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。 绕线式异步发电机转子外接可变电阻, 其工作原理是通过电力电子装置调整转子回路的电阻, 从而调节发电机的转差率, 使发电机的转差率可增大至10% , 实现有限变速运行, 提高输出功率。 同时, 采用变桨距调节及转子电流控制, 以提高动态性能, 维持输出功率稳定, 减小阵风对电网的扰动. 然而, 由于外接电阻消耗了大量能量, 电机效率降低了. 有些文献也把这种发电系统称为高转差率异步发电机系统。
绕线式有限变速发电机系统【转差率=（同步转速-异步转速）/同步转速】
3、变速风力发电机
3.1、有刷双馈异步发电机
由双馈异步发电机( Doubly fed induction generator,DFIG )构成的变速恒频控制方案是在转子电路实现的, 如下图所示。 流过转子回路的功率是双馈发电机的转速运行范围所决定的转差功率, 该转差功率仅为定子额定功率的一小部分。 一般来说, 转差率为同步速附近30% 左右,因此, 与转子绕组相连的励磁变换器的容量也仅为发电机容量的30%左右,这大大降低了变换器的体积和重量。 采用双馈发电方式, 突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念, 使原动机转速不受发电机输出频率限制, 而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响, 变机电系统之间的刚性连接为柔性连接。
双馈式变速恒频风力发电机系统
相对于绕线式发电机, 双馈发电机的转子能量没有被消耗掉, 而是可以通过变换器在发电机转子与电网之间双向流通。变换器可以提供无功补偿, 平滑并网电流。正是DFIG具有上述优点, 目前大多数大可变速风力发电系统都采用这种方式, 例如Vestas,Gamesa, GE, No rdex 等公司都有此类产品. 但其控制系统也相对复杂, 尤其是双向变换器的DFIG励磁控制技术和双向并网发电控制技。
双馈发电机系统具有的缺点: 存在多级齿轮箱及滑环、电刷, 不可避免地带来摩擦损耗, 增大了维护量及噪声等; 在电网故障瞬间, 骤然变大的定子和转子电流要求变换器增加保护措施, 增大了软硬件投入, 而且大的故障电流增加了风力机的扭转负荷。
3.2、电励磁同步发电机
风能发电原理电励磁同步发电机( Electrically excited synchronous generator, EESG )变速恒频直驱风力发电系统如下图所示, 电压源型逆变器的直流侧提供电机转子绕组的励磁电流, 发电机发出的是电压和频率都在变化的交流电, 经整流逆变后变成恒压恒频的电能输入电网. 通过调节逆变装置的控制信号可以改变系统输出的有功功率和无功功率, 实时满足电网的功率需要. 在变速恒频直驱风力发电机组中, 整流逆变装置的容量需要与发电机容量相等。
电励磁同步发电机直驱风力发电系统
采取直驱方式, 发电机运行在低速状态, 其电磁转矩相对较大, 同时发电机极对数较多, 意味着发电机的体积也较大. 但由于省去了齿轮箱, 系统的效率
和可靠性都得到了提高。变换器为全功率变换器, 在整个调速范围能使并网电流平滑, 具有噪声低、电网电压闪变小及功率因数高等优点。该系统主要缺点是系统成本较高, 功率变换器损耗较大。
3.3、永磁同步发电机
永磁同步发电机( Permanent magnet synchronous generator, PMSG )变速恒频直驱风力
发电系统结构如下图所示, 它采用的电机是永磁发电机, 无需外加励磁装置, 减少了励磁损耗； 同时它无需电刷与滑环, 因此具有效率高、寿命长、免维护等优点。 在定子侧采用全功率变换器, 实现变速恒频控制. 系统省去了齿轮箱, 这样可大大减小系统运行噪声, 提高效率和可靠性, 降低维护成本。 所以, 尽管直接驱动会使永磁发电机的转速很低, 导致发电机体积很大, 成本较高, 但其运行维护成本却得到了降低。
采用直接驱动永磁发电机具有传动系统简单、效率高以及控制鲁棒性好等优点, 因此具有越来越大的吸引力. 目前已有多家公司可以提供商业化的多极永磁风力发电机系统, 如Enercon, W inW ind等公司. 该系统的主要缺点是永磁材料价格较高, 且在高温下易被去磁, 功率变换器容量与发电机容量相同, 变换器成本较高。
永磁同步发电机直驱风力发电系统
随着风机单机容量的增大，齿轮箱的高速传动部件故障问题日益突出，于是没有齿轮箱而将主轴与低速多极同步发电机直接相接的直驱式布局应运而生。但是, 低速多极发电机重量和体积均大幅增加，为此, 采用折中理念的半直驱布局在大型风力发电系统中得到了应用, 如下图所示。
一级齿轮箱驱动永磁同步发电系统
与直驱永磁同步发电系统不同是，半直驱永磁同步风力发电系统在风力机和PMSG之间增加了单级齿轮箱，综合了DFIG和直驱PMSG 系统的优点。与DG IG 系统相比, 减小了机械损耗; 与直驱PMSG系统相比, 提高了发电机转速, 减小了电机体积. 采用全功率变换器, 平滑了并网电流, 电网故障穿越能力得到提高。