两种风力发电机组概述

风电场主要设备介绍及其基本理论1 风力发电机的类型风力发电机多种多样，归纳起来可分为两类：①水平轴风力发电机，风轮的旋转轴与风向平行；②垂直轴风力发电机，风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向。

1.1水平轴风力发电机水平轴风力发电机可分为升力型和阻力型两类。

升力型风力发电机旋转速度快，阻力型旋转速度慢。

对于风力发电，多采用升力型水平轴风力发电机。

大多数水平轴风力发电机具有对风装置，能随风向改变而转动。

对于小型风力发电机，这种对风装置采用尾舵，而对于大型的风力发电机，则利用风向传感元件以及伺服电机组成的传动机构。

风力机的风轮在塔架前面的称为上风向风力机，风轮在塔架后面的则称为下风向风机。

水平轴风力发电机的式样很多，有的具有反转叶片的风轮，有的在一个塔架上安装多个风轮，以便在输出功率一定的条件下减少塔架的成本，还有的水平轴风力发电机在风轮周围产生漩涡，集中气流，增加气流速度。

1.2垂直轴风力发电机垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风，在这点上相对于水平轴风力发电机是一大优势，它不仅结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力。

利用阻力旋转的垂直轴风力发电机有几种类型，其中有纯阻力装置的风轮；S型风车，具有部分升力，但主要还是阻力装置。

这些装置有较大的启动力矩，但尖速比低，在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下，提供的功率输出低。

达里厄式风轮是法国G.J.M达里厄于19世纪30年代发明的。

在20世纪70年代，加拿大国家科学研究院对此进行了大量的研究，现在是水平轴风力发电机的主要竞争者。

达里厄式风轮是一种升力装置，弯曲叶片的剖面是翼型，它的启动力矩低，但尖速比可以很高，对于给定的风轮重量和成本，有较高的功率输出。

现在有多种达里厄式风力发电机，如Φ型，Δ型，Y型和H型等。

这些风轮可以设计成单叶片，双叶片，三叶片或者多叶片。

其他形式的垂直轴风力发电机有马格努斯效应风轮，它由自旋的圆柱体组成，当它在气流中工作时，产生的移动力是由于马格努斯效应引起的，其大小与风速成正比。

风力发电机主要类型2013-02-16 11:36:31| 分类：风力发电机|字号订阅根据风力发电机的运行特征，风力发电机可分为恒速风力发电机( Fixed speed generator)、有限变速风力发电机( Limited variable speed generator) 和变速风力发电机(Variable speed generator) 。

1、恒速风力发电机恒速风力发电机系统如下图所示，采用了笼型异步发电机, 发电机通过变压器直接接入电网。

因为笼型异步发电机只能工作在额定转速之上很窄的范围内, 所以通常称之为恒速风力发电机。

并网运行时, 异步发电机需要从电网吸收滞后的无功功率以产生旋转磁场, 这恶化了电网的功率因数, 易使电网无功容量不足, 影响电压的稳定性。

为此, 一般在发电机组和电网之间配备适当容量的并联补偿电容器组以补偿无功。

由于笼型异步发电机系统结构简单、成本低且可靠性高, 比较适合风力发电这种特殊场合, 在风力发电发展的初期, 笼型异步发电机得到了广泛的应用, 有效地促进了风电产业的兴起。

笼型恒速发电机系统随着风力发电应用的深入，恒速笼型异步发电机具有的一些固有缺点逐步显现出来，主要是笼型异步发电机转速只能在额定转速之上1% ~ 5% 内运行，输入的风功率不能过大或过小，若发电机超过转速上限, 将进入不稳定运行区。

因此，在多数场合需将2台分别为高速和低速的笼型异步发电机组合。

使用, 以充分利用中低风速的风能资源。

另外，风速的波动使风力机的气动转矩随之波动，因为发电机转速不变, 风力机和发电机之间的轴承、齿轮箱将会承受巨大的机械摩擦和疲劳应力。

而且, 由于风力机的速度不能调节, 不能从空气中捕获最大风能, 效率较低. 齿轮箱的存在增加了风力机的重量和系统的维护性, 影响了系统效率, 增加了噪声。

2、有限变速风力发电机有限变速风力发电机系统如下图所示, 发电机采用绕线式异步发电机。

风力发电机组概述风力发电机组的发电机按照发电机型式可分为笼型异步发电机、双馈异步发电机和永磁型同步发电机。

双馈异步风力发电机是目前应用最为广泛的风力发电机。

由定子绕组直连定频三相电网的绕线式异步发电机和安装在转子绕组上的双向背靠背IGBT电压源变流器组成。

双馈异步风力发电机是一种绕线式感应发电机，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。

发电机本体主要由定子、转子和轴承系统组成。

为了避免由于潮湿、结露而对发电机造成损害，发电机绕组内埋有加热线圈，此外，在发电机内装有温度传感器，检测发电机绕组的温度和发电机轴承的温度。

风力发电机组或系统结构简图如图2-14所示。

图2-14 风力发电机组或系统结构简图1—联轴器；2—发电机；3—磁粉过滤器；4—弹性支承双馈异步发电机将定子、转子三相绕组分别接入独立的三相对称电源，定子绕组直接和电网连接，转子绕组通过变流器与电网连接，转子绕组电源的频率、电压、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。

变频器采用交—直—交的形式与电网连接，控制发电机在亚同步和超同步转速下都保持发电状态并随着风速的变化调节发电机的转速，进行能量交换。

发电机的转速范围是1000～2000r/min，同步转速是1500r/min。

电压频率和转子电流与转速差（实际转速和同步转速之差）相对应。

在正常情况下，异步发电机的转子转速总是略高或低于旋转磁场的转速（同步转速ns），因此称为异步电机。

转子转速n与旋转磁场的转速ns 之差称为转差，转差Δn与同步转速ns的比值称为转差率，转差率是表征异步发电机运行状态的一个基本变量。

定子电压等于电网电压，转子电压与转差率及堵转电压成正比，堵转电压取决于定子与转子的匝数比。

双馈异步和永磁同步风力
发电机特性分析摘要：本文分析了双馈异步和永磁同步风力发电机的工作原理，详细比
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率，可使定子频率恒定，即应满足：。

为定子电流频率，由于定子与电网相连，所以与电网频率相同；为转子机械频率，，p为电机的极对为转子电流频率。

n<n1（n1是定子旋转磁场的同步转速）时，处于亚同步运行状态，此时变流器向发电机转子提供交流励磁，发电机由定子发出电能给电网；
n>n时，处于超同步运行状态，此时发电机同时由定子
统类似，只是所采用的发电机为永磁同步发电机。

式中，—电网频率（H z）；—发电机定子输出频率Hz）； K—功率变换器频率变比。

当转速变化时，发电机定子输出频率也跟随变化，通过功率变换器将定子发出的变频变压的电能转换为与电网频率幅值一致的稳定电能。

图3 DFIG和PMSG发电量比较
结论
（1）从结构分析来看，DFIG和PMSG在技术参数上各有优缺DFIG相比PMSG变流器容量小，易于安装和维护，成本低，发电机结构简单，重量和体积比同步发电机大大减小。

但低电压穿越功能不强，需要在变流器中额外增加模块，现在DFIG的市场认可度较高，但由于其低电压穿越能力不好，所以，如果国家以后出台并网要求相关规定后，市场将倾向于同步风力发电机组。

（2）就技术成熟度来讲，目前国内外DFIG技术成熟，国内大多数兆瓦级风机均采用该机型，而PMSG国内该方面的技术尚处于研发阶段，产业链不完善，基本要依赖进口。

（3）就成本来讲，双馈式风力发电机组比同步风力发电机
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双馈式、直驱式风力发电对比双馈式与直驱式是变速恒频风力发电机组的两种主要机型，二者各有优势并相互竞争，同时它们在技术上也相互促进。

双馈式风力发电机双馈异步风力发电机（DFIG，Double Fed Induction Generator）是一种绕线式感应发电机，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、电压、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，精确的调节发电机输出电压，使其能满足要求。

双馈式风力发电机具有以下优点：1、能控制无功功率，并通过独立控制转子励磁电流解耦有功功率和无功功率控制。

2、双馈感应发电机无需从电网励磁，而从转子电路中励磁。

3、它还能产生无功功率，并可以通过电网侧变流器传送给定子。

直驱式风力发电机直驱式风力发电机（Direct-driven Wind Turbine Generators），是一种由风力直接驱动发电机，亦称无齿轮风力发动机，这种发电机采用多极电机与叶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（无齿轮）风力发电机始于20多年前，由于电气技术和成本等原因，发展较慢。

随着近几年技术的发展，其优势才逐渐凸现，丹麦、德国都是在该技术领域发展较为领先的国家，国内的永磁直驱技术也得到了飞速进步。

直驱永磁风力发电机有以下优点：1、发电效率高：直驱式风力发电机组没有齿轮箱，减少了传动损耗，提高了发电效率，尤其是在低风速环境下，效果更加显著。

2、可靠性高：齿轮箱是风力发电机组运行出现故障频率较高的部件，直驱技术省去了齿轮箱及其附件，简化了传动结构，提高了机组的可靠性。

同时，机组在低转速下运行，旋转部件较少，可靠性更高。

3、运行及维护成本低：采用无齿轮直驱技术可减少风力发电机组零部件数量，避免齿轮箱油的定期更换，降低了运行维护成本。

浅析风力发电机组一．引言随着全球化石能源的枯竭和供应紧张以及气候变化形势的日益严峻，世界各国都认识到了发展可再生能源的重要性，风能作为清洁可再生能源之一，受到了各国的高度重视，世界风电产业也因此得到了迅速发展。

中国风能资源十分丰富：陆上和近海可供开发和利用的风能储量分别为2.53亿千瓦和7.5亿千瓦,具有发展风能的潜力和得天优厚的优势。

在未来的能源市场上，充分开发和挖掘这一潜力和优势，将有助于持续保持本国的能源活力和维持经济的可持续发展。

在开发利用风能的过程中，风电场的建设是其必须的环节，而风电机组的应用又是建设风电场的重中之重。

二．风力发电机组的分类（1）风力发电机组类型按容量分容量在0.1~1kW为小型机组,1~100kW为中型机组,100~1000kW 为大型机组 ,大于10000kW 为特大型机组。

（2）风力发电机组类型按风轮轴方向分水平轴风力机组：风轮围绕水平轴旋转。

风轮在塔架前面迎风的称为上风向风力机，在塔架后面迎风的称为下风向风力机。

上风向风力机需利用调向装置来保持风轮迎风。

垂直轴风力机组：风轮围绕垂直轴旋转，可接收来自任何方向的风，故无需对风。

垂直轴风力机又分为利用空气动力的阻力作功和利用翼型的升力作功两个主要类别。

（3）风力发电机组类型按功率调节方式分定桨距机组：叶片固定安装在轮毂上，角度不能改变，风力机的功率调节完全依靠叶片的气动特性（失速）或偏航控制。

变桨距（正变距）机组：须配备一套叶片变桨距机构，通过改变翼型桨距角，使翼型升力发生变化从而调节输出功率。

主动失速（负变距）机组：当风力机达到额定功率后，相应地增加攻角，使叶片的失速效应加深，从而限制风能的捕获。

（4）风力发电机组类型按传动形式分高传动比齿轮箱型机组：风轮的转速较低，必须通过齿轮箱、齿轮副的增速来满足发电机转速的要求。

齿轮箱的主要功能是增速和动力传递。

直接驱动型机组：应用了多极同步风力发电机，省去风力发电系统中常见的齿轮箱，风力机直接拖动发电机转子在低速状态下运转。

风力发电机组的分类及各自特点风力发电机组的分类及各自特点风力发电机组主要由两大部分组成：风力机部分――它将风能转换为机械能；发电机部分――它将机械能转换为电能。

根据风机这两大部分采用的不同结构类型、以及它们分别采用的技术方案的不同特征，再加上它们的不同组合，风力发电机组可以有多种多样的分类。

(1) 如依风机旋转主轴的方向（即主轴与地面相对位置）分类，可分为：“水平轴式风机”――转动轴与地面平行，叶轮需随风向变化而调整位置；“垂直轴式风机”――转动轴与地面垂直，设计较简单，叶轮不必随风向改变而调整方向。

(2) 按照桨叶受力方式可分成“升力型风机”或“阻力型风机”。

(3) 按照桨叶数量分类可分为“单叶片”﹑“双叶片”﹑“三叶片”和“多叶片”型风机；叶片的数目由很多因素决定，其中包括空气动力效率、复杂度、成本、噪音、美学要求等等。

大型风力发电机可由1、2 或者3 片叶片构成。

叶片较少的风力发电机通常需要更高的转速以提取风中的能量，因此噪音比较大。

而如果叶片太多，它们之间会相互作用而降低系统效率。

目前3 叶片风电机是主流。

从美学角度上看，3叶片的风电机看上去较为平衡和美观。

(4) 按照风机接受风的方向分类，则有“上风向型”――叶轮正面迎着风向（即在塔架的前面迎风旋转）和“下风向型”――叶轮背顺着风向，两种类型。

上风向风机一般需要有某种调向装置来保持叶轮迎风。

而下风向风机则能够自动对准风向, 从而免除了调向装置。

但对于下风向风机,由于一部分空气通过塔架后再吹向叶轮, 这样, 塔架就干扰了流过叶片的气流而形成所谓塔影效应,使性能有所降低。

(5) 按照功率传递的机械连接方式的不同，可分为“有齿轮箱型风机”和无齿轮箱的“直驱型风机”。

有齿轮箱型风机的桨叶通过齿轮箱及其高速轴及万能弹性联轴节将转矩传递到发电机的传动轴,联轴节具有很好的吸收阻尼和震动的特性，可吸收适量的径向、轴向和一定角度的偏移，并且联轴器可阻止机械装置的过载。