增加时，必须相应地增加发电机端并接电容的数值。因为对数情况下，负载为电感性的，感性电流将抵消一部分容性电流，这样将导致励磁电流减小，相当于增加了电容线的夹角α，使发电机的端电压下降（严重时可以使端电压消失），所以必须增加并接电容的数值，以补偿负载增加时感性电流增加而导致的容性励磁电流的减少。