微型电网和小型燃气轮机发电机

微型电网
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摘　要：本文介绍了微型电力网和可能成为微网中主要发电设备的小型燃气轮机高速发电机组，说明了在分布式发电系统中微型电网的重要作用它在发展可再生能源中的必要性。

本文还着重介绍了高速发电机的构造和它的特点。

关键词：微型电力网，小型燃气轮机，高速发电机
微网技术是指将一定区域内
（例如某一街区、某几个大型建筑物）或某些企事业内各单位拥有的分散的发电资源（例如自行供电的发电设备或备用发电机组、太阳能发电装置、风力发电设备等可再生能源发电装置）联结起来共同向各单位供电，并通过配电网与主干大型电力网并联运行，形成一个大型电网与小型发电设备联合运行的系统。

各单位可依赖大型电网的供电取得大量廉价电能，同时也可以在本单位的发电能力有富余时，向大型电网回馈电能。

把各单位分散的小型发电设备联结成网并与大型电网联网运行是一个新概念、新技术，并将带来一系列要求解决的新的科学技术问题。

这些问题大体上是微电网本身的控制和调度，微网运行对大电网的影响，以及电网的经济性和它的故障
处理等。

也许有人会提出这样的疑问，即把各分散发电的单位改由大电网统一供电在技术上是一个进步，可以大大提高整个供电系统的经济性，为什么又要提出分散供电这种措施？这是因为，随着技术的进步，各种客观因素如环保、可靠性等的要求，微网与大电网的并联运行并不只是回到独立分散供电方式上去，而是解决上述多种问题的一种途径。

与大型电网单独供电的方式相比，微网与大型电网结合所带来的优点是明显的。

概括起来，可列出下列几方面。

首先是可使各种发电设备的能力得到充分的利用，减少主干电网在峰值负荷时期所承受的紧张情况。

这几年我国大部分地区电力供应不足，在峰荷期间不得不拉闸限电，给生产生活带来不利影响。

在这种情况下，微网中的发电设备就可以提供补充电力以弥补主干网的电力不足，也就是让微网起到削峰的作用。

由于微网中的发电设备通常会包括
可再生能源，如太阳能发电或几罗发电，它们由于本身的要求一般都有储能设备，有利于在峰荷期间补充电力供应。

这种相互补充的特性是微网和主干大电力网并联运行的一大特点。

其次是加强了供电可靠性。

由于用电负荷在这种方式下不再仅依赖于主干网的供给，供电可靠性将大为提高。

大电网的可靠性问题始终是一个长时间以来一直困扰人们的难题，迄今也未能得到最好的解决。

美国在２００３年夏发生东部大停电后曾提出要投资１０００亿美元来改造它的电网以提高其可靠性问题，但短期内似尚无可能付诸实现。

因此，对重要单位来说，应急用的自备发电机组还是必不可少的措施。

如果各单位将自备的各种发电设备，包括备用发电机组有效地利用起来并组成微网，就可大大提高供电可靠性。

同时，将自备机组并入微网而不是一家一户独自满足本身需要的情况下，各单位的总装机容量也可以相应减小，这将提高备用或自备发电机组的经济性。

第三是提高了整个电网的运行效率，同时还可以减少对环境的污染。

在微网和主干网并联运行时，可以让微网主要承担峰荷。

在这种情况下，主干网带的是基本负荷。

这将
目前国内外电力和电工行业在研究发展微型电力网（简称微网ｍｉｃｒｏｇｒｉｄ）技术。

微网的核心是新型动力机械和新的发电技术、可再生能源发电技术和储能技术的综合。

这一新动向不仅对电力行业有重要意义，也给电工制造行业提出了新的挑战和机遇。

本文将对此作一简要的评述。

和　小型燃气轮机发电机
技术前沿／
　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ·
ＣＥＥＩＡ
■　文／　中国科学院电工研究所 沈国
使主干网中的发电站处于最经济的方式下运行，即运行在最高效率的条件下，而且很少承担或者只是较平衡地承担负荷的突然变化，使大型电站的锅炉、发电机组等都在理想条件下运行。

这不仅带来运行效率的提高，也减少了污染物排放的总量，有利于环境保护。

同时，同于微网都处于负荷中心，没有主干网长距离输电和升降电压带来的输电损耗，因此提高了整个网络的经济性。

此外，还有值得一提的就是微网的发展前景。

分散供电的微型电网具有很强的生命力和发展前途。

这除了述原因外，人们对可再生能源的需求与广泛利用也是一个重要因素。

一般说来，可再生能源都有分散性和规模不大的特点。

另外，它们受自然条件的制约不能长时间稳定供电，除非具备储能装置。

这些特点决定了把可再生能源的发电设备联入微网的必要性。

因为在联网之后，它们才能最大程度地发挥自己的优势而避免它们的缺点。

从科学的发展观来说，发展可再生能源是解决我国能源供应的必由之路。

国外在这方面已经作了许多研究和实际的开发利用。

我国也正大力开展这方面的工作，据我国某权威单位的研究预测，到２０５０年，在优先考虑环保的条件下，我国可再生能源占全部能源的比例将高达３０％左右，成为最主要的能源供应要素。

即使按常规的发展条件，可再生能源的比重也将达到１８％。

因此，发展可再生能源的发电设备以及它们与微网的联结，将是电工界的一项重要任务。

微网中除了可再生能源发电设备以外，当前最热门的动力发电机组是小型燃气轮机和高速发电机的组合。

这种新型机组有许多优于现有的内燃发电机组和小
型蒸汽涡轮发电机组的特点，因
而将取代它们成为微型电网中的
主力机组。

下面将对它们作一简
要介绍：
微型燃气轮机发电机组的构成
如图１所示。

它包括：１）燃气（天
然气）压缩机；２）空气压缩机；３）
换热器；４）低排放燃烧室；５）压缩
机用涡轮机；６）动力涡轮机；７）高
速发电机；８）电力电子装置（整流
器和逆变器）。

燃气压缩机把管道供应的燃气
加压到例如１０个大气压或更高。

高
压空气压缩机把助燃用的洁净空气
加压同时压缩加热到高温高压，再
经过换热器进一步加热后与燃气一
起送到燃烧室燃烧。

燃烧室设计成
可得到低排放的燃烧，其Ｎｏｘ的排
放量可低于１０Ｖｐｐｍ，ＣＯ则低于
２０Ｖｐｐｍ，以满足环保要求。

燃烧后
的高温高压气体送到空气压缩机的
涡轮机再到驱动高速发电机的动力
涡轮机。

为了配合各自所带机组的
转速要求，这两台涡轮机不在同一
个机械轴上而是分别耦合到各自所
驱动的机组上。

经过燃气轮机作功
后的气体经过换热器去加热压缩
缩空气后可以直接排放，但更合理
的是送到冷热电联供单元供制冷或
制热用，以便更有效地利用热能。

这
也是这种系统的另一优点。

燃气轮机的运转速度很高，因
此它所驱动的发电机也应该是高速
发电机。

在这种情况下发电机制输
出不再是通常５０赫的工频，而可达
数千赫的范围。

为此，发电机的输出
要经过整流和逆变电路，变成５０赫
后再送入配电网供用户使用。

这样，
系统中多了一个整流逆变的环节，
但可省去降压变压器。

小型燃气轮机和高速发电机的
组合比起传统的小型汽轮发电机组
或内燃发电机组来，大致有下列优
点：１、基建投资低，速度快。

据国
外资料，对于５００ｋＷ这一规模的小
型燃气轮发电机组，其投资约为
７００美元／ｋＷ，而同容量的小型汽
轮发电机组则可达１５００美元／ｋＷ
或更高。

２、小型燃气轮发电机组的
运行效率一般都较高。

例如上述容
量的机组在有热交换器的条件下其
系统热效率可达３４％，而同容量的
小汽轮机组则为２８％。

３、小型燃气
轮机的转速较高，适合驱动高速发
电机组，特别是轴向磁通的高速发
电机。

这里对这种高速发电机作一
简单说明。

与小型燃气轮机配套的
高速发电机和传统的同步交流发电
机有很大不同。

传统的同步发电机
的磁通走向是径向的，而这种高速
发电机的磁通却是轴向的。

它的示
意性构造如图２所示。

转子是盘状
结构的，其上嵌有以钕铁硼材料制
成的磁极以产生轴向磁通。

定子上
绕制着定子线圈，但定子上没有像
传统电机中那样的铁芯，因此可大
大减轻发电机的重量。

转子和定子
可根据需要有若干对组成，它们都
同轴地装在一个机械轴上（图中显
示出了一个定子）。

在两端的转子
上各有铁质端盘一个以闭合磁路。

当转子转动时，不同磁极的磁通相
继切割定子线圈而产生感应电热。

由于转子和定子对的数量可以根据
功率需要而增减，因此对这类电机
的设计和批量生产带来了灵活和方
便。

由于定子和转子上都没有齿
槽，所以非常适合于高转速下运
行。

另外，不论定子或转子都没有
常规发电机上不可缺少的端部绕
组，彻底消除了常见的端部绕组的
故障，从而大大增加了可靠性。

这
种发电机制优点是明显的。

概括起
来大致有以下方面：１、重量轻、体
积小，其重量仅为常规发电机的
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２０％到５０％。

例如一台４００ｋＷ的高速发电机其重量约为５７ｋｇ，长度约０．５５ｍ，直径约０．３５ｍ，加上整流器逆变器及开关设备等重约６７５ｋｇ，其机箱的长宽高分别为０．４５、１．２和２．５ｍ。

相比之下，同容量的传统发电机最大重量可达３０００ｋｇ左右，直径和长度分别约１．５ｍ和０．９ｍ。

可见其差别很大。

一般说来，高速发电机的功率密度约为传统发电机的２．２到４．８倍。

２、不需减速齿轮而直接耦合到高速的燃气轮机上，有利于降低成本，减少噪声，提高可靠性、以及减少维护工作。

３、在使用逆变器的情况下，频率稳定性可达±０．０５赫，接近于大型主干网的±０．０３赫的要求，而远高于一般小型发电厂所能达到的标准。

４、即使在原动机转速大幅度波动时（例如１０％），电压调整率仍可保持在很小的范围，例如±０．５％。

这是因为整流器逆变器电路能快速响输出电压的变化而自动调整。

５、基本上没有励磁电流和铁损，可提高效率，减少发热。

６、可耐受较大的相间不
平衡的负荷，例如高达５０％，这对
大型电机是不可接受的，但高速发
电机系统在此条件下仍可保持小于
３％的总谐波分量和２０％的不平衡
电压。

７、由于这种电机的气隙是平
面形的，而且定子线圈直接暴露在
气隙中，周围没有齿槽铁芯围绕，
因此气冷散热的条件比传统电机要
优异得多。

另外转子没有励磁线
圈，产生热量要少得多，所以温升
较低，有利于延长寿命。

８、由于有
逆变器将发电机和负荷隔离，发电
机不易受非线性负荷谐波的影响。

９、逆变器容许的过载电流极限可
以通过参数设计来规定，因此它可
以兼顾继电保护的要求和发电机过
载电流的限制。

１０、便于生产不同
容量的发电机，因为在一定范围
内，只要增加轴上转子和定子的对
数，就可增加容量。

１１、具有较大
的承受大容量马达启动电流的能
力。

这是因为在高速转动下的转子
具有更大的转动惯量，也就能承受
更大的瞬时负荷冲击。

以上简要介绍了微型电网和可
能成为微网中主要发电设备的小型
燃气轮机高速发电机组的概况。

实
际上，微网的发电设备可以包含更
广泛的新型电源。

微网技术与分布
式发电系统是密切相关的。

分布式
发电系统是将目前以大电站为主的
供电方式改变成由分布在各负荷中
心的小型多品种的发电设备同时供
电的方式。

这样有利于充分利用多
种参源，特别是可再生能源和低污
染能源。

例如氢能的利用也已提到
了议事日程上，以氢和天然气重整
作为燃料的燃料电池已经达到了实
用化的程度。

这些发电方式都具有
小型、分散的特点，分布式发电系
统就是在这种前提下诞生的。

虽然
它目前还处于起步阶段，但具有广
阔的前景。

这为电工行业提出了新
任务新要求，应该引起我们的重
视。

技术前沿
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