最高效的鸡尾酒风机
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CPmax=0.45）。
为使叶片始终运行效率最高（即保持 CP=CPmax 恒定最大），必须保持 λ=λopt 恒定。
举例而言，假设切入风速 3m/s，额定风速 12m/s。当风速变化从 3m/s 到 12m/s，叶片转速需从 4rpm 变化到
16rpm（16/4=12/3）。这样才能全程保持 λ=λopt 恒定。因此，转速范围必须足够宽，叶片转速比（最高转速/最
P= CP*0.5*ρ*A*V3 （1） 其中，P 是叶片的机械功率，CP 是功率系数，即叶片效率，ρ 是空气密度，A 是叶片扫风面积，当叶片长度 固定时扫风面积基本固定，V 是风速。 由式（1）可知，当叶片长度固定时，提高叶片的发电量 P 完全取决于提高 CP。 额定风速以下时，桨角基本不变，CP 此时是叶尖速比的函数，典型 CP(λ)曲线如图 3 所示。其中λ是叶尖 速比，等于叶尖速度和风速的比值。
效，输入功率越低，效率也越低。
对于典型的 MW 级直驱和双馈风机而言，额定效率数据（综合各核心部件厂家数据）如表 2 所示：
表 2 不同类型风机的额定效率
额定效率
核心部件
直驱风机
双馈风机
鸡尾酒风机
齿轮箱
无
97%
97%
发电机
94-95%
96-97%
96-97%
说明：双馈和鼠笼发电机都
在这个范围，鼠笼发电机效
λ=R*ω/v (2)
叶片CP
叶 片 CP
0.5
0.45
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12
叶尖速比
图 3 典型 CP(λ)曲线
图 3 是一个典型的叶片 CP 曲线。当 λ 等于一个最佳值 λopt 时（图中 λopt=7.5），CP(7.5)=CPmax（图中
1 一种新型风机——鸡尾酒风机
本文提出一种新型结构风机，其以提高发电量、安全性等为目标，在主传动链中混合应用两种及以上不同类 型、不同容量、不同同步转速的发电机，及与之匹配的变频器。由于混合了不同类型的发电机，所以形象地称为 鸡尾酒风机。
图 2 一种典型鸡尾酒风机结构 本文采用如图 2 所示的配置来实现一种鸡尾酒风机，双馈发电机为大功率高同步转速，异步鼠笼发电机为小 功率低同步转速。两个发电机分别连接对应的变频器。为降低造价，两个发电机可以做到同一个机壳中。小发电 机也可以采用同步发电机。 鸡尾酒风机可以有多种运行工况，其中一种运行工况为：随着风速的增加，先是小发电机工作；其次是双馈 发电机工作，最后是两个发电机一起工作。
2 风机发电效率总论
本文只讨论不同风机结构发电效率的差别。 风机核心部件包括四样：叶片、齿轮箱、发电机、变频器。对于没有齿轮箱的直驱风机，核心部件只剩有三 样。 高于额定风速时，风机主要通过变桨（有时辅以变速）来限制功率，此时不关心各核心部件效率，本文的分
析只限定于额定风速以下，即从切入风速到额定风速的风速范围内。 在相同的风机功率、额定转速、叶片长度和接近相同的叶片翼型下，提高发电量最终取决于提高风机的四大
图 5 表明双馈风机和鸡尾酒风机的齿轮箱效率[5]。 虽然二者所用齿轮箱的额定效率是一样的，但在小风速（即小功率）时，鸡尾酒风机齿轮箱的运行效率远远 高于双馈风机齿轮箱。这是由于齿轮箱损耗是转速的正相关函数，双馈风机齿轮箱的转速在小功率时保持定速（恒 定于 1100rpm）而不能降下来，所以齿轮箱损耗较高，从而影响了双馈风机的齿轮箱效率。而小风速时，鸡尾酒 风机的齿轮箱转速能降下来，所以其齿轮箱效率高得多。 论文[3]的齿轮箱损耗计算公式较为严谨的证明了这一点，并给出了明确的结论。
高叶片的运行效率，对风机的发电量贡献最大。 但传动链的选择也至关重要，首先，不同的传动链决定风机的转速比，转速比影响风机的转速范围，从而不
同风速时叶片工作于不同的 CP；其次，不同的传动链确实效率不一样。 以下分析假设：相同的风机功率、额定转速、叶片长度和接近相同的叶片翼型，双馈风机和直驱风机的分析
核心部件效率，即： 1、叶片工作于高效。额定风速以下，叶片尽量运行于效率最高点。即叶片始终运行在 CPmax 处。叶片的效
率用 CP 来表示，CP 的最大值是 CPmax。 2、传动链工作于高效。额定风速以下，传动链（含齿轮箱、发电机、变频器）的效率尽量高。 叶片的效率比较低，CPmax 大多在 0.5 以下，传动链额定效率都比较高，都在 90%以上。所以整体而言，提
发电机效率 1
0.95
0.9
0.85
0.8
发电机效率
0.75
0.7
0.65
0.6 双馈风机
0.55
直驱风机
鸡尾酒风机
0.5
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12
风 速 (m/s)
图 6 双馈、直驱(永磁)和鸡尾酒风机的发电机效率曲线
考虑变频器损耗后的发电机效率
考虑变频器损耗后的发电机效率 1
0.95
0.9
第二梯队：鸡尾酒风机。
第三梯队：直驱风机。
通常人们认为，相对于双馈风机，直驱的发电量增加是因为没有齿轮箱损耗。与人们通常的说法并不相同，
无齿轮箱后必须配置的低速同步发电机和全功率变频器的损耗都增加了，抵消了没有齿轮箱损耗带来的好处，直
驱风机传动链在额定点的效率小于双馈风机。直驱风机的转速比高于双馈风机，在更宽广的风速范围内可以追踪
0.85
0.8
0.75
0.7
0.65
0.6 双馈风机
0.55
直驱风机
鸡尾酒风机
0.5
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12和鸡尾酒风机的发电机（考虑变频器损耗）效率曲线
图 6 和 7 表明双馈、直驱(永磁)、和鸡尾酒风机的发电机效率[6] [7]，永磁发电机计算时不考虑转子的全部铜 耗和铁损，效率（损耗）模型计算参考论文[3]。
本文提出了一种新型的风机——鸡尾酒风机，并定量分析比较了双馈、永磁直驱和鸡尾酒三种风机的发电效 率。总体而言，鸡尾酒风机的发电效率最高，永磁直驱风机其次，双馈风机再其次，定速风机最低。
由于鸡尾酒风机转速范围更宽，及传动链更高效，因此其具有最高的发电量。此外鸡尾酒风机的发电机和变 频器等核心部件还具有冗余安全性，提高了风机设备可利用率。
第一 用永磁同
风机类型
定速 双馈 直驱(永磁) 鸡尾酒
厂家
机型
直径 M
功率 MW
发电机 最低转速
Rpm
发电机 最大转速
rpm
Nordex
S70
70
1.5
金风
GW70 70
1.5
1100 9.0
2000 19.0
风机 转速比
1 1.82 2.11 >4
1 中可以 出，传统 速比由高 为： 梯队：采 步发电机
数值大多参照 Nordex 和金风实际值：风机功率 1500KW，叶轮直径 77m；双馈风机发电机转速范围 1100-1800rpm； 永磁直驱风机发电机转速范围 9-17.3rpm；鸡尾酒风机的双馈发电机取 1200KW，鸡尾酒风机的小发电机取 350KW。鸡尾酒风机的一种运行工况为：风速低于 6.6m/s 时，小发电机工作；当功率超过小发电机时，双馈发 电机工作（小发电机停止工作）；当功率超过 1200KW 时，两个发电机一起工作。
机工作于 1100-1800rpm，因此其转速比足够大（>4），可以满足额定风速下，叶片始终运行于 CPmax（保持最
佳发电量）。
叶 片 CP
0.45
0.4
0.35
叶片CP
0.3
0.25
0.2
0.15
双馈风机
直驱风机
鸡尾酒风机
0.1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12
风 速 (m/s)
图 4 双馈、直驱(永磁)、鸡尾酒风机的叶片 CP 运行曲线
Cpmax，获取更多发电量，才是直驱发电效率高的主要原因。 额定风速下，非额定功率的传动链效率曲线如图 5、6 和 7 所示。
齿轮箱效率
1 0.95
0.9 0.85
0.8
齿轮箱效率
0.75
0.7
0.65
0.6
0.55
双馈风机
鸡尾酒风机
0.5
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12
风 速 (m/s)
图 5 双馈和鸡尾酒风机的齿轮箱效率曲线
2.1 叶片运行效率分析
叶片效率有两重含义： 第一重含义是通过合理的叶型、材料设计等，使叶片的效率（或度电成本）最佳，这是叶片的设计效率； 第二重含义是通过风机的传动链（机型）的选择及合理控制，使叶片在尽可能多的风速范围内运行于高效， 这是叶片的运行效率。 本文不讨论如何设计叶片，只讨论如何通过选择传动链和合理控制来提高第二重含义的叶片运行效率。 叶片的数学模型[4]：
在相同的风机功率、额定转速、叶片长度和接近相同的叶片翼型下，风机转速比决定了转速范围，从而决定 了叶片运行效率，鸡尾酒风机的叶片运行效率最高，直驱风机其次，双馈风机再其次，定速风机最低。再次强调， 风机的转速比由发电机类型及其变频器决定，而不由叶片决定。
2.2 传动链效率分析
额定效率每提高一个百分点都是很不容易的事情。当部件工作于额定点（额定功率）时，效率大多接近最高
的直驱风机。
第二梯队：采用双馈发电机的双馈风机。
第三梯队：几乎不可调速的定速风机。
在相同的风机功率、额定转速、叶片长度和接近相同的叶片翼型下，风机的转速比越大，叶片运行于 CPmax
