1
风力发电系统的建模与仿真
2.3 水平轴风力发电机结构
[11][12]
风力发电机组是由风轮、传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电
机、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成。该机组通过风力推动叶轮旋转，
再通过传动系统增速来达到发电机的转速后来驱动发电机发电，有效的将风能转
化成电能。风力发电机组结构示意图如图 2-2。
2
1、叶片 2、变浆轴承 3、主轴 4、机舱吊 5、齿轮箱 6、高速轴制动器 7、发电机
8、轴流风机 9、机座 10、滑环 11、偏航轴承 12、偏航驱动 13、轮毂系统
图 2-2 风力发电机组结构示意图
2.4 定浆距风力发电机组
[1][14]
风力机的功率调节完全依靠叶片的气动性能，称为定浆距风力发电机组，定
桨距风力发电机组的主要结构特点是：桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变
化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。风力机获得的功率随风速不停的变化。发
电机发电机工作与同步转速附近，而风电机组一般工作在小于额定风速时风轮机
的转换效率
Cp
的最佳区段。当风速超过额定风速时，为了确保发电机输出功率
恒定，
必须通过叶片失速来降低
Cp
，来维持功率恒定。定浆距发电系统的发电
机正常工作滑差小于
1%
，允许的滑差范围一般小于
5%
，但是风速变化范围却
很大。图
2-3
为风轮机的典型
Cp~
λ特性曲线。
3
图 2-3
),(
��
P
C
~
�
关系曲线
从上图关系来看，大功率的发电机工作在高风速区段，小功率发电机工作再低风
速区段，通过这种方法来调整叶尖速比λ，实现机组在 Cp 最大下工作。所以定
浆距风力发电机组的浆距角 β 设定为 0 度。
2.5 永磁同步发电机基本原理
[13]
2.5.1 同步电机基础
同步电机是另一种交流电机。同步电机的特点是在稳定运行时，它的转速 n
与定子电流的频率
1
f
有着严格不变的关系，即
P
f
nn
1
0
60
��
式中
0
n
———同步转速。
因此而命名为“同步电机”。异步电动机中，不存在这种关系，在稳定运行时，
其转速 n 与定子电流的频率
1
f
必须是
P
f
nn
1
0
60
��
即异步运行。
这种机理上的差异是由两者转子中的电流中的性质不同所导致的。异步电机
稳态运行时，其转子转速为 n，转子电流频率
12
sff �
，转差率为
00
/)( nnns ��
，
如
0
nn �
，转子的转速与定子旋转磁场的转速相等，则
0�s
，转子电流频率
0
2
�f
，这意味着转子绕组内的电流是直流电流。如果改变异步电机的转子结构，
4
使它成为用直流电流励磁，且可以转动的电磁铁，这样的交流电机便是同步电机。
同步电机可以作发电机运行，也可以作电动机运行。至今，主要作发电机运
行，目前全世界的发电量几乎全部由同步发电机发出。同步电动机在静止的变频
电源未经开发前，虽有功率因数可以调节的优点，因其转速不可调节，其用途受
到限制。随着电力电子技术突飞猛进的发展，静止的变频装置和整流装置的应运
而生，同步电机便别开了生面，特别是新型永磁材料的问世，同步电机采用永磁
材料励磁，简化了结构，充分发挥功率因数高、高效节能的优势，便日益扩大了
应用的场合，成为控制系统中的一颗新星。
2.5.2 同步电机的基本结构
同步电机也是由静止的定子和转动的转子两个基本部分组成。
（一）定子
同步电机定子这个结构部件和异步电机一样，起着输入或输出电功率，并产
生旋转磁场的作用，其结构形式与异步电机并无多大区别，也是由导磁的定子铁
心和导电的三相绕组以及固定铁心用的机座和端盖等部件所组成。
（二）转子
同步电机的转子有两种结构形式，一种是有明显磁极的称为凸极式，如图所
示，另一种是转子为一个圆柱体，表面上开着槽，并无明显磁极的，则称为隐极
式，如图 2-4 所示。同步发电机的转子制成凸极式或隐极式的都有，同步电动机
的转子一般都制成凸极式。凸极式同步电动机的磁极铁心和直流电机一样，由钢
板冲成冲片后叠压而成，磁极上套有励磁绕组，固定在磁轭上。目前，小型凸极
式同步发电机中，一出现整体机构的转子，即由钢板冲成极身、极靴与磁轭连成
整体的冲片叠压起来，然后缠绕励磁绕组。励磁绕组用绝缘的铜线绕成，与极身
之间有绝缘。各磁极上的励磁绕组间的联接，必须注意到通过励磁电流以后相邻
磁极的极性呈 N 与 S 交替排列。励磁绕组两个出现端接到两个集电环上，通过
与集电环相接触的静止电刷向外引出。另外，在极靴上还装有笼型绕组，这种笼
型绕组称为阻尼绕组，因为在同步电机非同步转速运行时，他起着阻尼作用。整
个转子由磁极、磁轭、励磁绕组、转子支架（大型同步电机有）、轴以及集电环
等部件组成。
5
（a）凸极式 b）隐极式
1�定子 2�凸极转子 3�隐极转子 4�集电环
图 2-4 旋转磁极式同步电机结构示意图
2.5.3 同步电机的工作原理
同步电机的工作原理也基于电磁感应定律。当同步发电机的直流电流励磁的
转子由原动机拖动到同步转速
0
n
时，定子上静止开路的三相绕组（也称电枢绕
组），与旋转转子上的磁极在空隙中所建立旋转磁场相对运动，定子绕组磁链发
生变化，根据电磁感应定律，定子绕组内由此感应产生感应电动势
0
E
（称为励
磁电动势）见图 2-5。改变励磁电流
f
I
的大小可相应的改变励磁电动势
0
E
的大
小。此时同步电机作发电机运行而呈空载状态。在同步转速下，励磁电动势
0
E
与励磁电流
f
I
的关系，称为发电机的空载特性，其意义、性质以及测取方法和
直流发电机的一样。
同步电机空载运行时，其端电压
00
EU �
。当定子绕组接上对称负载，同步
发电机就处于负载运行状态，此时原动机向发电机输入机械功率，发电机从定子
绕组输出电功率，经行机电能量转换。这就是三相同步发电机的工作原理。
