1.3.5 采用其他類型發電機的風力發電系統

除前述的幾種主要類型的風力發電系統外，還有采用無刷雙饋發電機、高壓發電機、軸向磁場發電機、橫向磁場發電機和開關磁阻發電機的風力發電系統。

1.無刷雙饋風力發電系統

無刷雙饋發電機轉子為籠型轉子，不需要電刷和集電環，降低了發電機的維護成本，提高了系統的可靠性。采用這種發電機的風力發電系統的主要缺點是定子繞組的設計比較復雜，定子上需要一套功率繞組和一套控制繞組，如圖1.7所示，實現起來比較困難。這種系統也是目前的研究熱點之一，國內的無刷雙饋風力發電機的設計還在理論研究階段。

2.高壓發電機風力發電系統

一般風輪發電機的工作電壓是690V，因此需要在艙內或風塔底部設置一臺變壓器。若發電機的電壓與電網電壓匹配，則不需要變壓器就可以并網。ABB公司于1998年研制出一種高壓發電機風力發電系統，如圖1.8所示。該系統采用高壓永磁發電機直接與風輪機相連，變槳距角控制，采用高壓直流（HVDC）輸電的連接方式實現系統并網，輸出功率可以達到3MW，輸出電壓不低于20kV。該系統中每臺發電機輸出端都可以經過整流裝置直接連接到直流母線上，再經過逆變器轉換為交流電輸送到當地電網；若要輸送到遠方電網，則通過升壓變壓器接入高壓輸電線路。

這種系統的優點是整合了發電機和升壓變壓器，使機組元件數量大大減少，系統的有功損耗和無功損耗都大大降低。其發電機側輸出的電壓在20kV以上，直接通過HVDC輸電方式把電能輸送到負荷端，分散式的不可控整流提高了機組效率和運行可靠性。其主要的缺點是整個系統的成本較高，無法保障其長期性能和安全性。它的安全要求比低壓發電機更復雜，高壓發電機、電力電子裝置和輔助裝置（如開關裝置），隨著發電機容量的增加而顯著地增加。整個系統的長期運行性能如何還有待進一步深入研究。

3.軸向磁場風力發電機組

軸向磁場發電機的磁通是軸向通過氣隙的，而發電機的外形是盤式結構的，故又稱盤式發電機。軸向磁場發電機具有軸向尺寸短、質量輕、體積小、結構緊湊、轉動慣量小、定子繞組散熱條件良好、可獲得很高的功率密度等優點，還可以采用多定子、多轉子的多氣隙結構來提高輸出功率。如果發電機的極數足夠多，軸向長度與外徑的比例足夠小，那么軸向磁場發電機比徑向磁場發電機的轉矩和功率密度要大。因此，軸向永磁同步發電機是最適合用于風力發電的直驅型風力發電機。

世界上第一臺發電機就是軸向磁場永磁發電機，是法拉第于1892年發明的，但受當時永磁材料的性能和生產工藝水平的限制，未能得到進一步發展。隨著永磁材料性能的改善，電機制造工藝水平的提高，以及新材料（軟磁復合材料SMC，非晶材料）的使用，軸向磁場永磁發電機重新得到了電機界的重視。

國外較早關注軸向磁場發電機，研究主要在軸向磁場發電機的性能提升、結構簡化、加工工藝、降低成本方面。國外已將軸向磁場永磁發電機應用在新能源電動車輛、風力發電系統、便攜式鉆設備、直驅電梯電機系統、電磁飛船發射系統中。圖1.9所示為傳統的艙式直驅軸向磁場永磁風力發電機組。圖1.10所示為輪輻式直驅型軸向磁場風力發電機組，該方案由挪威科學家提出，將風力發電機安放在風輪機的輪轂位置，可以去除傳統的輪轂結構，使機組質量減輕，成本下降。挪威科技公司已經設計出10MW的軸向磁場風力發電機組，風輪機轉子直徑為164m，發電機質量為164噸，而傳統的同容量直驅徑向磁場風力發電機重達375噸。該發電機采用雙轉子、單定子、無定子鐵芯結構，這樣可以消除單邊磁拉力，沒有齒槽轉矩，發電機的效率很高，但是永磁體用量較多。

4.橫向磁場發電機

應用于風力發電系統的發電機要求具有較高的密度，而傳統永磁發電機雖然質量相對輕些，但存在定子齒槽在同一截面、幾何尺寸相互制約的缺陷。橫向磁場發電機（TFG）的定子齒槽和電樞線圈在空間上互相垂直，磁路方向沿轉子軸向方向，定子尺寸和線圈尺寸相互獨立，實現了電路與磁路的解耦，即可以同時實現高電負荷和高磁負荷。而且，TFG的磁路是三維的，給轉子磁路的設計帶來了很大的靈活性。它的運行特性與同步發電機的運行特性相同，它的運行機制又類似于永磁發電機。它可以有很多極，如果把它設計成多極對發電機，就可以應用于直驅風力發電系統。

然而，TFG有一個相對大的漏抗，在正常運行時功率因數很低；且有許多部件，工藝較復雜，成本較高，運行控制較困難。但隨著粉末技術的提高，這些情況可以得到改善。總之，TFG在風力發電系統中的應用還有待進一步研究。

5.開關磁阻發電機

開關磁阻發電機結構簡單、堅固、成本低，具有故障容錯運行能力，但功率密度和效率不如永磁同步發電機，而且它對電力電子變換裝置的性能要求較高，系統控制較為復雜，只適宜應用在30kW以下的風力發電系統中。