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
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。
风力发电机的主要类型
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。
中外常用风力发电技术及风电机概述
该 系 统 采用 双 馈 型 感 应 发 电 机 （D oubly Fed Induction Generator(DFIG)），定子 直接接到电 网上， 转 子通过一三 相变频器实 现交流励磁，如图 2 所示。
图 2 采用 双馈异步发电 机的交流 励磁变速恒 频风力发电系 统
当风速发 生变化时 ，发电机转 速变化，若 控制
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A bstr act Several win d turbines and its control technology have been studied one after another in the process of the improvement of wind power technology. The primary focus is to design them to be more efficient and reliable. In this paper, variable speed constant frenquency wind po wer technology is briefly introduced firstly and then detailedly explain tw o types of wind turbines commonly used both at home and abroad：Direct-drive permanent magnet synchronous wind turbine and doubly-fed wind turbine.
双馈无刷风力发电机组综述
双馈无刷电机(BDFM)
双馈无刷电机基本原理
在无刷双馈电机的定子上，一般具有各自独立的2 套 三相对称绕组，1 套为2p 极的主绕组，1 套为2q 极 的副绕组，这2 套绕组之间的耦合是通过特殊设计的 转子来实现的。无刷双馈电机的定子主绕组一般由工 频交流电源直接供电。当副绕组短路时，电机将能够 异步起动并工作在异步运行方式；当副绕组由直流电 源馈电（如两并一串），电机将工作在同步运行方式， 该种电机的同步速定义为60（fp+fq) /(p+q）；当副 绕组由变频电源供电时，电机将工作在双馈调速运行 方式。
刷双馈电机进行了较为系统和深入的研究。
近年来,在英、美等国,基本形成两大流派;其一是以 A.Wallace 教授和R. Spee 教授为首的美国Oregon 州 立大学以及以Williamson 教授为首的英国剑桥大学,他 们重点研究笼型转子结构的无刷双馈电机(BDFM) ;另一 流派是以T. A. Lipo 教授为首的Wisconsin 大学和以L. Xu 教授为首的Ohin 州立大学,重点研究磁阻转子结构 的双励磁磁阻电机。二派学者对无刷双馈电机的转子结 构各持己见,对两种转子结构的无刷双馈电机的分析方 法有所差异,并且形成了两套不同的分析研究体系。
种转子的结构如图所示。
转子结构
磁阻型双馈无刷电机
磁阻型双馈无刷电机转子结构
双馈无刷电机（笼型转子）
笼型转子结构
笼型转子结构
笼型转子结构
级联式无刷双馈电机
级联式双馈无刷电机，结构上，是相当于将 2 台绕线式异步电机同轴串联接而成，转子 绕组反(同) 相序联接，转子轴机械相联。2 台电机分别称为功率电机( Pp 对极) ，控 制电机( Pc 对极) 。功率电机的定子绕组 直接接工频三相电源，控制电机的定子绕组 接变频器。结构如图所示 。
风力发电机组概述
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
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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风力发电-ppt概述
5.2 风力机基本型式
5.2 风力机
5.2 风力机基本型式
达里厄式风力机 利用翼型的升力做功 Φ型风轮弯叶片只承受张力， 不承受离心力载荷 Φ型叶片重量轻，转速高 不便采用变桨矩方法实现自启 动和控制转速 扫掠面积小
功功率；
（3）通过调节转子电流的幅值，可控制发电机定子输出的无
04
电压决定的定子磁场，从而在转速高于和低于同步转速时都能保持发电状态；
（2）通过调节转子电流的相位，控制转子磁场领先于由电网
03
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（1）转子电流的频率为转差频率，跟随转子转速变化；
风力发电技术
PART 1
风力机系统： 桨叶 轮毂 主轴 调桨机构（液压或电动伺服 机构） 偏航机构（电动伺服机构） 刹车、制动机构 风速传感器
风力发电机系统
发电机系统： 发电机 励磁调节器（电力电子变换器） 并网开关 软并网装置 无功补偿器 主变压器 转速传感器
风力发电机系统
5.1 风力发电机组分类
02
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双馈异步发电机的运行原理— 转子交流励磁
01
与转差率有关（约为电磁功率的0.3倍，|s|<0.3）
（4）转子绕组参与有功和无功功率变换，为转差功率，容量
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系统特点：
变速恒频双馈异步风力发电机系统
连续变速运行，风能转换率高； 部分功率变换，变频器成本相对较低； 电能质量好（输出功率平滑，功率因数高）； 并网简单，无冲击电流； 降低桨距控制的动态响应要求； 改善作用于风轮桨叶上机械应力状况； 双向变频器结构和控制较复杂； 电刷与滑环间存在机械磨损。
双馈式、直驱式风力发电对比
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。
风力发电机的简介
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。
风电发电机组介绍
优缺点
垂直轴风力发电机的优点包括结 构简单、维护方便、适应性强等； 缺点包括发电效率较低、启动风
速较高、噪音较大等。
其他类型风力发电机
悬浮式风力发电机
悬浮式风力发电机是一种新型的风力发电设备，其叶片和发电机通过磁悬浮技术悬浮在空 中，无需塔筒和齿轮箱。具有结构紧凑、重量轻、成本低等优点，但技术难度较大，目前 仍处于研发阶段。
叶片测试
进行静态和动态载荷测试，验 证叶片的结构强度和稳定性。
齿轮箱与传动系统
齿轮箱设计
根据机组功率和转速要 求，设计合理的齿轮传
动比和箱体结构。
轴承与润滑
传动链优化
选用高性能轴承和润滑 系统，确保齿轮箱高效、
可靠运行。
通过优化齿轮、轴承、联 轴器等部件的匹配，提高
传动效率和可靠性。
故障诊断与预防
03 风电发电机组关键部件与 技术
叶片设计与制造技术
叶片气动设计
根据空气动力学原理，设计叶 片形状以最大化风能捕获效率
。
材料选择
采用高强度、轻量化的复合材料， 如玻璃纤维增强塑料（GFRP）或碳 纤维增强塑料（CFRP）。
制造工艺
采用先进的模具制造、预浸料 铺放、真空灌注等工艺，确保 叶片质量和性能。
防腐与防雷保护
对塔筒进行内外防腐处理，并 安装避雷装置以保护机组免受
雷击损害。
04 风电发电机组性能评价指 标
额定功率与容量因子
额定功率
指风力发电机组在标准空气密度下，设计风速（通常为11-15m/s）时能够输 出的最大功率，是评估风力发电机组发电能力的重要指标。
容量因子
表示风力发电机组实际发电量与理论最大发电量之比，反映了风力发电机组的 运行效率。
双馈风力发电机的运行方式
双馈风力发电机的运行方式双馈风力发电机运行方式主要有两种：一种是独立运行的供电系统，也称离网运行；另一种是作为常规电网的电源，与电网并联运行。
由于风能的随机性，独立运行供电系统中一般要配备储能装置，同时配备为储能装置充电的控制器。
而对于并联运行的风力发电系统，只要配上适合的并网控制器，能把风力发电机发出的电送到电网即可。
一、独立运行的风力发电机组1.分类独立运行发电机组按其运行方式所选用的发电机、储能方式和系统总线方式可以划分为很多类型。
目前最常见的是直流总线型和交流总线型两种。
（1）直流总线型独立运行风力发电机组。
直流总线型独立运行风力发电机组由风力发电机、充电控制器、塔架、蓄电池组和直流—交流逆变器（如果系统内有交流负载）等主要部件组成。
风力发电机发出的交流电经充电控制器一方面向直流负载供电或通过逆变器向交流负载供电，同时将多余的电能储存在蓄电池内，以备无风时使用。
所有的发电设备和电控设备都在直流端汇合，成为直流总线。
直流总线是一个很大的汇流排，目前大部分离网独立发电站都采用直流总线。
（2）交流总线型独立运行风力发电机组。
交流总线型独立运行风力发电机组中所有的部件都通过交流总线汇合。
交流总线型独立运行风力发电机组与直流总线型独立运行风力发电机组最大的区别是电控器（充电控制器和逆变器），交流总线型独立运行风力发电机组中最主要的是引入了AC/DC双向逆变器。
当发电设备发电时，可以通过逆变器向蓄电池充电（AC/DC转换），而蓄电池向设备充电时，蓄电池中的直流电通过该逆变器向设备提供交流电（DC/AC转换）。
2.性能指标风力发电机组的主要技术性能指标对风力发电机组的选择十分重要。
常见的离网型风力发电机组在选择性能指标参数时必须重点考虑以下方面：（1）切入风速与切出风速。
在低风速下，风力发电机虽然可以旋转，但由于发电机转子的转速很低，并不能有效地输出电能，当风速上升到切入风速时，风力发电机才能正常工作。
风力发电机组
风力发电机1）、设备概述：简介：风力发电机是将风能转换为机械功,机械功带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备。
风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。
依据目前的风力发电机技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。
2）、设备分类：分类：风力发电机组的分类一般有3种。
（1）按风轮轴的安装型式：水平轴风力发电机组垂直轴风力发电机组（2）按叶片的数目：单片式、双片式、三片式、多片式。
（3）按风力发电机的功率：微型（额定功率50～1000W）小型（额定功率1.0～10kW）中型（额定功率10～100kW）大型（额定功率大于100kW）（4）按运行方式：独立运行、并网运行。
风力机又称为风轮，主要有水平轴风力机和垂直轴风力机。
（1）水平轴风机：a.荷兰式b .农庄式c.自行车式d.桨叶式a)c)b)d)（2）垂直轴风力机：a)b)c)a.萨窝纽斯式b.达里厄式c.旋翼式（3）、设备结构：风机的主要结构叶轮是由叶片和轮毂组成，其功能是将风能转换为机械能。
其中，叶片是风力机的关键部件之一，其主要作用是将风能转化为机械能，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证风力机正常稳定运行的决定因素。
传动系统一般包括低速轴、高速轴、增速齿轮箱、联轴节和制动器等。
齿轮箱是将风力机轴上的低速旋转输入转变为高速旋转输出，以便与发电机运转所需要的转速相匹配。
偏航系统的功能是跟踪风向变化，驱动机舱围绕塔架中心线旋转，使风轮扫掠面与风向保持垂直。
控制系统是风力机在各种自然条件与工况下正常运行的保障，包括调速、调向和安全控制。
发电机是将风轮的机械能转换为电能。
机舱由底盘和机舱罩组成，底盘上安装除了控制器以外的主要部件。
塔架支撑叶轮达到所需要的高度，它除了要承受风力机的重力外，还要承受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行的动载荷。
风力发电机组中，水平轴式风力发电机组是目前技术最成熟、产量最大的形式，达98%以上；垂直轴风力发电机组因其效率低、需起动设备等技术原因应用较少，因此下面主要介绍水平轴风力发电机组的结构。
风力发电机的分类
1,风力发电机按叶片分类。
按照风力发电机主轴的方向分类可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。
（1）水平轴风力发电机：旋转轴与叶片垂直，一般与地面平行，旋转轴处于水平的风力发电机。
水平轴风力发电机相对于垂直轴发电机的优点；叶片旋转空间大，转速高。
适合于大型风力发电厂。
水平轴风力发电机组的发展历史较长，已经完全达到工业化生产，结构简单，效率比垂直轴风力发电机组高。
到目前为止，用于发电的风力发电机都为水平轴，还没有商业化的垂直轴的风力发电机组。
（2）垂直轴风力发电机：旋转轴与叶片平行，一般与地面吹垂直，旋转轴处于垂直的风力发电机。
垂直轴风力发电机相对于水平轴发电机的优点在于；发电效率高，对风的转向没有要求，叶片转动空间小，抗风能力强（可抗12-14级台风），启动风速小维修保养简单。
垂直轴与水平式的风力发电机对比，有两大优势：一、同等风速条件下垂直轴发电效率比水平式的要高，特别是低风速地区；二、在高风速地区，垂直轴风力发电机要比水平式的更加安全稳定；另外，国内外大量的案例证明，水平式的风力发电机在城市地区经常不转动，在北方、西北等高风速地区又经常容易出现风机折断、脱落等问题，伤及路上行人与车辆等危险事故。
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。
凡属轴流风扇的叶片数目往往是奇数设计。
这是由于若采用偶数片形状对称的扇叶，不易调整平衡。
还很容易使系统发生共振，倘叶片材质又无法抵抗振动产生的疲劳，将会使叶片或心轴发生断裂。
因此设计多为轴心不对称的奇数片扇叶设计。
对于轴心不对称的奇数片扇叶，这一原则普遍应用于大型风机以及包括部分直升机螺旋桨在内的各种扇叶设计中。
包括家庭使用的电风扇都是3个叶片的，叶片形状是鸟翼型（设计术语），这样的叶片流量大，噪声低，符合流体力学原理。
所以绝大多数风扇都是三片叶的。
三片叶有较好的动平衡，不易产生振荡，减少轴承的磨损。
降低维修成本。
按照风机接受风的方向分类，则有“上风向型”――叶轮正面迎着风向和“下风向型”――叶轮背顺着风向，两种类型。
直驱式风力发电机原理及发电机组概述
直驱式风力发电机原理及发电机组概述二极三相交流发电机转速约每分钟3000转，四极三相交流发电机转速约每分钟1500转，而风力机转速较低，小型风力机转速约每分钟最多几百转，大中型风力机转速约每分钟几十转甚至十几转，必须通过齿轮箱增速才能带动发电机以额定转速旋转。
下图是一台采用齿轮箱增速的水平轴风力发电机组的结构示意图。
使用齿轮箱会降低风力机效率，齿轮箱是易损件，特别大功率高速齿轮箱磨损厉害、在风力机塔顶环境下维护保养都较困难。
不用齿轮箱用风力机浆叶直接带动发电机旋转发电是可行的，这必须采用专用的低转速发电机，称之为直驱式风力发电机。
近些年直驱式风力发电机已从小型风力发电机向大型风力发电机应用发展，国内具有自主知识产权的2MW永磁直驱风力发电机已研制成功，据报道目前国外最大的风力发电机组已达7MW，是直驱式发电机组。
低转速发电机都是多极结构，水轮发电机就是低速多极发电机，风力机用的直驱式发电机也有类似原理构造，一种多极内转子结构，只是要求在结构上更轻巧一些。
近些年高磁能永磁体技术发展很快，特别是稀土永磁材料钕铁硼在直驱式发电机中得到广泛应用。
采用永磁体技术的直驱式发电机结构简单、效率高。
永磁直驱式发电机在结构上主要有轴向与盘式结构两种，轴向结构又分为内转子、外转子等；盘式结构又分为中间转子、中间定子、多盘式等；还有开始流行的双凸极发电机与开关磁阻发电机。
下图是一个内转子直驱式风力发电机组的结构示意图。
其定子与普通三相交流发电机类似，转子由多个永久磁铁构成。
外转子永磁直驱式风力发电机的发电绕组在内定子上，绕组与普通三相交流发电机类似；转子在定子外侧，由多个永久磁铁与外磁軛构成，外转子与风轮轮毂安装成一体，一同旋转。
本栏有对外转子直驱式风力发电机的专门介绍，下图是一个外转子直驱式风力发电机组的结构示意图。
盘式永磁直驱式风力发电机的定子与转子都呈平面圆盘结构，定子与转子轴向排列，有中间转子、中间定子、多盘式等结构，本栏有对中间转子与中间定子直驱式风力发电机的专门介绍，下图是一个中间定子直驱盘式风力发电机组的结构示意图。
两种常用风电机组的特性介绍
图 ２ 异 步发 电机负荷等值电路
异 步 发 电机 采 用 考虑 转子 暂态 的三 阶机 电 暂态 模 型 ，如 式 （ — ２
风 电并 网对 系 统 的 影 响 成 为 电网运 行 的必 要 课 题。 风 电 的随 机 性 给 发 电和 运 行 计 划 的 制 定 都 带来 许 多困 难 ，诸如 风 电场 出力 变 化 对 系 统频 率 的影 响 ； 风力 发 电功 率 及 无 功 特 性 对 系统 电压 的影 响 ； 力 发 风 电对 电网 暂态 稳 定 的影 响 ：因 此 对 电 网某 一 接 入 点 能够 接纳 风 电 的 最 大 容量 等 内容 都 亟 需 深 入 研 究。 要 进 行 机理 的研 究 必须 把 握 风 力
各变量归算为系统统一基准值下的标 幺值。机械部分模型中， 各参数
及 状态 变量 若 采 用 有 名 值 ， 其 物 理 意 义 更加 明确 ， 则 但在 计 算 过 程 中 不 可避 免 的 需要 经 常进 行 有名 值 与标 幺值 之 间 的转 换 。 另 外 ， 电场 风 中 各种 型 号 风力 机 的机 械 特性 （ 比如 叶 轮 直径 ， 定 叶 轮 转 速 ） 额 有所 不
发 电的机 理 ， 文通 过 对恒 速 恒 频 风 力 发 电机 组 、 本 变速 恒 频 风 力 发 电
，
｛ 《＋ 警１ 十 一
… …。 … 书
机 组 特 性 进行 介绍 ， 帮助 从 事 电力 系 统 分析 工作 者 简 单 了解 。 以
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图 ３ 变速风机模型示意图
２２１ 发 电机模 型 发 电机 ／ ＿． 变频 器 模 型 如 图 ４所 示 。
ｔ
；
风力发电机组简介
风力发电机组构成与机组简介1.风电机组构成风力发电机组主要由风力机、传动装置、发电机、控制系统等部分组成。
电网风力机是风力发电机组的重要部件，风以一定的风速和攻角作用在风力机的桨叶上，使风轮受到旋转力矩的作用而旋转，同时将风能转化为机械能来驱动发电机旋转。
有定桨距和变桨距风力机之分。
风力机的转速很低，一般在十几r/min~几十r/min范围内，需要经过传动装置升速后，才能驱动发电机运行。
直驱式低速风力发电机组可以由风力机直接驱动发电机旋转，省去中间的传动机构，显著提高了风电转换效率，同时降低了噪声和维护费用，也提高了风力发电系统运行的可靠性。
发电机的任务是将风力机轴上输出的机械能转换成电能。
发电机的选型与风力机类型以及控制系统直接相关。
目前，风力发电机广泛采用感应发电机、双馈（绕线转子）感应发电机和同步发电机。
对于定桨距风力机，系统采用恒频恒速控制时，应选用感应发电机，为提高风电转换效率，感应发电机常采用双速型。
对于变桨距风力机，系统采用变速恒频控制时，应选用双馈（绕线转子）感应发电机或同步发电机。
同步发电机中，一般采用永磁同步发电机，为降低控制成本，提高系统的控制性能，也可采用混合励磁（既有电励磁又有永磁）同步发电机。
对于直驱式风力发电机组，一般采用低速（多级）永磁同步发电机。
控制系统由各种传感器、控制器以及各种执行机构等组成。
风力发电机组的控制系统一般以PLC为核心，包括硬件系统和软件系统。
传感信号表明了风力发电机组目前运行的状态，当与机组的给定状态不相一致时，经过PLC的适当运算和处理后，由控制器发出控制指令，是系统能够在给定的状态下运行，从而完成各种控制功能。
主要的控制功能有：变桨距控制、失速控制、发电机转矩控制以及偏航控制等。
控制的执行机构可以采用电动执行机构，也可能采用液压执行机构。
目前，风力发电机组主要有恒速恒频控制和变速恒频控制这两种系统控制方式。
前者采用“恒速风力机+感应发电机”，常采用定桨距失速调节或者主动失速调节来实现功率控制。
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异步电动机三相原始模型的非独立性
三相变量中只有两相是独立的，因此 三相原始数学模型并不是物理对象最 简洁的描述。
完全可以而且也有必要用两相模型代 替。
坐标变换
异步电动机三相原始动态模型相当复杂 ，简化的基本方法就是坐标变换。
异步电动机数学模型之所以复杂，关键 是因为有一个复杂的电感矩阵和转矩方 程，它们体现了异步电动机的电磁耦合 和能量转换的复杂关系。
异步电动机三相绕组可以是Y连接，也可以 是Δ连接。若三相绕组为Δ连接，可先用Δ— Y变换，等效为Y连接。然后，按Y连接进行 分析和设计。
定子三相绕组 轴线A、B、C在 空间是固定的。
转子绕组轴线a、 b、c随转子旋转。
异步电动机三相动态模型的 数学表达式
双馈异步电动机的动态模型由磁链方程、 电压方程、转矩方程和运动方程组成。
要简化数学模型，须从电磁耦合关系入 手。
坐标变换的基本思路
两极直流电动 机的物理模型 ，F为励磁绕 组，A为电枢 绕组，C为补 偿绕组。F和C 都在定子上， A在转子上。
图 二极直流电动机的物理模型 F—励磁绕组 A—电枢绕组 C—补偿绕组
坐标变换的基本思路
把F的轴线称作直轴或d轴，主磁通的方向就 是沿着d轴的；A和C的轴线则称为交轴或q轴 。
异步电动机三相原始模型的非独立性
异步电动机三相绕组为Y无中线连接，若 为Δ连接，可等效为Y连接。
可以证明：异步电动机三相数学模型中存 在一定的约束条件
A B C 0
iA iB iC 0 uA uB uC 0
a b c 0
ia ib ic 0 ua ub uc 0
目录
一、异步绕线双馈风力发电机概述 二、直驱永磁同步风力发电机概述 三、两种风力发电机组的简单比较 四、浅谈两种风力发电机的建模
• 双馈式风力发电机组的系统将齿轮箱传输到发电 机主轴的机械能转化为电能，通过发电机定子、 转子传送给电网。发电机定子绕组直接和电网连 接，转子绕组和频率、幅值、相位都可以按照要 求进行调节的变频器相连。变频器控制电机在亚 同步和超同步转速下都保持发电状态。在超同步 发电时，通过定转子两个通道同时向电网馈送能 量，这时逆变器将直流侧能量馈送回电网。在亚 同步发电时，通过定子向电网馈送能量、转子吸 收能量产生制动力矩使电机工作在发电状态，变 流系统双向馈电，故称双馈技术。
1.1 双馈风力发电机原理概述
f0
p 60
nr
f2
n0 nr n2
• 其工作原理为 : 绕线转子双馈异步发电机的
转子通入三相低频励磁电流形成低速旋转 磁场 ,该磁场的旋转速度 与转子机械转速 相 叠加 ,等于定子的同步转速 ,即。从而在定子 绕组中感应出相应于同步转速 的工频电压
。当发电机转速随风速变化而变化时 (一般 的变化范围为的30% ,可双向调节 ) ,调节转 子励磁电流的频率即可调节,以补偿 的变化 , 保持输出电能频率恒定。
u Ri d (Li) Ri L di dL i
dt
dt dt
Ri L di dL i dt d
转矩方程和运动方程
转矩方程
Te np Lms (iAia iBib iCic ) sin (iAib iBic iCia ) sin( 120) (iAic iBia iCib )sin( 120)
磁链方程和转矩方程为代数方程 电压方程和运动方程为微分方程
磁链方程
异步电动机每个绕组的磁链是它本身的自 感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和
A LAA LAB LAC LAa LAb LAc iA
B
LBA
LBB
LBC
LBa
LBb
LBc
iB
C a
LCA LaA
LCB LaB
1 2
Lms
1 2 Lms
Lms
Lls
Lms
Llr
Lrr
1 2
Lms
1 2
Lms
1 2
Lms
Lms Llr
1 2
Lms
1 2
Lms
1 2 Lms
Lms
Llr
转子电感矩阵
电感矩阵
定、转子互感矩阵
cos
Lrs
LTsr
Lms
cos(
2
3
)
cos(
2
)
3
cos( 2 )
3
cos cos( 2 )
3
cos( cos(
2
3
2
3
) )
cos
变参数、非线性、时变
电压方程
三相绕组电压平衡方程
uA
iA Rs
d A
dt
uB
iB Rs
d B
dt
uC
iC Rs
d C
dt
ua
ia Rr
d a
dt
ub
ib Rr
d b
dt
uc
ic Rr
d c
dt
电压方程
将电压方程写成矩阵形式
1.2 双馈风力发电机研究方法
三相异步电机数学模型
• 作如下的假设： • （1）忽略空间谐波，三相绕组对称，产生
的磁动势沿气隙按正弦规律分布。 • （2）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感
都是恒定的。 • （3）忽略铁心损耗。 • （4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电
阻的影响。
无论异步电动机转子是绕线型还是笼型的 ，都可以等效成三相绕线转子，并折算到 定子侧，折算后的定子和转子绕组匝数相 等。
LCC LaC
LCa Laa
LCb Lab
LCc Lac
iiCa
b
LbA
LbB
LbC
Lba
Lbb
Lbc
ib
c LcA LcB LcC Lca Lcb Lcc ic
电感矩阵
定子电感矩阵
Lms
Lls
L ss
1 2 Lms
1 2
Lms
1 2
Lms
Lms Lls
1 2 Lms
u
Ri
dψ
dt
u A Rs 0 0 0 0 0 iA
u
B
0
Rs
0
0
0
0
iBΒιβλιοθήκη A BuuCa
0 0
0 Rs 0 0 0 Rr
0 0
0 0
iiCa
d dt
C a
u
b
0
0
0
0 Rr
0
ib
uc 0 0 0 0 0 Rr ic
b
c
电压方程
把磁链方程代入电压方程，展开
运动方程 转角方程
J np
d
dt
Te
TL
d
dt
异步电动机三相原始模型的性质
非线性强耦合性 非线性耦合体现在电压方程、磁链方程与 转矩方程。既存在定子和转子间的耦合， 也存在三相绕组间的交叉耦合。
非线性变参数 旋转电动势和电磁转矩中都包含变量之间 的乘积，这是非线性的基本因素。定转子 间的相对运动，导致其夹角不断变化， 使得互感矩阵为非线性变参数矩阵。