2.3 風力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成及運行

2.3.1 獨立運行的風力發(fā)電系統(tǒng)

1．直流系統(tǒng)

圖2-40為一個風力機驅(qū)動的小型直流發(fā)電機經(jīng)蓄能裝置向電阻性負載供電的電路圖；圖中L代表電阻性負載（如照明燈等），J為擬留繼電器控制的動斷觸點。當風力減小，風力機轉(zhuǎn)速降低，致使直流發(fā)電機電壓低于蓄電池組電壓時，則發(fā)電機不能對蓄電池充電，而蓄電池卻要向發(fā)電機反向送電。為了防止這種情況出現(xiàn)，在發(fā)電機電樞電路與蓄電池組之間裝有由逆流繼電器控制的動斷觸點，當直流發(fā)電機電壓低于蓄電池組電壓時，逆流繼電器動作，斷開動斷觸點J使蓄電池不能向發(fā)電機反向供電。

以蓄電池組作為蓄能裝置的獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池組容量的選擇至關(guān)重要，因為這是保證在無風期能對負載持續(xù)供電的關(guān)鍵因素，一般來說，蓄電池容量的選擇與選定的風力發(fā)電機的額定數(shù)值（容量、電壓等）、日負載（用電量）狀況以及該風力發(fā)電機安裝地區(qū)的風況（無風期持續(xù)時間）等有關(guān)；同時還應按10h放電率電流值（蓄電池的最佳充放電電流值）的規(guī)定來計算蓄電池組的充電及放電電流值，以保證合理的使用蓄電池，延長蓄電池的使用壽命。

2．交流系統(tǒng)

在圖2-9中曾給出了獨立運行的硅整流發(fā)電機向蓄電池充電的電流原理圖，如果在蓄電池的正負極兩端接上電阻性的直流負載（如圖2-41所示的情況），則構(gòu)成了一個由交流風力發(fā)電機組經(jīng)整流器組整流后向蓄電池充電及向直流負載供電的系統(tǒng)，如果在蓄電池的正負極端接上逆變器，則可向交流負載供電，如圖2-42所示。

逆變器可以是單相逆變器，也可以是三相逆變器，視負載為單相或三相而定。照明及家用電器（如電視機、電冰箱等）只需單相交流電源，選單相逆變器；對于動力負載（如電動機等），必須采用三相逆變器，對逆變器輸出的交流電的波形按負載的要求可以是正弦波形或方波。

交流發(fā)電機除了永磁式交流發(fā)電機及硅整流自勵交流發(fā)電機外，還可以采用無刷勵磁的硅整流自勵交流發(fā)電機，這種型式的發(fā)電機轉(zhuǎn)子上沒有滑環(huán)，因此工作時更加可靠，無刷勵磁硅整流自勵交流發(fā)電機的工作原理如圖2-43所示。

無刷勵磁硅整流自勵交流發(fā)電機在結(jié)構(gòu)上由主發(fā)電機及勵磁機兩部分組成，勵磁機為轉(zhuǎn)樞式，即勵磁機的三相繞組與主發(fā)電機的勵磁繞組皆在主發(fā)電機的同一轉(zhuǎn)軸上，并經(jīng)聯(lián)軸器及齒輪箱與風力機轉(zhuǎn)軸連接，主發(fā)電機內(nèi)除了定子三相繞組及轉(zhuǎn)子勵磁繞組外，尚有附加繞組；勵磁機的勵磁繞組則為靜止的。

當風力機驅(qū)動主發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動后，由于發(fā)電機有剩磁，在發(fā)電機的附加繞組中產(chǎn)生感應電動勢，經(jīng)二極管全波整流后得到的直流電流則作為勵磁電流，流經(jīng)勵磁機的勵磁繞組；而此時風力機與勵磁機的三相繞組同軸旋轉(zhuǎn)，故在三相繞組中感應產(chǎn)生交流電動勢，再經(jīng)過與之連接的每相一支旋轉(zhuǎn)二極管的三相半波整流，產(chǎn)生的直流電供給主發(fā)電機的勵磁繞組，主發(fā)電機的勵磁繞組通電后，則在主發(fā)電機三相繞組中產(chǎn)生交變感應電動勢；同時也在附加繞組中感應電動勢，使附加繞組中的感應電動勢增加，增大了勵磁機的勵磁繞組中的電流，而這又會增大勵磁機三相繞組及主發(fā)電機勵磁繞組中的電流，從而導致主發(fā)電機三相繞組內(nèi)的感應電動勢也隨之增大；如此重復，主發(fā)電機三相繞組內(nèi)的感應電動勢越來越大，最后趨于穩(wěn)定而完成建立起電壓的過程。

為了控制主發(fā)電機在向負載供電時的電壓及電流數(shù)值不超過其額定值，可以在主發(fā)電機的主回路中裝設電壓及電流繼電器，分別控制接觸器動斷觸點J1及J2（圖2-41）。當風力增大，主發(fā)電機輸出電壓高于額定值時，電壓繼電器動作，J1觸點打開，則勵磁機的勵磁電流將流經(jīng)電阻R，電流減小，并導致主發(fā)電機勵磁電流減小，從而迫使主發(fā)電機輸出電壓下降；當風速下降，主發(fā)電機電壓降低到一定程度時，電壓繼電器復位，J1觸點恢復閉合，發(fā)電機輸出電壓又升高，如此不斷調(diào)節(jié)，即能保持主發(fā)電機的輸出電壓維持在額定值附近。當主發(fā)電機電流超過額定值時，電流繼電器動作，J2觸點打開，電阻R被串入勵磁機的勵磁繞組電路中，勵磁電流下降，進而導致主發(fā)電機的輸出電壓下降，迫使輸出電流也下降。

有蓄能電池的獨立運行的交流風力發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池容量大的選擇方法與直流系統(tǒng)相同。