小型直流发电系统优化方案

9.3.3.1 离网型风力发电系统

通常离网型风力发电机组容量较小，发电容量从几百瓦到几十千瓦的均属于小型风力发电机组。离网型小型风力机的推广应用，为远离电网的农牧民解决了基本的生活用电，改善了农牧民的生活质量。

小型风力机按照发电类型的不同，可分为直流发电机型、交流发电机型。较早时期的小容量风力发电机组一般采用小型直流发电机，在结构上有永磁和励磁两种类型。永磁直流发电机利用永磁铁提供发电机所需的励磁磁通，电励磁直流发电机则是借助在励磁线圈内流过的电流产生磁通来提供发电机所需的励磁磁通。接励磁绕组与电枢绕组连接方式的不同，又可分为他励磁式和并励磁式两种形式。

随着小型风力发电机组的发展，发电机类型逐渐由直流发电机转变为交流发电机。主要包括永磁发电机、硅整流自励交流发电机。永磁发电机转子没有滑环，运转时更安全可靠，电机重量轻、体积小、工艺简便，因此在离网型风力机中被广泛应用，缺点是电压调节性能差。硅整流自励交流发电机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。

由于风力的随机波动，会导致发电机转速的变化，从而引起发电机出口电压波动。发电机出口电压波动将导致硅整流器输出直流电压及发电机励磁的变化，并造成励磁场的变化，进而又会造成发电机出口电压的波动。因此，为抑制这种的电压波动，稳定输出，保护用电设备及蓄电池，该类型的发电机需要配备相应的励磁调节器。

9.3.3.2 直流发电系统

直流发电系统大都用于10kW以下的微、小型风力发电装置，与蓄电池储能配合使用。虽然直流发电机可直接产生直流电，但由于直流电机结构复杂、价格贵，而且由于带有整流子和电刷，需要的维护也多，不适于风力机的运行环境。所以，在这种系统中所用的电机主要是交流永磁发电机和无刷自励发电机，经整流器整流后输出直流电。

1.交流永磁发电机(www.xing528.com)

交流永磁电机的定子结构与一般同步电机相同，转子采用永磁结构。由于没有励磁绕组，不消耗励磁功率，因而有较高的效率。永磁电机转子结构的具体形式很多，按磁路结构的磁化方向，基本上可分为径向式、切向式和轴向式三种类型。采用永磁发电机的微、小型风力发电机组，常省去增速齿轮箱，发电机直接与风力机相连。在这种低速永磁电机中，定子铁耗和机械损耗相对较小，而定子绕组铜耗所占比例较大。为了提高电机效率，主要应降低定子铜耗，因此采用较大的定子槽面积和较大的绕组导体截面，额定电流密度取得较低。

起动阻力矩是用于微、小型风电装置的低速永磁发电机的重要指标之一，它直接影响风力机的起动性能和低速运行性能。为了降低切向式永磁发电机的起动阻力矩，必须选择合适的齿数、极数配合，采用每极分数槽设计，分数槽的分母值越大，气隙磁导随转子位置越趋均匀，起动阻力矩也就越小。

永磁发电机的运行性能是不能通过其本身来进行调节的，为了调节其输出功率，必须另加输出控制电路。但这往往与对微、小型风电装置的简单和经济性要求相矛盾，实际使用时应综合考虑。

2.无刷爪极自励发电机

无刷爪极自励发电机与一般同步电机的区别仅在于它的励磁系统部分。其定子铁芯及电枢绕组与一般同步电机基本相同。

由于爪极发电机的磁路系统是一种并联磁路结构，所有各对极的磁势均来自一套共同的励磁绕组，因此与一般同步发电机相比，励磁绕组所用的材料较省，所需的励磁功率也较小。对于一台爪极电机，在每极磁通及磁路磁密相同的条件下，爪极电机励磁绕组所需的铜线及其所消耗的励磁功率将不到一般同步电机的一半，故具有较高的效率。另外无刷爪极电机与永磁电机一样均系无刷结构，基本上不需要维护。与永磁发电机相比，无刷爪极发电机除机械摩擦力矩外基本上无起动阻力矩。另一个优点是具有很好的调节性能，通过调节励磁可以很方便地控制它的输出特性，并有可能使风力机实现最佳叶尖速比运行，得到最好的运行效率。这种发电机非常适合用于千瓦级的风力发电装置中。

电容自励异步发电机室根据异步发电机在并网运行时电网供给异步发电机励磁电流，对异步感应电机的感应电动势能产生容性电流的特性设计的。在风力驱动异步发电机独立运行时，未得到此容性电流，需在发电机输出端并接电容，从而产生磁场，建立电压。为维持发电机端电压，必须根据负载及风速的变化，调整并接电容的大小。