目前美國和日本都有多家企業(yè)在積極開發(fā)制造相應(yīng)的設(shè)備。在美國, 卡普斯頓公司已經(jīng)制造出65千瓦級微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置,發(fā)電效率達(dá)到26%，年產(chǎn)量1萬臺；霍尼威爾公司開發(fā)成功了75千瓦級的發(fā)電設(shè)備,發(fā)電效率為28.5%。 日本的多家企業(yè),如東京電力、豐田汽車、三菱重工、出光興產(chǎn)、東京瓦斯和大阪瓦斯等公司，都在使用美國卡普斯頓公司的技術(shù)開發(fā)熱電并用型系統(tǒng)。為促進(jìn)該技術(shù)的發(fā)展，日本通產(chǎn)省已計(jì)劃在2016年春減小對小型自用發(fā)電業(yè)的限制。

目前，美英等西方發(fā)達(dá)國家的電力市場已從集中壟斷式發(fā)電轉(zhuǎn)向分布式競爭型供電，小型發(fā)電廠在分布式電網(wǎng)中的應(yīng)用已成為一種可行選擇和發(fā)展趨勢。微型燃?xì)廨啓C(jī)作為目前最成熟、最有商業(yè)競爭力的分布式發(fā)電設(shè)備．正受到越來越多的關(guān)注。這種發(fā)電方式既能增加電網(wǎng)機(jī)動性．降低送電損失和成本，改善電力質(zhì)量．同時也能進(jìn)一步確保供電系統(tǒng)的安全可靠性。

鑒于我國目前的電力發(fā)展及其分布不很均衡以及微型燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)特點(diǎn)及其優(yōu)越性，微型燃?xì)廨啓C(jī)將在我國得到廣泛的重視與應(yīng)用。目前，在中科學(xué)技術(shù)部“863”項(xiàng)目支持下，由中國科學(xué)院工程熱物理研究所、哈爾濱東安集團(tuán)、西安交通大學(xué)三家單位組成的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合體已經(jīng)完成100KW級微型燃?xì)廨啓C(jī)的樣機(jī)設(shè)計(jì)，并通過了驗(yàn)收，預(yù)計(jì)在不久的將來推出市場。

功率為幾百千瓦的燃?xì)廨啓C(jī)在20世紀(jì)40～60年代就已經(jīng)發(fā)展和應(yīng)用了，但是稱為小型燃?xì)廨啓C(jī)，用于發(fā)電和驅(qū)動。機(jī)組的特點(diǎn)是每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)，用減速齒輪減速后驅(qū)動負(fù)載；壓氣機(jī)用離心式；透平多用軸流式，也有用向心式的；回?zé)崞鞫嘤没剞D(zhuǎn)式，也有用板式回?zé)崞?；轉(zhuǎn)子用滾動軸承支撐。美國國家航空與宇航管理局20世紀(jì)60年代在渦輪增壓器的基礎(chǔ)上發(fā)展了一種微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置，隨后在20世紀(jì)70年代開展了在航天飛機(jī)上作為輔機(jī)電站應(yīng)用的微型燃?xì)廨啓C(jī)的研究。微燃機(jī)發(fā)電技術(shù)在此以后得到了迅速的發(fā)展。但是長期以來這種燃?xì)廨啓C(jī)并沒有廣泛應(yīng)用，原因是小功率燃?xì)廨啓C(jī)簡單循環(huán)的效率比較低，無法與內(nèi)燃機(jī)相比。而且，小功率燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速高，通常需要采用齒輪減速器降速后與發(fā)電機(jī)相連，笨重的減速器和低速發(fā)電機(jī)把燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)輕巧的特點(diǎn)給抵消了。雖然人們認(rèn)識到可以采用回?zé)嵫h(huán)來提高效率，但是常規(guī)回?zé)崞鞯捏w積與重量比燃?xì)廨啓C(jī)本身還要大，而緊湊式的回?zé)崞髦圃斐杀竞芨撸猿齻€別燃?xì)廨啓C(jī)有帶回?zé)崞鞯难苌屯?，回?zé)嵫h(huán)的地面應(yīng)用始終打不開局面。

高速永磁發(fā)電機(jī)的出現(xiàn)使發(fā)電機(jī)與壓氣機(jī)之間的連接不再需要減速機(jī)構(gòu)，這使整個機(jī)組的重量大大減輕，尺寸大大減小，成本也降低很多。與此同時，采用空氣軸承代替滾動軸承，由于空氣軸承不需要潤滑系統(tǒng)，導(dǎo)致機(jī)組零件大幅度地減少，制造成本也進(jìn)一步降低。為了提高機(jī)組的熱效率，普遍采用高效緊湊型回?zé)崞?，其回?zé)嵝矢哌_(dá)90%，這樣可使微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組循環(huán)效率達(dá)到30%左右。為了進(jìn)一步提高循環(huán)效率，一個行之有效的辦法是提高燃燒室出口溫度，也就是提高透平入口溫度，但是透平人口溫度的提高受渦輪材料的限制，使其不能過高。但科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步已使微型燃?xì)廨啓C(jī)的經(jīng)濟(jì)性、污染物排放、可靠性以及使用壽命等指標(biāo)都大大提高，可以與大型火電機(jī)組相比較。目前的先進(jìn)微型燃?xì)廨啓C(jī)具有尺寸小、重量輕、燃料適應(yīng)性強(qiáng)、低燃料消耗率、噪聲低、振動小、污染排放低、維護(hù)費(fèi)用低廉、不需用水冷卻等一系列先進(jìn)技術(shù)特征，可以廣泛應(yīng)用于小型分布式發(fā)電系統(tǒng)中。 2100433B

正常運(yùn)行情況下，微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)中永磁發(fā)電機(jī)輸出的高頻電能，必須經(jīng)過電力電子裝置實(shí)現(xiàn)頻率變換才能送入工頻電網(wǎng)。也就是說，并網(wǎng)運(yùn)行的微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的永磁發(fā)電機(jī)與工頻交流電網(wǎng)之間需要有用于實(shí)現(xiàn)頻率變換的變流器(也叫變頻器)。一般采用AC—DC—AC變換的方式。 在起動階段，永磁發(fā)電機(jī)工作在電動機(jī)模式時，必須為該高速電機(jī)提供高頻的交流電源。也就是說，在工頻電網(wǎng)為微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)中的高速電機(jī)供電(永磁發(fā)電機(jī)運(yùn)行在電動機(jī)模式)時，也需要變頻轉(zhuǎn)換。

由于在永磁發(fā)電機(jī)和工頻電網(wǎng)之間，電能可能從永磁發(fā)電機(jī)流向電網(wǎng)(正常運(yùn)行時的發(fā)電模式)，也可能是從電網(wǎng)流向永磁發(fā)電機(jī)(起動階段的電動機(jī)模式)，這就要求變頻裝置可以靈活控制，而且變流器中的電力電子開關(guān)器件必須是全控型的。

如果是離網(wǎng)運(yùn)行的話，起動階段還必須提供容量足夠的儲能裝置。

先進(jìn)微型燃?xì)廨啓C(jī)具有多臺集成擴(kuò)容、多燃料、低燃料消耗率、低噪音、低排放、低振動、低維修率、可遙控和診斷等一系列先進(jìn)技術(shù)特征，除了分布式發(fā)電外，還可用于備用電站、熱電聯(lián)產(chǎn)、并網(wǎng)發(fā)電、尖峰負(fù)荷發(fā)電等，是提供清潔、可靠、高質(zhì)量、多用途、小型分布式發(fā)電及熱電聯(lián)供的最佳方式，無論對中心城市還是遠(yuǎn)郊農(nóng)村甚至邊遠(yuǎn)地區(qū)均能適用。此外，微型燃?xì)廨啓C(jī)在民用交通運(yùn)輸（混合動力汽車）以及軍車以及陸海邊防方面均具有優(yōu)勢，受到美、俄等軍事大國的關(guān)注，因此，從國家安全看發(fā)展微型燃?xì)廨啓C(jī)也是非常重要的。

中國100千瓦微型燃機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行

繼首次熱啟動成功后，日前，國內(nèi)首臺100千瓦微型燃?xì)廨啓C(jī)在中航工業(yè)東安成功加載至100千瓦，達(dá)到額定發(fā)電功率狀態(tài)，運(yùn)行穩(wěn)定，標(biāo)志著100千瓦級微型燃?xì)廨啓C(jī)及其供能系統(tǒng)課題研究又邁出了具有決定意義的一步。

100千瓦級微型燃?xì)廨啓C(jī)及其供能系統(tǒng)是以東安為主體實(shí)施單位，聯(lián)合中國科學(xué)院工程熱物理研究所、西安交通大學(xué)、中航工業(yè)動研所共同承擔(dān)的“十一五”國家“863計(jì)劃”微型燃?xì)廨啓C(jī)重點(diǎn)項(xiàng)目課題。課題組先后完成了高效葉輪機(jī)械、低污染低排放燃燒室、緊湊式原表面回?zé)崞鳌⒏咚儆来烹姍C(jī)、燃機(jī)控制器和變頻系統(tǒng)以及微型燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)的設(shè)計(jì)研制，取得了豐碩的科研成果，已申請并獲得國家專利30余項(xiàng)。試驗(yàn)中，參研單位采用了國際先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，更新了潤滑油循環(huán)系統(tǒng)，改造了安裝平臺、燃?xì)廨啓C(jī)支撐臺架和排氣系統(tǒng)，為試車創(chuàng)造了條件。

100千瓦微型燃?xì)廨啓C(jī)研制取得決定性突破將有助于提高我國微型燃?xì)廨啓C(jī)及其相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)能力，形成我國微型燃?xì)廨啓C(jī)較完整的自主知識產(chǎn)權(quán)體系和制造能力，為開拓以微型燃?xì)廨啓C(jī)為核心的分布式供能產(chǎn)業(yè)提供支撐。同時，將縮短我國微型燃?xì)廨啓C(jī)研制水平與世界先進(jìn)水平的差距。下一步參研單位將進(jìn)行回?zé)嵫h(huán)試驗(yàn)和工程示范，力爭早日完成課題任務(wù)，實(shí)現(xiàn)微型燃?xì)廨啓C(jī)由基礎(chǔ)研究到工程應(yīng)用的跨越。

微型燃?xì)廨啓C(jī)是一種以燃料(燃?xì)饣蛉加?和空氣為介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動機(jī)。驅(qū)動發(fā)電機(jī)的燃?xì)鉁u輪機(jī)由高溫高壓燃?xì)馔苿幼龉?，正常運(yùn)行情況下。微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組所采用的永磁發(fā)電機(jī)為高轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)，輸出的交流電的頻率很高。

微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)內(nèi)部，永磁發(fā)電機(jī)、燃?xì)鉁u輪機(jī)、進(jìn)氣壓縮機(jī)三個關(guān)鍵部件同軸連接，具有相同的轉(zhuǎn)速。為了能夠?qū)⑽氲目諝鈮嚎s到所要求的壓力范圍，進(jìn)氣壓縮機(jī)的正常工作要求整個轉(zhuǎn)軸按額定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。由于這個條件在系統(tǒng)起動階段無法自行滿足，微型燃?xì)廨啓C(jī)是不能自起動的。而進(jìn)氣壓縮機(jī)的非正常工作狀態(tài)會直接導(dǎo)致后續(xù)的燃料燃燒和膨脹做功也不正常。因此，整個微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的起動，先要使永磁發(fā)電機(jī)工作在電動機(jī)模式，等到進(jìn)氣壓縮機(jī)以及后續(xù)的燃燒膨脹做功達(dá)到正常狀態(tài)后再切換到發(fā)電機(jī)模式。

由于進(jìn)入微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的燃料和空氣都是精確可控的，當(dāng)微型燃?xì)廨啓C(jī)成功啟動并達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)之后，其輸出的電功率是穩(wěn)定的，并網(wǎng)運(yùn)行時不會對電網(wǎng)造成功率沖擊。

微型燃?xì)廨啓C(jī)起動完成以后，永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以維持恒定，因而輸出電壓的頻率也是恒定不變的，只是機(jī)端電壓的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電網(wǎng)電壓的工頻，而這個可以通過變頻裝置進(jìn)行處理。

因此，微型燃?xì)廨啓C(jī)的輸出特性良好，在各種分布式電源中對電網(wǎng)的影響較小。

2019年10月18日，《微型燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用―安全》發(fā)布。

2020年5月1日，《微型燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用―安全》實(shí)施。

2019年10月18日，《微型燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用—安全》發(fā)布。

2020年5月1日，《微型燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用—安全》實(shí)施。

前言

第1章微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組與分布式供電系統(tǒng)1

1.1微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的概況1

1.2微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組與內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的比較4

1.2.1內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組特點(diǎn)4

1.2.2微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)7

1.3微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的研發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀10

1.3.1國外研發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀10

1.3.2國內(nèi)研發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀12

參考文獻(xiàn)12

第2章微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)及工作原理14

2.1微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)14

2.1.1微型燃?xì)廨啓C(jī)15

2.1.2永磁同步發(fā)電機(jī)16

2.1.3電能變換單元18

2.1.4智能控制單元23

2.1.5能量存儲技術(shù)28

2.2微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組工作原理31

2.2.1微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的起動31

2.2.2正常運(yùn)行32

參考文獻(xiàn)37

第3章微型燃?xì)廨啓C(jī)38

3.1微型燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵部件39

3.1.1壓縮機(jī)39

3.1.2回?zé)崞?1

3.1.3燃燒室45

3.1.4渦輪機(jī)49

3.1.5轉(zhuǎn)子與軸承50

3.1.6波轉(zhuǎn)子53

3.1.7輔助系統(tǒng)54

3.2微型燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán)57

3.2.1微型燃?xì)廨啓C(jī)等壓理想簡單循環(huán)58

3.2.2微型燃?xì)廨啓C(jī)等壓理想回?zé)嵫h(huán)59

3.2.3回?zé)嵫h(huán)過程計(jì)算60

3.2.4工質(zhì)在大氣中自然放熱過程70

3.2.5微型燃?xì)廨啓C(jī)有無回?zé)嵫b置的性能比較71

3.2.6微型燃?xì)廨啓C(jī)特性循環(huán)計(jì)算71

3.2.7微型燃?xì)廨啓C(jī)與波轉(zhuǎn)子頂層循環(huán)73

3.2.8外燃式微型燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)74

3.3壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)76

3.3.1壓縮機(jī)葉輪設(shè)計(jì)76

3.3.2壓縮機(jī)擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)82

3.4壓縮機(jī)的能量損失86

3.4.1摩擦損失86

3.4.2分離損失87

3.4.3二次流損失87

3.4.4尾跡損失89

3.4.5流通損失計(jì)算89

3.5微型燃?xì)廨啓C(jī)向心渦輪機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)91

3.5.1向心渦輪機(jī)的熱力設(shè)計(jì)91

3.5.2向心渦輪機(jī)葉輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)93

參考文獻(xiàn)103

第4章高速永磁同步發(fā)電機(jī)105

4.1高速永磁同步發(fā)電機(jī)的原理與特點(diǎn)105

4.1.1高速永磁同步電機(jī)的原理105

4.1.2高速永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)107

4.2高速永磁同步電機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀108

4.2.1國外高速永磁中頻同步發(fā)電機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀108

4.2.2國內(nèi)高速永磁中頻同步發(fā)電機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀109

4.2.3研發(fā)高速永磁中頻同步發(fā)電機(jī)的必要性109

4.3高速永磁中頻同步發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)111

4.3.1高速永磁中頻同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與材料111

4.3.2高速永磁中頻同步發(fā)電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)分析116

4.3.3高速永磁同步電機(jī)技術(shù)性能指標(biāo)分析122

4.4高速永磁中頻同步發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)127

4.4.1設(shè)計(jì)過程127

4.4.2設(shè)計(jì)任務(wù)128

4.4.3永磁體材料的體積128

4.4.4轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)129

4.4.5電樞繞組與定子結(jié)構(gòu)130

4.4.6參數(shù)計(jì)算與校核132

4.4.7仿真設(shè)計(jì)136

參考文獻(xiàn)139

第5章電能變換與系統(tǒng)控制141

5.1MTG系統(tǒng)電能變換單元141

5.2AC—DC雙向變換器142

5.2.1雙向變換器的基本工作原理142

5.2.2雙向變換器主電路結(jié)構(gòu)144

5.2.3雙向變換器的基本工作模式147

5.2.4雙向變換器的控制方案147

5.3DC—AC逆變器149

5.3.1基本電路結(jié)構(gòu)150

5.3.2基本工作模式151

5.3.3驅(qū)動與控制153

5.4蓄電池160

5.4.1閥控鉛酸蓄電池的基本結(jié)構(gòu)161

5.4.2閥控鉛蓄電池的基本工作原理161

5.4.3閥控型密封鉛酸蓄電池的端電壓163

5.4.4蓄電池的充電方法165

5.5充電器165

5.5.1半橋式隔離充電器166

5.5.2全橋式變換電路168

5.6控制單元171

5.6.1控制單元的主要作用171

5.6.2控制單元的組成172

參考文獻(xiàn)172

第6章微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的開發(fā)與應(yīng)用173

6.1微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的主要開發(fā)制造商173

6.1.1Bowman公司173

6.1.2Capstone燃?xì)廨啓C(jī)公司175

6.1.3Elliott能源系統(tǒng)股份有限公司178

6.1.4Ingersoll—Rand能源系統(tǒng)公司178

6.1.5Turbec公司181

6.2微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)目標(biāo)與應(yīng)用領(lǐng)域183

6.2.1微型燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用方式186

6.2.2分布式供電與熱電聯(lián)供192

6.2.3混合動力汽車197

6.2.4MTG與電網(wǎng)的互連和供電201

6.3微型燃?xì)廨啓C(jī)的國內(nèi)外應(yīng)用案例204

6.3.1國外應(yīng)用案例204

6.3.2國內(nèi)應(yīng)用案例215

參考文獻(xiàn)222

第7章微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的性能指標(biāo)224

7.1主要電氣性能224

7.1.1額定電氣指標(biāo)224

7.1.2負(fù)荷性能224

7.2動力性能225

7.2.1運(yùn)行特性225

7.2.2起動特性229

7.2.3燃油消耗率230

7.2.4熱效率232

7.2.5輸出功率236

7.3安全與保護(hù)236

7.3.1超速保護(hù)236

7.3.2接地保護(hù)237

7.3.3熄火保護(hù)238

7.3.4潤滑不良保護(hù)238

7.3.5超溫保護(hù)238

7.3.6過載、過壓和短路保護(hù)238

7.4可靠性與環(huán)境特性238

7.4.1可靠性、維修性及可用性238

7.4.2環(huán)境特性242

7.5微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的技術(shù)認(rèn)證247

7.5.1互聯(lián)認(rèn)證248

7.5.2質(zhì)量認(rèn)證249

7.5.3環(huán)境認(rèn)證249

參考文獻(xiàn)251 2100433B