2按照有无齿轮箱分类

变速变桨风电机组的风能转换效率更高，能够有效降低风电机组的运行噪声，具有更好的电能质量，通过主动控制等技术能够大幅度降低风电机组的载荷，使得风电机组功率重量比提高，这些因素都促成了变速变桨技术成为当今风力发电机组的主流技术。

目前，市场上主流的变速变桨恒频型风电机组技术分为双馈式和直驱式两大类。双馈式变桨变速恒频技术的主要特点是采用了风轮可变速变桨运行，传动系统采用齿轮箱增速和双馈异步发电机并网，而直驱式变速变桨恒频技术采用了风轮与发电机直接耦合的传动方式，发电机多采用多极同步电机，通过全功率变频装置并网。直驱技术的最大特点是可靠性和效率都进一步得到了提高。

还有一种介于二者之间的半直驱式，由叶轮通过单级增速装置驱动多极同步发电机，是直驱式和传统型风力发电机的混合。

2.1直驱型风力发电机

直驱式风力发电机，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。由于齿轮箱是目前在兆瓦级风力发电机中属易过载和过早损坏率较高的部件，因此，没有齿轮箱的直驱式风力发动机，具备低风速时高效率、低噪音、高寿命、减小机组体积、降低运行维护成本等诸多优点。

直接驱动式变速恒频(DDVSCF)风力发电系统框图如图1所示，风轮与同步发电机直接连接，无需升速齿轮箱。首先将风能转化为频率、幅值均变化的三相交流电，经过整流之后变为直流，然后通过逆变器变换为恒幅恒频的三相交流电并入电网。通过中间电力电子变流器环节，对系统有功功率和无功功率进行控制，实现最大功率跟踪，最大效率利用风能。

与双馈式风力发电系统相比，直驱式风力发电系统的优点在于：传动系统部件的减少，提高了风力发电机组的可靠性和利用率;变速恒频技术的采用提高了风电机组的效率;机械传动部件的减少降低了风力发电机组的噪音、提高了整机效率;可靠性的提高降低了风力发电机组的运行维护成本;部件数量的减少了，使整机的生产周期大大缩短;利用现代电力电子技术可以实现对电网有功功率无功功率的灵活控制;发电机与电网之间采用全功率变流器，使发电机与电网之间的相互影响减少，电网故障时对发电机的损害较小。其缺点在于：由于功率变换器与发电机组和电网全功率连接，功率变换器造价昂贵，控制复杂;用于直接驱动发电的发电机，工作在低转速、高转矩状态，电机设计困难、极数多、体积大、造价高、运输困难。

图1 直接驱动式风力发电系统框图

直驱式风力发电系统(direct drive wind energy generation system-DDWEGS)的发电机主要有两种类型：转子电励磁的集中绕组同步发电机以及转子永磁材料励磁的永磁同步发电机，如图2、图3所示。转子电励磁式DDWEGS由于需要给转子提供励磁电流，需要滑环和电刷，这两个部件故障率很高，需要定期更换，因此维护量大，相对DFWEGS来说只省去了齿轮箱设备。而转子永磁体励磁式DDWEGS采用永磁材料建立转子磁场，省去了滑环和电刷等设备，也省去了齿轮箱，无需定期维护，系统结构紧凑、整机可靠性、效率很高。

图2 电励磁式直驱风力发电机结构图

因此，永磁式DDWEGS系统最优、效率最高、维护量最小。尽管直驱式风力发电系统变流器以及永磁同步发电机造价昂贵，但是由于其可靠性和能量转换效率高，维护量小，整机生产周期小等优点，特别适合于海上风力发电，因此这种结构具有很好的应用前景。

图3 永磁材料励磁式直驱风力发电机结构图

直驱式风力发电系统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。随着永磁材料价格的持续下降、永磁材料性能的提高以及新的永磁材料的出现，在大、中、小功率、高可靠性、宽变速范围的发电系统中应用的越来越广泛。

有的直驱机组方案，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、减轻重量。

直驱风力发电机的特点是：

1)由于零件和系统的数量减少，维修工作量大大降低。

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)运动部件少，由磨损等引起的故障率很低，可靠性高。

4)采用全功率逆变器联网，并网、解列方便。

5)采用全功率逆变器输出功率完全可控，如果是永磁发电机则可独立于电网运行。

6)发电机尺寸大、重量大，运输、安装比较困难。

缺点是由于直驱型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。同时，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，体积庞大，需要进行整机吊装维护。

2.2双馈式风力发电机

交流励磁发电机又被人们称之为双馈发电机。双馈风电机组中，为了让风轮的转速和发电机的转速相匹配，必须在风轮和发电机之间用齿轮箱来联接，这就增加了机组的总成本;而齿轮箱噪音大、故障率高、需要定期维护，并且增加了机械损耗;机组中采用的双向变频器结构和控制复杂;电刷和滑环间也存在机械磨损。

双馈式风力发电机组的特点是采用了多级齿轮箱驱动有刷双馈式异步发电机。它的发电机的转速高，转矩小，重量轻，体积小，变流器容量小，但齿轮箱的运行维护成本高且存在机械运行损耗。

双馈感应发电机组是具有定、转子两套绕组的双馈型异步发电机(DFIG)，定子接入电网，转子通过电力电子变换器与电网相连，如图4所示。

在风力发电中采用交流励磁双馈风力发电方案，可以获得以下优越的性能：

(1)调节励磁电流的频率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，即变速恒频运行。这样可以从能量最大利用等角度去调节转速，提高发电机组的经济效益。

(2)调节励磁电流的有功分量和无功分量，可以独立调节发电机的有功功率和无功功率。这样不但可以调节电网的功率因数，补偿电网的无功需求，还可以提高电力系统的静态和动态性能。

(3)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。

(4)由于控制方案是在转子电路实现的，而流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率，它仅仅是额定功率的一小部分，这样就大大降低了变频器的容量，减少了变频器的成本。

图4 双馈式变速恒频风力发电系统结构框图