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摘要：早期的风能的利用率较低，我国风力发电技术领域对风能的利用率仅为可利用风能的0.1％。随着经济的发展和科技的进步，对风能的利用率要求也越来越高，随着风力发电技术的改革创新，多级变速风力发电技术随之产生。风力是一种变化性强、无法人工调节的清洁能源，多级变速风力发电技术是一项全新的技术，能够保证风力发电机在多种风速下均能实现风能的最大利用。
关键词：风力发电；多级变速；发电技术
中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：
一．前言
早期的风力发电机都采用恒速恒频方式获得恒频的电能，这种方式所需的技术相对简单、成熟，但风能利用率较低图（1）。这是由于在特定的风力条件下，与风能利用率有直接关系的风力机输出功率系数Cp，只有在某一确定的尖速比值下才达到最大值，且离该点越远，风力机输出功率系数Cp下降越快，风能利用率越低。“恒速恒频”风力机的转速始终保持不变。由于风力机的转速可变，可以通过适当的控制。使风力机的尖速比处于或接近最佳值，从而最大限度地利用风能。自20世纪70年代中期以来，变速恒频技术已越来越受到重视，并逐步得到应用，但由于该技术的恒频控制装置较为复杂和昂贵，因而还没有大量地被采用。
图1风能利用率和尖速比的关系图2多级变速风力发电原理示意图
二．风力发电的工作原理
风力发电的工作原理利用风力带动风车的叶片旋转，再通过变速机将叶片旋转的速度进行提升，从而实现风力发电。风力发电机由四部分组成：机头、转体、尾翼、叶轮叶片。塔架起支撑作用，机头有变桨系统、轮毂、发电机组成，转体使机头能够保持灵活地转动。其中变桨系统的所有部件都安装在轮毂上，发电机正常运行时所有部件都随轮毂以一定的速度旋转。风力发电机遵循这样一个工作流程：首先，叶轮叶片用来接收风力，风机的叶片通过变桨轴承与轮毂相连，变桨系统通过控制叶片的角度来控制风轮的转速，并通过机头发电机将风能转换为电能；其次，尾翼能使葉片始终对着风吹来的方向，测风系统将测得的风向传到偏航电机，通过偏航电机的控制回路的处理器的处理带动风轮偏航对风，再次，机头发电机转子因其永磁性，通过定子绕组切割磁力线产生电能。
三．多级变速风力发电技术的原理如图（2）
多级变速风力发电技术是多级变速风力发电技术的一种，发电机主要由两台发电机(小功率的发电机1和大功率的发电机2)、控制系统和变速机组成。(如图2所示)其技术原理如下：大功率的发电机2的定子绕组与电网相连，向电网输送频率为ft的工频电流，转子绕组经由控制系统与小功率的发电机1的定子绕组相连。当风吹向叶轮时，通过变速机提速将叶轮的速度提高，通过发电机组将风能转换为电能，从而实现发电。
大功率的发电机2只有在风速较大时才会运行，它具有强大的“合频”功能，能够将转子绕组的电流频率和转子的旋转频率相加，最终得出频率相加后的电流。小功率的发电机1功率一般为发电机2的1／4，当风速较小时，变速机只带动发电机1运行，这时发电机2自动断开与变速机的连接，直接由发电机1将输出的电流发送到电网；当风速较大时，两台发电机都能进行发电工作，发电机l输出的电流会经控制系统发送到发电机2的转子绕组上进行“合频”，最终输出“合频”后的电流；这样就能延长发电机2的使用期限，又能提高发电机的使用效率。在风力发电过程中，控制系统要进行监测发电机1输向发电机2的电流频率，合并发电机1和发电机2的电流频率，保护发电机组的安全。变速机有别于传统的增速机，它既能够起到增速的作用，也能够进行变速，可以根据风速大小改变输出的转速，并且是齿轮设计，转速较低，不易磨损，能够减少润滑的费用。
四．多级变速的方法
根据“合频”特性，在图2所示的两台电机组合发电中，发电机2定子绕组输出的电流频率、发电机1定子绕组输出的电流频率和电机转子的机械旋转频率应符合如下关系：
f1=P1×fn1
f1=P2+fn2×P1×fn1 (1)
式中:f1 —发电机2定子绕组输出的电流频率，与电网频率相同：
P2一发电机机2的的极对数；
Pn2—发电机2的转子机械旋转频率；
P1—发电机1的极对数；
Pn1—发电机1的转子机械旋转频率。
只要设计和控制好Pl，fn1，P2，fn2这4个参数，完全可以使发电机2输出的电流频率保持为电网频率或其他所需频率。这4个参数主要由变速机的机械变速和改变发电机极对数来实现。因此，利用发电机2“合频”特性。通过变速机机械变速和改变发电机极对数，可实现风速变化时风力机在多级风轮转速下能输出恒定频率的电能，以提高风能的利用率。
由式(1)知，增加电机极对数，可降低机械旋转频率，相应降低转子及齿轮转速，改善润滑条件，减少维护费用。
图2说明的是2台电机进行组合发电和“合频”的工作原理．根据实际需要和安装条件可增加组合的发电机数量。图3是多台电机进行组合发电的原理示意图，由“合频”特性可知，在其他条件相同情况下“合频”电机级数越多最终发出的电能频率越大，或理解为要获得同样频率的电能，“合频”电机级数越多则变速机的增速比可以相应减小，这样就降低了变速机的成本。甚至可省去增速器而实现风机直接驱动发电机。
图3多台电机组合发电组合的原理示意图
“合频”特性还能用于单独发电的风力机群。尽管单台风力机所发出的电能频率可能没有达到要求的频率值。但经过恰当的“合频”最终可输出符合频率要求的电能。
五．多级变速风力发电的实例
设工作风速为从5.5m／s到16.5m／s，在启动风速5.5m／s处叶轮转速为100rpm时，叶轮当量叶尖速比为4，此时风能利用率最大。为降低成本，提高系统变速自动化程度，叶轮到发电机2设计为1级机械变速，速比为5l叶轮到发电机1设计为l级机械变速，速比为2．5l发电机为双速发电机，发电机2的极对数分别为6和2，发电机1的极对数分别为4和2,发电机1的功率约为发电机2的1/4。具体如表l所示。
由表1可知(忽略电机滑差率)，在风速8.25m／s及1lm／s处，2个发电机利用“合频”功能联合发电，发电机1的输出频率接入发电机2的转子电路 在具体应用中，不同级别的风速对应不同的发电方式，风速为7m/s以下时用第1种方式，风速为7m/s到9.5m／s时用第2种方式，风速为9.5m／s到13m／s时用第3种方式，风速在13m／s以上时用第4种方式。
表1 不通风速条件下的发电方式
结束语：多级变速技术是一种风能利用率相对较高、经济实用、简单可靠的风力发电技术。通过上面分析可知。但是它具有突出的特点：与恒速恒频风力发电机相比，多级变速风力发电机的风能利用率显著提高；与变速恒频风力发电机相比。降低了风力机的机械增速比，提高了机械传动系统的可靠性和经济性。在不同风速下。可以进行不同发电机的合理组合，不存在“大功率电机发小功率电能”的现象，提高了发电机的效率和利用率。
参考文献；
[1]陈忠维，胡晓珍，徐献忠，顾平灿，多级变速风力发电技术[J]．可再生能源，2006
[2]李滨波，段向阳．风力发电机原理及风力发电技术[J]．湖北电力，2007
[3]陈忠维，胡晓珍，徐献忠，顾平灿．多级变速风力发电技术[J]_可再生能源，2008
[4]倪受元．风力发电讲座(第三讲)风力发电用的发电机及其机构咖．太阳能，2000
关键词：风力发电；多级变速；发电技术
中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：
一．前言
早期的风力发电机都采用恒速恒频方式获得恒频的电能，这种方式所需的技术相对简单、成熟，但风能利用率较低图（1）。这是由于在特定的风力条件下，与风能利用率有直接关系的风力机输出功率系数Cp，只有在某一确定的尖速比值下才达到最大值，且离该点越远，风力机输出功率系数Cp下降越快，风能利用率越低。“恒速恒频”风力机的转速始终保持不变。由于风力机的转速可变，可以通过适当的控制。使风力机的尖速比处于或接近最佳值，从而最大限度地利用风能。自20世纪70年代中期以来，变速恒频技术已越来越受到重视，并逐步得到应用，但由于该技术的恒频控制装置较为复杂和昂贵，因而还没有大量地被采用。
图1风能利用率和尖速比的关系图2多级变速风力发电原理示意图
二．风力发电的工作原理
风力发电的工作原理利用风力带动风车的叶片旋转，再通过变速机将叶片旋转的速度进行提升，从而实现风力发电。风力发电机由四部分组成：机头、转体、尾翼、叶轮叶片。塔架起支撑作用，机头有变桨系统、轮毂、发电机组成，转体使机头能够保持灵活地转动。其中变桨系统的所有部件都安装在轮毂上，发电机正常运行时所有部件都随轮毂以一定的速度旋转。风力发电机遵循这样一个工作流程：首先，叶轮叶片用来接收风力，风机的叶片通过变桨轴承与轮毂相连，变桨系统通过控制叶片的角度来控制风轮的转速，并通过机头发电机将风能转换为电能；其次，尾翼能使葉片始终对着风吹来的方向，测风系统将测得的风向传到偏航电机，通过偏航电机的控制回路的处理器的处理带动风轮偏航对风，再次，机头发电机转子因其永磁性，通过定子绕组切割磁力线产生电能。
三．多级变速风力发电技术的原理如图（2）
多级变速风力发电技术是多级变速风力发电技术的一种，发电机主要由两台发电机(小功率的发电机1和大功率的发电机2)、控制系统和变速机组成。(如图2所示)其技术原理如下：大功率的发电机2的定子绕组与电网相连，向电网输送频率为ft的工频电流，转子绕组经由控制系统与小功率的发电机1的定子绕组相连。当风吹向叶轮时，通过变速机提速将叶轮的速度提高，通过发电机组将风能转换为电能，从而实现发电。
大功率的发电机2只有在风速较大时才会运行，它具有强大的“合频”功能，能够将转子绕组的电流频率和转子的旋转频率相加，最终得出频率相加后的电流。小功率的发电机1功率一般为发电机2的1／4，当风速较小时，变速机只带动发电机1运行，这时发电机2自动断开与变速机的连接，直接由发电机1将输出的电流发送到电网；当风速较大时，两台发电机都能进行发电工作，发电机l输出的电流会经控制系统发送到发电机2的转子绕组上进行“合频”，最终输出“合频”后的电流；这样就能延长发电机2的使用期限，又能提高发电机的使用效率。在风力发电过程中，控制系统要进行监测发电机1输向发电机2的电流频率，合并发电机1和发电机2的电流频率，保护发电机组的安全。变速机有别于传统的增速机，它既能够起到增速的作用，也能够进行变速，可以根据风速大小改变输出的转速，并且是齿轮设计，转速较低，不易磨损，能够减少润滑的费用。
四．多级变速的方法
根据“合频”特性，在图2所示的两台电机组合发电中，发电机2定子绕组输出的电流频率、发电机1定子绕组输出的电流频率和电机转子的机械旋转频率应符合如下关系：
f1=P1×fn1
f1=P2+fn2×P1×fn1 (1)
式中:f1 —发电机2定子绕组输出的电流频率，与电网频率相同：
P2一发电机机2的的极对数；
Pn2—发电机2的转子机械旋转频率；
P1—发电机1的极对数；
Pn1—发电机1的转子机械旋转频率。
只要设计和控制好Pl，fn1，P2，fn2这4个参数，完全可以使发电机2输出的电流频率保持为电网频率或其他所需频率。这4个参数主要由变速机的机械变速和改变发电机极对数来实现。因此，利用发电机2“合频”特性。通过变速机机械变速和改变发电机极对数，可实现风速变化时风力机在多级风轮转速下能输出恒定频率的电能，以提高风能的利用率。
由式(1)知，增加电机极对数，可降低机械旋转频率，相应降低转子及齿轮转速，改善润滑条件，减少维护费用。
图2说明的是2台电机进行组合发电和“合频”的工作原理．根据实际需要和安装条件可增加组合的发电机数量。图3是多台电机进行组合发电的原理示意图，由“合频”特性可知，在其他条件相同情况下“合频”电机级数越多最终发出的电能频率越大，或理解为要获得同样频率的电能，“合频”电机级数越多则变速机的增速比可以相应减小，这样就降低了变速机的成本。甚至可省去增速器而实现风机直接驱动发电机。
图3多台电机组合发电组合的原理示意图
“合频”特性还能用于单独发电的风力机群。尽管单台风力机所发出的电能频率可能没有达到要求的频率值。但经过恰当的“合频”最终可输出符合频率要求的电能。
五．多级变速风力发电的实例
设工作风速为从5.5m／s到16.5m／s，在启动风速5.5m／s处叶轮转速为100rpm时，叶轮当量叶尖速比为4，此时风能利用率最大。为降低成本，提高系统变速自动化程度，叶轮到发电机2设计为1级机械变速，速比为5l叶轮到发电机1设计为l级机械变速，速比为2．5l发电机为双速发电机，发电机2的极对数分别为6和2，发电机1的极对数分别为4和2,发电机1的功率约为发电机2的1/4。具体如表l所示。
由表1可知(忽略电机滑差率)，在风速8.25m／s及1lm／s处，2个发电机利用“合频”功能联合发电，发电机1的输出频率接入发电机2的转子电路 在具体应用中，不同级别的风速对应不同的发电方式，风速为7m/s以下时用第1种方式，风速为7m/s到9.5m／s时用第2种方式，风速为9.5m／s到13m／s时用第3种方式，风速在13m／s以上时用第4种方式。
表1 不通风速条件下的发电方式
结束语：多级变速技术是一种风能利用率相对较高、经济实用、简单可靠的风力发电技术。通过上面分析可知。但是它具有突出的特点：与恒速恒频风力发电机相比，多级变速风力发电机的风能利用率显著提高；与变速恒频风力发电机相比。降低了风力机的机械增速比，提高了机械传动系统的可靠性和经济性。在不同风速下。可以进行不同发电机的合理组合，不存在“大功率电机发小功率电能”的现象，提高了发电机的效率和利用率。
参考文献；
[1]陈忠维，胡晓珍，徐献忠，顾平灿，多级变速风力发电技术[J]．可再生能源，2006
[2]李滨波，段向阳．风力发电机原理及风力发电技术[J]．湖北电力，2007
[3]陈忠维，胡晓珍，徐献忠，顾平灿．多级变速风力发电技术[J]_可再生能源，2008
[4]倪受元．风力发电讲座(第三讲)风力发电用的发电机及其机构咖．太阳能，2000