风力发电机发电原理

5.1　研究的背景及意义

在人类社会发展中使用工具、能量、动力是发展程度的标志，发电机、电动机使人类社会发展中脱离人力、畜力及水力和火力的现场，经电力线传送动力到一切应用动力的地点，是生产力发展的巨大动力源，是电力工业成为可能的基础，支撑着我们的现代生活的方方面面。

在国民经济生产中，电机工业是机械工业中的一个重要组成部分，电机是机电一体化中机和电的结合部位，是机电一体化的一个很重要基础，电机可称为电气化的心脏。它对国民经济的发展有着重要的作用，并随着国民经济和科学技术的发展而不断发展。

电机的发展又与电能的发展紧密地联系在一起。电能是现今社会一种最主要的能源，是现代工业、农业、交通运输、科学技术和日常生活等各方面最常用的一种能源，这主要是由于它的生产、传输、分配、使用控制及能量转换较为方便。电机是与电能的生产、传输和使用有关的最重要的一种能量转换设备，不仅是工业、农业和交通运输业的重要设备，而且在包括各类家电在内的日常生活中的应用也越来越广泛。

发电机、变压器是电力工业的主要设备之一。在发电厂，发电机将原始能源，如热力、水力、化学能、核能、风力和太阳能等转换为生产和生活中可使用的电能；变电站的作用是经济地传输和分配电能。远距离传输前，升压变压器把大型发电机发出的低压的交流电转换成高压的交流电，而在供给用户使用前，还必须把来自高压输电网的电能经过降压变压器降压后才能安全使用。因此，在电能的生产、传输和分配过程中，发电机和变压器起着重要的作用。

在电能的应用中，电动机同样起着至关重要的作用。在机械工业、冶金工业、化学工业、交通运输及日常生活等方面，电动机将电能转换成机械能，为各种工作机械提供动力。

5.1.1　发电机的技术发展

现在的发电机市场大致可分为两种类型：燃烧型和非燃烧型。而中小型发电机的发展趋势更是迅猛，中小型发电机一般是指额定功率在1　000kW以下的发电机，未来中小型发电机的发展趋势是：大容量，高效率，发电过程的环保性。

1）往复式内燃机驱动发电机的大功率化

是目前广泛应用的独立性发电设备，功率在1～1　000kW，发电机与内燃机直接或间接一体化。市场占有率在70%左右，今后主要向大功率化发展，现已制成2　200kW的发电机并投放市场。国内也正在研发1　200～2　500kW的机组。另外，转子材料的变化导致了转子新结构的变化，目前，国内市场上也出现了达50kW的永磁体发电机，平均效率达90%以上。

2）小型涡轮发电机的高效化

小型涡轮发电机是以28～75kW的发电规模开始商业化生产的，目前，小型涡轮发电机仍有发展空间，年需量将达到10万个发电机组。每年具有10亿美元的市场。其中国内30kW发电规模的小型涡轮发电机的成本可望下降到每千瓦400美元。

3）核能发电

核电发展具有几十年的历史，发电技术日渐成熟，如德国核电占到总发电量的四分之一，法国核电为70%，日本、美国的核电规模也很大。我国一直把核电作为一项很重要的能源来发展，但是随着日本因海啸引起的福岛核电站事故造成的灾难性影响，核电的发展在世界范围内放慢了脚步，特别是德国宣布到2022年关闭其国内的全部核电站，大力发展其他新型能源，这对我国的核电政策产生了深远的影响。

4）风力发电机的大型化和海上化

近年来，风力发电发展每年以30%的速度增加，最新统计资料反映：1998年，全世界风力发电装机容量为9　893MW，1999年4月全世界风力发电装机容量已突破10　000MW。市场上常见的风力发电规模在600～3　000kW之间，但800～6　000kW的风电机已上市。受运输、安装条件限制，单机容量2MW是陆上风电发展的极限。海上风电场已成为新的选择。目前，我国已开发出3～5MW的风力发电机组，欧美在开发7～10MW的风电机组，其特点为容量大且安装方便，发电成本低于陆上发电成本。美国推出了高效大型风电机组，风轮直径为97.5m，重量144t，年发电量10GW·h。

5）水轮发电机的高压化

水轮发电机正朝着高压化方向发展，ABB公司成功研制出首台高压水轮发电机，可直接向高压电网供电而不经过变压器，新发电机的电压范围20～400kV，总效率可提高1%以上，投资费用降低，电机正常运转温度只有90℃，低于常规电机130℃的运转温度。

6）纳米发电机的实用化

随着纳米材料和技术的出现，纳米发电机已经出现。就此，我国走在世界首列，研制出世界上最小的发电机——纳米发电机。它主要把来自声波、超声波、体液和血液流动的能量转换为电能，为小型设备供电。

5.1.2　我国发电机的发展前景

全国水电供应因多方原因出现了严重紧缺，用电受到一定程度限制，目前，正是我国工业经济快速发展的时期，众多企业都纷纷加足马力投入大规模生产；其次是前两年众多厂家购买发电机是为了应急，在购买时没有长远打算，而事过境迁所购的小型发电机已适应不了新需求，在此情况下，更新换代的发电机也占了很大一部分；再者就是机电产品每年的出口量都在递增，水泵和发电机的市场空间在近几年内还会很大。正是在三方因素的促进下，水泵和发电机市场又一次迎来了新的发展机遇。

目前最具发展前景的是风力发电机。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴藏量巨大，全球风能资源总量约为2.74×10⁹MW，其中可利用的风能为2×10⁷MW。中国风能储量很大、分布面广，仅陆地上的风能储量就约有3.53×10⁸kW，开发利用潜力巨大。

随着全球经济的发展，风能市场也迅速发展起来。2007年全球风能装机总量为9万MW，2008年全球风电增长28.8%，2008年底全球累计风电装机容量已超过了12.08万MW，相当于减排1.58×10⁸t二氧化碳。随着技术进步和环保事业的发展，风能发电在商业上将完全可以与燃煤发电竞争。

“十五”期间，中国的并网风电得到迅速发展。2006年，中国风电累计装机容量已经达到260MW，成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一。2007年以来，中国风电产业规模延续暴发式增长态势。2008年中国新增风电装机容量达到719.02MW，新增装机容量增长率达到108.4%，累计装机容量跃过1　300MW大关，达到1　324.22MW。内蒙古、新疆、辽宁、山东、广东等地风能资源丰富，风电产业发展较快。

进入2008年下半年以来，受国际宏观形势影响，中国经济发展速度趋缓。为有力拉动内需，保持经济社会平稳较快发展，政府加大了对交通、能源领域的固定资产投资力度，支持和鼓励可再生能源发展。作为节能环保的新能源风电产业赢得了历史性的发展机遇，在金融危机的不利环境中逆市上扬，发展势头迅猛，截至2009年初，全国已有25个省份、直辖市、自治区开始了风电场建设和规化。

中国风力等新能源的发展前景十分广阔，预计未来很长一段时间都将保持高速发展，同时盈利能力也将随着技术的逐渐成熟稳步提升。随着中国风电装机的国产化和发电的规模化，风电成本可望再降。因此风电开始成为越来越多投资者的逐金之地。风电场建设、并网发电、风电设备制造等领域成为投资热点，市场前景看好。2009年风电行业的利润总额仍将保持高速增长，经过2009年的高速增长，2010年、2011年增速会稍有回落，但增长速度也将达到60%以上。2010年全国累计风电装机容量突破2　000MW，提前实现2020年的规划目标。

5.1.3　发电机的分类

发电机的形式很多，但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律。因此，其构造的一般原则是：用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的。

发电机的类型包括：直流发电机、交流发电机、同步发电机、异步发电机（很少采用）。交流发电机还可分为单相发电机与三相发电机。

5.1.4　结构及工作原理

发电机通常由定子、转子、端盖、机座及轴承等部件构成。

定子由机座、定子铁芯、线包绕组、以及固定这些部分的其他结构组成。

转子由转子铁芯（有磁扼、磁极绕组）、滑环（又称铜环，集电环）、风扇及转轴等部件组成。

由轴承及端盖将发电机的定子，转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，做切割磁力线的运动，从而产生感应电动势，通过接线端子引出，接到回路中，产生电流。

5.1.5　常见的几种发电机简介

1）汽轮发电机

与汽轮机配套的发电机。为了得到较高的效率，汽轮机一般做成高速的，通常为3　000 r/min（频率为50Hz）或3　600r/min（频率为60Hz）。核电站中汽轮机转速较低，但也在1　500 r/min以上。高速汽轮发电机为了减少因离心力而产生的机械应力以及降低风耗，转子直径一般做得比较小，长度比较大，即采用细长的转子。特别是在3　000r/min以上的大容量高速机组，由于材料强度的关系，转子直径受到严格的限制，一般不能超过1.2m。而转子本体的长度又受到临界速度的限制。当本体长度达到直径的6倍以上时，转子的第二临界速度将接近于电机的运转速度，运行中可能发生较大的振动。所以大型高速汽轮发电机转子的尺寸受到严格的限制。10MW左右的空冷电机其转子尺寸已达到上述的极限尺寸，要再增大电机容量，只有靠增加电机的电磁负荷来实现。为此必须加强电机的冷却。所以5～10MW以上的汽轮发电机都采用了冷却效果较好的氢冷或水冷技术。20世纪70年代以来，汽轮发电机的最大容量已达到130～150MW。从1986年以来，在高临界温度超导电材料研究方面取得了重大突破。超导技术可望在汽轮发电机中得到应用，这将在汽轮发电机发展史上产生一个新的飞跃。

2）柴油发电机

由内燃机驱动的发电机。它起动迅速，操作方便。但内燃机发电成本较高，所以柴油发电机组主要用作应急备用电源，或在流动电站和一些大电网还没有到达的地区使用。柴油发电机转速通常在1　000r/min以下，容量在几千瓦到几千千瓦之间，尤以200kW以下的机组应用较多。它制造比较简单。柴油机轴上输出的转矩呈周期性脉动，所以发电机是在剧烈振动的条件下工作。因此，柴油发电机的结构部件，特别是转轴要有足够的强度和刚度，以防止这些部件因振动而断裂。此外，为防止因转矩脉动而引起发电机旋转角速度不均匀，造成电压波动，引起灯光闪烁，柴油发电机的转子也要求有较大的转动惯量，而且应使轴系的固有扭振频率与柴油机的转矩脉动中任一交变分量的频率相差20%以上，以免发生共振，造成断轴事故。

图5－1　柴油发电机

柴油发电机组主要由柴油机、发电机和控制系统组成，柴油机和发电机有两种连接方式，一为柔性连接，即用连轴器把两部分对接起来，二为刚性连接，用高强度螺栓将发电机钢性连接片和柴油机飞轮盘连接而成，目前使用刚性连接比较多一些，柴油机和发电机连接好后安装在公共底架上，然后配上各种传感器，如水温传感器，转速传感器等，通过这些传感器，把柴油机的运行状态显示给操作员，而且有了这些传感器，就可以设定一个上限，当达到或超过这个限定值时控制系统会预先报警，这个时候如果操作员没有采取措施，控制系统会自动将机组停掉，柴油发电机组就是采取这种方式起自我保护作用的。传感器起接收和反馈各种信息的作用，真正显示这些数据和执行保护功能的是机组本身的控制系统。

柴油发电机组是一种独立的发电设备，指以柴油等为燃料，以柴油机为原动机带动发电机发电的动力机械。整套机组一般由柴油机、发电机、控制箱、燃油箱、起动和控制用蓄电瓶、保护装置、应急柜等部件组成。整体可以固定在基础上，定位使用，亦可装在拖车上，供移动使用。柴油发电机组属非连续运行发电设备，若连续运行超过12h，其输出功率将低于额定功率约90%。尽管柴油发电机组的功率较低，但由于其体积小、灵活、轻便、配套齐全，便于操作和维护，所以广泛应用于矿山、铁路、野外工地、道路交通维护、工厂、企业、医院等部门，作为备用电源或临时电源。同时这种小型的发电机组也可以作为小型的移动电站使用，为很多企业的后备电源使用。

3）同步发电机

作为发电机运行的同步电机是一种最常用的交流发电机。在现代电力工业中，它广泛用于水力发电、火力发电、核能发电以及柴油机发电。由于同步发电机一般采用直流励磁，当其单机独立运行时，通过调节励磁电流，能方便地调节发电机的电压。若并入电网运行，因电压由电网决定，不能改变，此时调节励磁电流的结果是调节了电机的功率因数和无功功率。

同步发电机的定子、转子结构与同步电动机相同，一般采用三相形式，只在某些小型同步发电机中电枢绕组采用单相。

工作特性是表征同步发电机性能的主要是空载特性和负载运行特性。这些特性是用户选用发电机的重要依据。

（1）空载特性。发电机不接负载时，电枢电流为零，称为空载运行。此时电机定子的三相绕组只有励磁电流I_f感应出的空载电动势E₀（三相对称），其大小随I_f的增大而增加。但是，由于电机磁路铁芯有饱和现象，所以两者不成正比。反映空载电动势E₀与励磁电流I_f关系的曲线称为同步发电机的空载特性。

（2）电枢反应。当发电机接上对称负载后，电枢绕组中的三相电流会产生另一个旋转磁场，称电枢反应磁场。其转速正好与转子的转速相等，两者同步旋转。

同步发电机的电枢反应磁场与转子励磁磁场均可近似地认为都按正弦规律分布。它们之间的空间相位差取决于空载电动势E0与电枢电流I之间的时间相位差。电枢反应磁场还与负载情况有关。当发电机的负载为电感性时，电枢反应磁场起去磁作用，会导致发电机的电压降低；当负载呈电容性时，电枢反应磁场起助磁作用，会使发电机的输出电压升高。

（3）负载运行特性。主要指外特性和调整特性。外特性是当转速为额定值、励磁电流和负载功率因数为常数时，发电机端电压U与负载电流I之间的关系。调整特性是转速和端电压为额定值、负载功率因数为常数时，励磁电流I_f与负载电流I之间的关系。由于电枢反应磁场影响的不同，三者的曲线也不一样。在外特性中，从空载到额定负载时电压的变化程度称为电压变化率ΔU，常用百分数表示。同步发电机的电压变化率约为20%～40%。一般工业和家用负载都要求电压保持基本不变。为此，随着负载电流的增大，必须相应地调整励磁电流。虽然调整特性的变化趋势与外特性正好相反，对于感性和纯电阻性负载，它是上升的，而在容性负载下，一般是下降的。

（4）结构和分类。同步发电机的结构按其转速分为高速和低（中）速两种。前者多用于火电厂和核电站；后者多与低速水轮机或柴油机联动。在结构上，高速同步发电机多用隐极式转子，低（中）速同步发电机多用凸极式转子。

4）异步发电机

异步发电机又称“感应发电机”。利用定子与转子间气隙旋转磁场与转子绕组中感应电流相互作用的一种交流发电机。其转子的转向和旋转磁场的转向相同，但转速略高于旋转磁场的同步转速。常用作小功率水轮发电机。

交流励磁发电机又被人们称之为双馈发电机。三相交流励磁发电机由于转子方采用交流电压励磁，使其具有灵活的运行方式，在解决电站持续工频过电压、变速恒频发电、抽水蓄能电站电动－发电机组的调速等问题方面有着传统同步发电机无法比拟的优越性。交流励磁发电机主要的运行方式有以下三种：①变速恒频方式；②无功大范围调节的方式；③发电－电动方式。

随着电力系统输电电压的提高，线路的增长，当线路的传输功率低于自然功率时，线路和电站将出现持续的工频过电压，为改善系统的运行特性，不少技术先进的国家很早就开始研究异步发电机在大电力系统中的应用问题，并认为大系统采用异步发电机后，可提高系统的稳定性、可靠性和运行的经济性。