1.2　风力发电机

1.2.1　基本参数与种类

1.风力发电机的基本参数

风力发电机的基本参数是指风力发电机在额定运行状态下的一些参数，主要参数如下：

（1）额定容量SN和额定功率PN。额定容量SN是指出线端的额定视在功率，单位为kVA或MVA。额定功率PN是指在规定的额定情况下发电机输出的有功功率，单位为kW或MW。

（2）额定电压UN。额定电压UN是指在额定运行时发电机定子的线电压，单位为V或kV。

（3）额定电流IN。额定电流IN是指在额定运行时流过定子的线电流，单位为A。

（4）额定功率因数cosφN。额定功率因数cosφN是指发电机在额定运行时的功率因数。

（5）额定效率ηN。额定效率ηN是指发电机在额定运行时的效率。

上述额定值之间的关系为

（6）额定转速。额定转速是指发电机在额定运行时转子的转速，单位为r/min。

2.风力发电机的种类

应用于风力发电的发电机种类较多，常用的有以下类型：

（1）笼型异步发电机。多用于定桨距（或主动失速）、定速的风力发电机组，加全额变流器可用于变速风力发电机组。

（2）双馈异步发电机。多用于变桨距、部分变速的风力发电机组。

（3）电励磁同步发电机。多用于定速风力发电机组，加全额变流器可用于变速风力发电机组。

（4）永磁同步发电机加全额变流器。多用于变桨距、变速的直驱型风力发电机组。

（5）直流发电机。现在较少使用。

1.2.2　几种典型的风力发电机

1.双馈异步风力发电机

双馈异步风力发电机又称交流励磁双馈风力发电机，是变速恒频风力发电机组的核心部件，也是风力发电机组国产化的关键部件之一。此类发电机主要由电机本体和冷却系统两大部分组成。电机本体由定子、转子和轴承系统组成。冷却系统分为水冷、空空冷和空水冷三种结构。双馈异步风力发电机定子结构与异步电机相同，转子结构带有滑环和电刷，与绕线式异步电机和同步电机不同，转子侧可以加入交流励磁，既可输入电能也可输出电能，既有异步电机的某些特点又有同步电机的某些特点。其定子和转子（经过变流器）同时和电网连接，在超同步运行时，定子、转子可以同时发电，因此称为“双馈”。双馈异步风力发电机的性能特点是可以在较大范围内变速运行，而定子侧输出电流的频率恒定。

双馈异步发电机的定子绕组直接与电网相连，转子绕组通过变频器与电网连接，转子绕组电源的频率、幅值和相位按运行要求由变频器自动调节，机组可以在不同的转速下实现恒频发电，满足用电负载和并网的要求。由于采用了交流励磁，发电机和电力系统构成了柔性连接，即可以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确地调节发电机输出电压，使其能满足要求。

双馈异步风力发电机的主要特点如下：

（1）技术成熟、质量可靠。风力发电机组工作环境恶劣，对机组可靠性要求很高。双馈异步风力发电机组采用的大功率、大速比齿轮箱技术从20世纪90年代起已经开始应用，其在风电中的故障率已低于电气系统和发电机系统。风轮＋齿轮箱＋发电机的传动链结构简单，各类载荷分配合理，整体质量可靠性高。

（2）电机体积小。由于采用齿轮箱使电机转速提高，相对于低速的直驱型发电机，双馈异步风力发电机的体积大大减小，重量减轻。

双馈异步风力发电机本体的主要问题是电刷问题，一方面，电刷和滑环间存在机械磨损；另一方面，电刷的存在降低了机组的可靠性。

2.直驱式永磁同步风力发电机

直驱式风力发电机是一种由风力直接驱动的发电机，亦称无齿轮箱风力发电机，这种发电机采用多极电机与风轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件。

直驱式永磁同步风力电机主要由定子、永久磁钢转子、位置传感器、电子换向开关等部分组成。直驱式风力发电机直接拖动电机的转子旋转发电，根据电机基本理论，频率不变时，低转速要求电机有足够多的极数，所以这样的电机通常为多极同步发电机。直驱式风力发电机组使用永磁同步发电机发电，无需励磁控制，电机运行速度范围宽、电机功率密度高、体积小，成为风力发电机设计的一个重要方向。

直驱式永磁同步风力发电机的原理：永磁同步发电机是正弦波永磁同步发电机，同一般同步发电机一样，定子绕组通常采用三相对称的正弦分布绕组。同步发电机为了实现能量的转换，需要有一个直流磁场，永磁同步发电机转子采用特殊形状的永磁体以确保气隙磁密沿空间呈正弦分布。当转子永磁体随着转子一起在风力机带动下旋转时，转子磁场切割定子绕组，产生三相感应电势，利用变流器将定子电流频率转变为电网频率输送到电网。

有的直驱式风力发电机组方案，将风轮与外转子合二为一，取消了轮毂，叶片直接装在转子外部。进一步简化了结构、减轻了重量。

直驱式永磁同步风力发电机的主要特点如下。

（1）直驱式永磁同步风力发电机的优点是：①由于零件和系统的数量减少，维修工作量大大降低。另外，运动部件少，由磨损等引起的故障率很低，可靠性高；②最近开发的直驱机型多数是永磁同步发电机，不需要激磁功率，传动环节少，损失少，风能利用率高；③对风能波动和负载变化反应快。

（2）直驱式永磁同步风力发电机的缺点是：①由于直驱式风力发电机组没有齿轮箱，低速风轮直接与发电机相连接，各种有害冲击载荷也全部由发电机系统承受，对发电机要求很高；②退磁问题。永磁同步发电机存在退磁隐患，尚无明确更换方案；③体积（直径）庞大。为了提高发电效率，发电机的极数非常大，通常在100极左右，发电机的结构变得非常复杂，发电机尺寸大、重量大，运输、安装比较困难。

3.无刷双馈风力发电机

目前最适合风力变速恒频发电的是双馈异步风力发电机，当风速变化引起转速变化时，通过控制转子电流的频率可实现变速恒频控制，且所需双向变频器容量较小。但该发电机具有电刷、滑环的转子结构使得系统的可靠性大大降低，特别在大型风电系统中维修很不方便。为了克服传统风力发电机的上述缺点，近年来出现了一种无刷双馈变速恒频风力发电机组，所用的电机为新型无刷双馈风力发电机，其结构和运行机理与常规电机有较大的不同。

无刷双馈风力发电机组中采用的发电机为无刷双馈发电机。其定子上有两套极对数不同的绕组，分别为功率绕组和控制绕组，其中功率绕组直接接电网或负载；控制绕组可以通过变频器（一般为双向流通变频器）接电网侧。无刷双馈电机（BDFM）作为发电机运行时原理类似交流励磁发电机，一般功率绕组（极对数多者）用于发电，控制绕组（极对数少者）用作交流励磁，当原动机的转速发生变化时，调节控制绕组侧励磁电流的频率便可方便地实现变速恒频发电，通过改变励磁电流的幅值和相位还可以实现有功功率和无功功率的调节。BDFM的这种特性改变传统同步发电机系统恒速运行的刚性连接为柔性连接，可以很大程度上提高发电机组的可靠性。特别是在低转速风力和水力发电系统中，发电机的变速运行可以使发电机组运行在最优工况，最大限度地利用风能和水能，提高整个发电机组的效率。

无刷双馈发电机的体积和成本比直驱式永磁发电机小，而可靠性比双馈异步发电机高。与双馈异步发电机相比，无刷双馈发电机的体积大，原因如下：

（1）无刷双馈发电机的极数多为8极以上，其运行转速较低。

（2）无刷双馈发电机不需要电刷和滑环，但是定子上有两套极数不同的绕组，需要定子槽的空间较大。

1.2.3　典型发电机对比

以上已分析了主要类型风力发电机组和风力发电机的特点，特别是对双馈发电机和直驱式永磁同步发电机进行了分析，下面以表格形式进行总结对比。

表1-2为不同类型发电机主要设计参数（以1.5MW为例），可以看到在相同容量情况下各类发电机的基本情况，双馈发电机体积最小。表1-3为1.5MW各类发电机的性能对比。

需要指出的是，表1-2中的效率仅指发电机的效率，如果考虑增速箱的功率损耗，半直驱式永磁发电机、无刷双馈发电机、双馈异步发电机的效率将更低，尤其是双馈异步发电机。直驱式永磁发电机的效率不受影响，因为它不需要增速箱。

从上述对比分析可知：直驱式永磁发电机无电刷，不需要增速机构，又没有励磁损耗，因此具有运行可靠、效率高等良好性能，变速恒频技术是通过AC/AD/AC在定子侧实现的，成本高、体积大、变频器价格昂贵；高速双馈异步发电机变速恒频技术是在转子侧实现的，所需要变频器容量小、系统成本低，但高速双馈异步发电机有电刷，可靠性差；半直驱式永磁发电机具有低速直驱式永磁发电机的良好性能，又具有高速双馈异步发电机低成本的特点，但由于采用一级增速机构，可靠性比直驱式永磁发电机差；无刷双馈发电机具有高速双馈异步发电机低成本的特点，可靠性也比高速双馈异步发电机高。

直驱式风力发电机和双馈风力发电机是当前乃至今后相当长时间内的主流机型，直驱式风力发电机和双馈风力发电机的特性比较见表1-4。

总之，目前风力发电机以双馈异步发电机和直驱式永磁同步发电机为主流，两者各有千秋。就目前国内的情况来看，双馈变桨变速风力发电机的装机容量最大；直驱式变桨变速永磁风力发电机省去齿轮箱，具有电机运行速度范围宽、效率高等突出优点，随着技术逐步成熟，近年来发展很快。

可以肯定的是，风力发电机组技术的成熟性、质量的稳定性和可靠性以及低成本的维修和维护将是市场选择最重要的标准。双馈技术已经在过去的10多年中成为不可争辩的主流技术，而直驱和永磁直驱技术目前来看尚无法撼动其地位，但永磁直驱技术发展很快，优势明显，至于未来如何，还有待市场的进一步检验。