2.2 風力發電機、蓄能裝置

2.2.1 獨立運行風力發電系統中的發電機

1．直流發電機

（1）基本結構及原理。較早時期的小容量風力發電裝置一般采用小型直流發電機，在結構上有永磁式及電勵磁式兩種類型。永磁式直流發電機利用永久磁鐵來提供發電機所需的勵磁磁通，其結構型式如圖2-12所示；電勵磁式直流發電機則是借助在勵磁線圈，由于勵磁繞組與電樞繞組連接方式的不同，分為他勵與并勵（自勵）兩種型式，其結構型式如圖2-13所示。

在風力發電裝置中，直流發電機由風力機拖動旋轉時，根據法拉第電磁感應定律，在直流發電機的電樞繞組中產生感應電勢，在電樞的出線端（ab兩端）若接上負載，就會有電流流向負載，即在a、b端有電能輸出，風能也就轉換成了電能。

直流發電機電樞回路中各電磁物理量的關系為

勵磁回路中各電磁物理量的關系如下：

他勵發電機

并勵發電機

式中：Ce為電機的電勢系數；φ為電機每極下的磁通量；Ra為電樞繞組電阻；Rf為勵磁繞組的外接電阻；Ea為繞組感應電勢；U為電樞端電壓；n為發電機轉速；If為勵磁電流。

（2）發電機的電磁轉矩與風力機的驅動轉矩之間的關系。根據比奧——沙瓦定律，直流發電機的電樞電流與電機的磁通作用會產生電磁力，并由此而產生電磁轉矩，電磁轉矩可表示為

式中：CM為電機的轉矩系數；M為電磁轉矩；Ia為電樞電流。

電磁轉矩對風力機的拖動轉矩為制動性質的，在轉速恒定時，風力機的拖動轉矩與發電機的電磁轉矩平衡，即

式中：M1為風力機的拖動轉矩；M0為機械摩擦阻轉矩。

當風速變化時，風力機的驅動轉矩變化或者發電機的負載變化時，則轉矩的平衡關系為

式中：J為風力機、發電機及傳動系統的總轉動慣量；Ω為發電機轉軸的旋轉角速率；為動態轉矩。

從式（2-11）可見，當負載不變時，即M為常數時，若風速增大，發電機轉速將增加；反之，轉速將下降，由式（2-5）知，轉速的變化，將導致感應電勢及電樞端電壓變化，為此風力機的調速裝置應動作，以調整轉速。

（3）發電機與變化的負載連接時，電磁轉矩與轉速的關系。直流發電機與變化的負載電阻R連接時的線路如圖2-14所示。根據式（2-5）、式（2-6）及U=IaR，可知

當勵磁磁通φ及負載電阻R不變化時，K為一常數。

故M與n的關系為直線關系，對應于不同的負載電阻，M與n有不同的線性關系，如圖2-15中的A、B、C三條直線，分別對應負載電阻為R1、R2及R3（R3＞R2＞R1）時的M—n特性。并勵直流發電機的M—n特性與他勵的相似，只是在并勵時勵磁磁通將隨電樞端電壓的變化而改變，因此M—n的關系不再是直流關系，其M—n特性為曲線形狀，如圖2-16所示。

（4）并勵直流發電機的自勵。在采用并勵發電機時，為了建立電壓，在發電機具有剩磁的情況下，必須使勵磁繞組并聯到電樞兩端的極性正確，同時勵磁回路的總電阻Rf+rf，必須小于某一定轉速下的臨界值，如果并聯到電樞兩端的極性不正確（即勵磁繞組接反了），則勵磁回路中的電流所產生的磁勢將削減發電機中的剩余磁通，發電機的端電壓就不能建立，即電機不能自勵。

當勵磁繞組解法正確，勵磁回路中的電阻為（rf+R f）時，則從圖2-17可知：

勵磁回路電阻線與無載特性曲線的交點即為發電機自勵后建立起來的電樞端電壓Uo。若勵磁回路中串入的電阻值Rf增大，則勵磁回路的電阻與無載特性曲線相切，無穩定交點，則不能建立穩定的電壓。

從圖2-17可見，此時的α cr＞α，對應于此α cr的電阻值R cr=ta nα cr，此R cr即為臨界電阻值，所以為了建立電壓，勵磁回路的總電阻Rf必須小于臨界電阻值。

必須注意，若發電機勵磁回路的總電阻在某一轉速下能夠自勵，當轉速降低到某一轉速數值時，可能不能自勵，這是因為無載特性曲線與發電機的轉速成正比。轉速降低時，無載特性曲線也改變了形狀，因此，對于某一勵磁回路的電阻值，就對應地有一個最小的臨界轉速值ncr，若發電機轉速小于ncr，就不能自勵。在小型風力發電裝置中，為了使發電機建立穩定的電壓，在設計風電裝置時，應考慮使風力機調速機構確定的轉速值大于發電機最小的臨界轉速值。

2．交流發電機

（1）永磁式發電機。

1）永磁發電機的特點。永磁發電機轉子上無勵磁繞組，因此不存在勵磁繞組銅損耗，比同容量的電勵磁式發電機效率高；轉子上沒有滑環，運轉時更安全可靠；電機的重量輕，體積小，制造工藝簡便，因此在小型及微型發電機中被廣泛采用，永磁發電機的缺點是電壓調節性能差。

2）永磁材料。永磁電機的關鍵是永磁材料，表征永磁材料的性能的主要技術參數為Br（剩余磁密）、Hc（矯頑力）、（BH）max（最大磁能積）等。在小型及微型風力發電機中常用的永磁材料有鐵氧體及釹鐵硼兩種；由于鋁鎳鈷、釤鈷兩種材料價格高且最高磁能積不夠高，故經濟性差，用得不多。鐵氧體材料價格較低，Hr較高，能穩定運行，永磁鐵的利用率較高；但氧化鐵的（B H）max約為3.5×106 GOe（高奧），Br在4000Gs（高斯）以下，而釹鐵硼的（BH）max為（25～40）× 106 OeGs，電機的總效率可更高，因此在相同的輸入機械功率下，輸出的電功率可以提高，故而在微型及小型風力發電機中采用此種材料的更多，但與鐵氧體比較，價格要貴些，無論是哪種永磁材料，都要現在永磁機中充磁才能獲得磁性。

3）永磁電機的結構。永磁發電機定子與普通交流電機相同，包括定子鐵芯及定子繞組；定子鐵芯槽內安放定子三相繞組或單相繞組。

永磁發電機的轉子按照永磁體的布置及形狀，有凸極式爪極式兩類，如圖2-18所示為凸極式永磁轉子電機結構，圖2-19為爪極式永磁轉子電機結構。

凸極式永磁電機磁通走向為：N極—氣隙—定子齒槽—氣隙—S極，如圖2-18所示，形成閉合磁通回路。

爪極式永磁電機磁通走向為：N極—左端爪極—氣隙—定子—右端爪極—S極。

所有左端爪極皆為N極，所有右端爪極皆為S極，爪極與定子鐵芯間的氣隙距離遠小于左右兩端爪極之間的間隙，因此磁通不會直接由N極爪進入S極爪而形成短路，左端爪極與右端爪極皆做成相同的形狀。

為了使永磁電機的設計能達到獲得高效率及節約永磁材料的效果，應使永磁電機在運行時永磁材料的工作點接近最大磁能積處，此時永磁材料最節省。圖2-20表示了永磁材料的磁通密度B、磁場強度H及磁能積（BH）的關系曲線，圖中第Ⅱ象限的曲線為永磁材料的退磁曲線，第Ⅰ象限的曲線為磁能積曲線，若永磁材料工作于a點，則顯見其磁能積（BH）接近于最大磁能積（BH）max。

（2）硅整流自勵交流發電機。

1）結構、工作原理及電路圖。硅整流自勵交流發電機的電路圖如圖2-21所示，發電機的定子由定子鐵芯和定子繞組組成，定子繞組為三相，Y形連接，放在定子鐵芯內圓槽內，轉子由轉子鐵芯、轉子繞組（即勵磁繞組）、滑環和轉子軸組成，轉子鐵芯可做成凸極式或爪形，一般多用爪形磁極，轉子勵磁繞組的兩端接到滑環上，通過與滑環接觸的電刷與硅整流器的直流輸出端相連，從而獲得直流勵磁電流。

獨立運行的小型風力發電機組的風力機葉片多數是固定槳距的，當風力變化時，風力機轉速隨機之發生變化，與風力機相連接的發電機的轉速也將發生變化，因而發電機的出口電壓會發生波動，這將導致硅整流器輸出的直流電壓及發電機勵磁電流的變化，并造成勵磁磁場的變化，這樣又會造成發電機出口電壓的波動。這種連鎖反應使得發電機出口電壓的波動范圍不斷增加，顯見，如果電壓的波動得不到控制，在向負載獨立供電的情況下，將會影響供電的質量，甚至會造成用電設備損壞。此外獨立運行的風力發電機都帶有蓄電池組，電壓的波動會導致蓄電池組過充電，從而降低了蓄電池組的使用壽命。

為了消除發電機輸出端電壓的波動，硅整流交流發電機配有勵磁調節器，勵磁調節器由電壓繼電器、電流繼電器、逆流繼電器及其所控制的動斷觸點J1、J2和動合觸點J3以及電阻R1、R2等組成。

2）勵磁調節器的工作原理。勵磁調節器的作用是使發電機能自動調節其勵磁電流（即勵磁磁通）的大小，來抵消因風速變化而導致的發電機轉速變化對發電機端電壓的影響。

當發電機轉速較低，發電機端電壓低于額定值時，電壓繼電器V不動作，其動斷觸點J1閉合，硅整流器輸出端電壓直接施加在勵磁繞組上，發電機屬于正常勵磁狀況；當風速加大，發電機轉速增高，發電機端電壓高于額定值，動斷觸點J1斷開，勵磁回路中被串入了電阻R1，勵磁電流及磁通隨之減小，發電機輸出端電壓也隨之下降；當發電機電壓降至額定值時，觸點J1重新閉合，發電機恢復到正常勵磁狀況。電壓繼電器工作時發電機端電壓與發電機轉速的關系如圖2-22所示。

風力發電機組運行時，當用戶投入的負載過多時，可能出現負載電流過大，超過額定值的狀況，如不加以控制，使發電機過負荷運行，會對發電機的使用壽命有較大影響，甚至會損壞發電機的定子繞組。電流繼電器的作用就是為了抑制發電機過負荷運行。電流繼電器I的動斷觸點J2串接在發電機的勵磁回路中，發電機輸出的負荷電流則通過電流繼電器的繞組；當發電機的輸出電流高于額定值時，繼電器不工作，動斷觸點閉合，發電機屬于正常勵磁狀況；當發電機輸出電流高于額定值時，動斷觸點J2斷開，電阻R1被串入勵磁回路，勵磁電流減小，從而降低了發電機輸出端電壓并減小了負載電流。電流繼電器工作時，發電機負載電流與電機轉速的關系如圖2-23所示的曲線。

為了防止無風或風速太低時，蓄電池組向發電機勵磁繞組送電，即蓄電池組由充電運行變為反方向放電狀況，這不僅會消耗蓄電池所儲電能，還可能燒毀勵磁繞組，因此在勵磁調節器裝置中，還裝有逆電流繼電器，逆電流繼電器由電壓線圈V′、電流線圈I′、動合觸點J3及電阻R2組成。發電機正常工作時，逆電流繼電器的電壓線圈及電流線圈內流過的電流產生的吸力使動合觸點J3閉合；當風力太低，發電機端電壓低于蓄電池組電壓時，繼電器電流線圈瞬間流過反向電流，此電流產生的磁場與電壓線圈內流過的電流產生的磁場作用相反，而電壓線圈內流過的電流由于發電機電壓下降也減小了，由其產生的磁場也減弱了，故由電壓線圈及電流線圈內電流產生的總磁場的吸力減弱，使得動合觸點J3斷開，從而斷開了蓄電池向發電機勵磁繞組送電的回路。

采用勵磁調節器的硅整流交流發電機，與永磁發電機比較，其特點是能隨風速變化自動調節發電機的輸出端電壓，防止產生對蓄電池過充電，延長蓄電池的使用壽命，同時還實現了對發電機的過負荷保護。但勵磁調節器的動斷觸點，由于其斷開和閉合的動作較頻繁，需對觸點材質及斷弧性能做適當的處理。

用交流發電機進行風力發電時，發電機的轉速要達到在該轉速下的電壓才能夠對蓄電池充電。

（3）電容自勵異步電機。從異步發電機的理論知道，異步發電機在并網運行時，其勵磁電流是由電網供給的，此勵磁電流對異步電機的感應電勢而言是電容性電流，在風力驅動的異步發電機獨立運行時，為得到此電容性電流，必須在發電機輸出端接上電容，從而，產生磁場并建立電壓。

自勵異步電機建立電壓的條件是：①發電機必須有剩磁，一般情況下，發電機都會有剩磁存在，萬一失磁，可用蓄電池充磁的方法重新獲得剩磁；②在異步發電機的輸出端并上足夠數量的電容，如圖2-24所示。

從圖2-24可知，在異步發電機輸出端所并的電容的容抗，只有電容C增大，使XC減小，勵磁電流IO才能增大；而只有IO增大到足夠大時，才能建立穩定的電壓，如圖2-25中的a點，a點的位置是由發電機的無載特性曲線與電容C所確定的電容線交點來決定的。對于建立了穩定電壓的a點應有如下的關系：

故XC的大小，也即電容C的大小決定了電容線的斜率，若電容C減小，則容抗X C增加，勵磁電流IO減小，從圖2-25可以看出電容線將變陡，即角度α增大，當電容線與無載特性不相交時，就不能建立穩定電壓。

對應于最小的電容值為臨界電容值Ccr，此時的電容線稱為臨界電容線，而臨界電容線與橫坐標軸之間的夾角為臨界角度αcr，由此可知在獨立運行的自勵異步發電機中，發電機輸出端并聯的電容值應大于臨界電容值Ccr，即α角度小于臨界角度αcr。

值得注意的是發電機的無載特性曲線與發電機的轉速有關，若發電機的轉速降低，無載特性曲線也隨之下降，可能導致自勵失敗而不能建立電壓。獨立運行的異步發電機在帶負載運行時，發電機的電壓及頻率都將隨負載的變化及負載的性質有較大額變化，要想維持異步電機的電壓及頻率不變，應采取調節措施。

為了維持發電機的頻率不變，當發電機負載增加時，必須相應地提高發電機轉子的轉速。因為當負載增加時，異步發電機的滑差絕對值 S 增大（異步電機的滑差，在異步電機作為發電機運行時，發電機的轉速n大于電機旋轉磁場的轉速ns，故滑差S為負值），而發電機的頻率（p為發電機的極對數），故欲維持頻率f1不變，則ns應維持不變，因此當發電機負載增加時，必須增大發電機轉子的轉速。

為了維持發電機的電壓不變，當發電機負載增加時，必須相應地增加發電機端并接電容的數值。因為對數情況下，負載為電感性的，感性電流將抵消一部分容性電流，這樣將導致勵磁電流減小，相當于增加了電容線的夾角α，使發電機的端電壓下降（嚴重時可以使端電壓消失），所以必須增加并接電容的數值，以補償負載增加時感性電流增加而導致的容性勵磁電流的減少。