第四节 风力发电机
一、风力发电机的种类
风力发电机是将风能变成电能的电磁装置。由于主导机型的不断发展，应用于风力发电的发电机种类较多，常用的有如下几种：
1）笼型感应发电机，多用于定桨距（或主动失速）、定速的风力发电机组，加全额变流器可用于变速风力发电机组。
2）双速、多速笼型感应发电机，多用于定桨距（或主动失速）、多态定速的风力发电机组。
3）绕线型感应发电机，多用于变桨距、部分变速的风力发电机组。
4）电励磁同步发电机，多用于定速风力发电机组，加全额变流器可用于变速风力发电机组。
5）永磁同步发电机加全额变流器，多用于变桨距、变速的直驱型风力发电机组。
6）双馈发电机加部分功率变流器，多用于变桨距、变速的风力发电机组。
二、风力发电机的基本参数
1.风力发电机的额定值
（1）额定容量SN和额定功率PN额定容量SN是指出线端的额定视在功率，单位为kVA或MVA。而额定功率PN是指在规定的额定情况下，发电机输出的有功功率，单位为kW或MW。
（2）额定电压UN是指在额定运行时发电机定子的线电压，单位为V或kV。
（3）额定电流IN是指在额定运行时流过定子的线电流，单位为A。
（4）额定功率因数cosφN是指发电机在额定运行时的功率因数。
（5）额定效率ηN是指发电机在额定运行时的效率。
上述额定值之间的关系为
每台感应发电机上都有一个铭牌，铭牌上标明了上述额定值。除额定值外，铭牌上还标有额定频率、额定转速等。
2.发电机的效率
要详细了解发电机的效率，就必须考虑各种各样的损耗功率，下面给出了异步发电机功率平衡特性的模型。
式中 Pem——定子和转子之间通过气隙传递的电磁功率；
Pe1——电功率；
PCu1——三相电机的定子铜耗，PCu1＝3R1I21；
PFe——三相电机的定子铁耗；
Pm——机械功率；
s——转差率；
Padd和Pfw——分别是摩擦损耗和转子空气动力损耗。
可以通过图1-20所示的Sankey图来表示上面讨论的损耗功率和总功率的关系。在所有的损耗功率中，PCu1、PCu2（转子绕组的焦耳热损耗，且有PCu2＝｜s｜Pem，已含在式（1-14）的相关项中）和Padd是与负载有关的损耗，PFe和Pfw则是与负载无关的损耗。
图1-20 异步发电机的Sankey图
a）电动机模式 b）发电机模式
用同样的角度考虑，发电机产生的转矩也可以被分为气隙转矩Me和摩擦转矩Mfw。气隙转矩Me与气隙功率有关。
式中 Ωm——转子机械角速度；
Mm——机械转矩。
利用式（1-13）和式（1-14）中的功率成分来计算发电机的效率为
三、发电机的温控与润滑
1.温度控制
发电机在能量转换的过程中，有一些部分产生能量损耗，引起发电机发热。存在损耗的部分是发电机中的热源，热量的出现和积累，引起这些部分的温度升高。
发电机正常使用时，部件温度限制值如下：
（1）绕组：
B级 报警：125℃ 跳闸：135℃
F级 报警：150℃ 跳闸：170℃
（2）轴承：
报警：90℃ 跳闸：95℃
为了使风力发电机正常工作，通常必须采取冷却措施。风力发电机的冷却系统可分为空空冷却系统和空水冷却系统。
空空冷却系统主要是由风机、换热器、过滤器、进风口、出风口和温度传感器组成的，结构相对简单，如图1-21所示。发电机内部产生的热空气通过定、转子风路流到冷却器，热空气与冷空气进行热量交换后再回到发电机内部进行冷却循环。
图1-21 空空冷却系统结构
空水冷却系统较为复杂，主要是由水泵、换热管、水箱、水管、散热器、单向阀等零件组成的，如图1-22所示。空水冷却系统的工作原理与空空冷却系统相似。发电机内部产生的热空气通过定、转子铁心通风槽板后流到冷却器上，热空气与冷却液进行热量交换后再回到发电机内部进行冷却循环。
图1-22 空水冷却系统结构
图1-23是采用水冷的发电机，其冷却水管道布置在定子绕组周围，通过水泵与外部散热器进行循环热交换。冷却系统不仅直接带走发电机内部的热量，同时，通过热交换器，带走齿轮润滑油的热量，有效地提高了发电机的冷却效果。
2.发电机轴承的润滑
发电机轴承多采用自动润滑方式。可以实现自动地定时、定量供油。图1-24为发电机轴承润滑系统。
图1-23 采用水冷的发电机
图1-24 发电机轴承润滑系统
由图可见，润滑系统由润滑油泵、安全阀、接近开关、高压胶管和分配器等元件组成，采用两个润滑点润滑发电机。润滑油泵将油脂送往分配器。分配器可以将油脂以合适比例均匀分配到每个润滑点。如果发生堵塞，油脂则可以从安全阀溢出。溢出的油脂送回泵内，避免环境污染。
为保证自动润滑系统能保障对每个自动润滑点润滑，系统配套有带监控功能的循环监测开关，可以对整套润滑系统运转是否正常进行监控，以避免意外事故的发生，保证润滑点能正常定时、定量的得到润滑。
当油箱里的油脂过少时，需要补充新的油脂，润滑泵自带油位监控开关，可以监测油箱内油脂的多少，当无油脂时，系统将进行报警。
四、空间坐标矢量变换
电动机的变量（电压、电流、电动势、磁链等）均可用空间矢量来描述，并常在几种坐标系中进行变换和计算。常用的坐标系有两种，一种是静止坐标系，另一种是旋转坐标系。坐标变换分为三相静止坐标系到两相静止坐标系间的变换、两相静止坐标系到两相旋转坐标系间变换和两相坐标系到极坐标系间的转换。
1.静止坐标系间的矢量变换
静止三相ABC坐标与静止两相α-β坐标系统之间的关系如图1-25所示。按照三相总磁动势与两相总磁动势相等的原则，在绕组匝数不变的约束条件下，变换关系写成矩阵式有
其逆变换矩阵形式为
图1-25 静止坐标系间关系
2.静止两相坐标向旋转两相坐标系统的变换
设任一矢量Vj存在于静止α-β坐标和旋转d-q坐标中，矢量在d-q坐标中的分量分别为Vd、Vq，在α-β坐标中的分量分别为Vα、Vβ，两个坐标系横轴夹角为φ。如图1-26所示，可写出两坐标系统中的矢量转换关系式为
其反变换关系式为
图1-26 静止—旋转坐标系间关系
3.矢量分析器
矢量分析器又称直角坐标—极坐标变换（K／P变换），用于求解一个矢量的模和相角，在任一直角坐标系中有
