2.3 风力发电系统的构成及运行

2.3.1 独立运行的风力发电系统

1．直流系统

图2-40 独立运行的直流风力发电系统

图2-40为一个风力机驱动的小型直流发电机经蓄能装置向电阻性负载供电的电路图；图中L代表电阻性负载（如照明灯等），J为拟留继电器控制的动断触点。当风力减小，风力机转速降低，致使直流发电机电压低于蓄电池组电压时，则发电机不能对蓄电池充电，而蓄电池却要向发电机反向送电。为了防止这种情况出现，在发电机电枢电路与蓄电池组之间装有由逆流继电器控制的动断触点，当直流发电机电压低于蓄电池组电压时，逆流继电器动作，断开动断触点J使蓄电池不能向发电机反向供电。

以蓄电池组作为蓄能装置的独立运行风力发电系统中，蓄电池组容量的选择至关重要，因为这是保证在无风期能对负载持续供电的关键因素，一般来说，蓄电池容量的选择与选定的风力发电机的额定数值（容量、电压等）、日负载（用电量）状况以及该风力发电机安装地区的风况（无风期持续时间）等有关；同时还应按10h放电率电流值（蓄电池的最佳充放电电流值）的规定来计算蓄电池组的充电及放电电流值，以保证合理的使用蓄电池，延长蓄电池的使用寿命。

2．交流系统

图2-41 交流发电机向直流负载供电

在图2-9中曾给出了独立运行的硅整流发电机向蓄电池充电的电流原理图，如果在蓄电池的正负极两端接上电阻性的直流负载（如图2-41所示的情况），则构成了一个由交流风力发电机组经整流器组整流后向蓄电池充电及向直流负载供电的系统，如果在蓄电池的正负极端接上逆变器，则可向交流负载供电，如图2-42所示。

图2-42 交流发电机向交流负载供电

逆变器可以是单相逆变器，也可以是三相逆变器，视负载为单相或三相而定。照明及家用电器（如电视机、电冰箱等）只需单相交流电源，选单相逆变器；对于动力负载（如电动机等），必须采用三相逆变器，对逆变器输出的交流电的波形按负载的要求可以是正弦波形或方波。

交流发电机除了永磁式交流发电机及硅整流自励交流发电机外，还可以采用无刷励磁的硅整流自励交流发电机，这种型式的发电机转子上没有滑环，因此工作时更加可靠，无刷励磁硅整流自励交流发电机的工作原理如图2-43所示。

图2-43 无刷励磁硅整流自励交流发电机原理图

无刷励磁硅整流自励交流发电机在结构上由主发电机及励磁机两部分组成，励磁机为转枢式，即励磁机的三相绕组与主发电机的励磁绕组皆在主发电机的同一转轴上，并经联轴器及齿轮箱与风力机转轴连接，主发电机内除了定子三相绕组及转子励磁绕组外，尚有附加绕组；励磁机的励磁绕组则为静止的。

当风力机驱动主发电机转子转动后，由于发电机有剩磁，在发电机的附加绕组中产生感应电动势，经二极管全波整流后得到的直流电流则作为励磁电流，流经励磁机的励磁绕组；而此时风力机与励磁机的三相绕组同轴旋转，故在三相绕组中感应产生交流电动势，再经过与之连接的每相一支旋转二极管的三相半波整流，产生的直流电供给主发电机的励磁绕组，主发电机的励磁绕组通电后，则在主发电机三相绕组中产生交变感应电动势；同时也在附加绕组中感应电动势，使附加绕组中的感应电动势增加，增大了励磁机的励磁绕组中的电流，而这又会增大励磁机三相绕组及主发电机励磁绕组中的电流，从而导致主发电机三相绕组内的感应电动势也随之增大；如此重复，主发电机三相绕组内的感应电动势越来越大，最后趋于稳定而完成建立起电压的过程。

为了控制主发电机在向负载供电时的电压及电流数值不超过其额定值，可以在主发电机的主回路中装设电压及电流继电器，分别控制接触器动断触点J1及J2（图2-41）。当风力增大，主发电机输出电压高于额定值时，电压继电器动作，J1触点打开，则励磁机的励磁电流将流经电阻R，电流减小，并导致主发电机励磁电流减小，从而迫使主发电机输出电压下降；当风速下降，主发电机电压降低到一定程度时，电压继电器复位，J1触点恢复闭合，发电机输出电压又升高，如此不断调节，即能保持主发电机的输出电压维持在额定值附近。当主发电机电流超过额定值时，电流继电器动作，J2触点打开，电阻R被串入励磁机的励磁绕组电路中，励磁电流下降，进而导致主发电机的输出电压下降，迫使输出电流也下降。

有蓄能电池的独立运行的交流风力发电系统中，蓄电池容量大的选择方法与直流系统相同。