第一节 风力发电机组的分类
1.风力发电机组按风轮的安装形式分类
风力发电机组按风轮的安装形式可分为水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组两种。
（1）水平轴风力发电机组
水平轴风力发电机组分为上风向、下风向及上、下风向都有风轮的双风轮风力发电机组。
上风向风力发电机组是风轮直接面对风向，如图4-1a、d所示，需要有调向装置保持风轮时时面对风向。
下风向风轮是风轮置于下风向，如图4-1b所示，下风向风轮不需要调向装置，风轮会自动对准风向。
双风轮的风力发电机组不需要专门的调向装置，它会自动对准风向。两个风轮转向一致又平衡了由于叶片阻力所形成的反转矩，如图4-1c所示。
水平轴风力发电机组又分为单叶片、双叶片、三叶片、四叶片及多叶片风力发电机组。
（2）垂直轴风力发电机组
垂直轴风力发电机组有多种形式，主要有达里厄垂直轴风力发电机组，如图4-2a所示，旋翼式垂直轴风力发电机组，如图4-2b所示，以及索旺尼斯式垂直轴风力发电机组等。
垂直轴风力发电机组的风轮轴是垂直布置的，发电机可以置于地面上，通过风轮轴、联轴器、增速器直接驱动发电机。垂直轴风力发电机组风轮接受风能的效率没有水平轴风轮高，并且难于自行起动，往往需外动力帮助起动。垂直轴风力发电机组的风轮难以实现功率调节。
2.按风力发电机组功率分为微、小型，中型和大型风力发电机组三种
（1）微、小型风力发电机组
微、小型风力发电机组的功率通常为50W～10kW，基本上都是直驱式，风轮直接驱动多极永磁发电机。电压多为24V、48V，功率较大的为三相交流380V。微、小型风力发电机组靠尾舵调向，调速方式为扭头（折尾）和抬头调速，现代微、小型风力发电机组多以扭头调速，很少用抬头调速。
微、小型风力发电机组常以离网形式独立运行，很少有并网运行的。常与风力发电、柴油机发电和太阳能发电互补成小型独立电网为电网达不到的地区如村屯、嘎叉、苏木、海岛的农、牧、渔民的生产生活提供电力。
图4-1 水平轴风力发电机
a）上风向水平轴风力发电机 b）下风向水平轴风力发电机 c）上风向和下风向双风轮的水平轴风力发电机 d）上风向水平轴尾舵调向的风力发电机
图4-2 垂直轴风力发电机
a）垂直轴达里厄风力发电机 b）垂直轴旋翼式风力发电机
（2）中型风力发电机组
中型风力发电机组的功率通常为10～100kW。早期并网的风力发电机组多为中型风力发电机组，随着风力发电机组的技术不断提高，现在并网的风力发电机已在600kW以上，不再用中型风力发电机并网。现在中型风力发电机组多以离网形式独立运行，单独为地处风能资源区而电网又达不到农、牧场、村屯、嘎叉、苏木、海岛的农民、牧民和渔民的生产生活提供电力，或与风力发电、柴油机发电、太阳能发电互补成为独立电网为电网达不到的风能资源区的农民、牧民、渔民提供生产和生活用电。
（3）大型风力发电机组
功率大于100kW的风力发电机组称作大型风力发电机组。大型风力发电机组主要应用在风电场并网发电。早期的风电场不少风力发电机组的功率都在50～250kW，随着并网风力发电机组功率不断增大，现代风电场用风力发电机组单机容量基本上都在600kW以上，有的单机容量达到3000kW或更大。
3.风力发电机组按驱动形式分类
风力发电机组按驱动方式分为传统式、混合式和直驱式三种。
（1）传统式风力发电机组
所谓传统式风力发电机组是指风轮驱动增速比很高的增速器，增速器再通过联轴器驱动4～6极异步感应发电机的风力发电机组。传统式风力发电机组常用的发电机不论是双馈式异步感应发电机还是双馈式绕线转子异步发电机，它们的转速都在1000～1800r/min，而风轮的转速在10～25r/min，为了风轮转速匹配发电机转速，增速器的增速比达到1∶50～1∶125。现代水平轴并网大型风力发电机组大部分属于这种结构形式，也是风力发电机组几十年来所采用的比较成功的结构形式，笔者称其为传统式。
（2）混合式风力发电机组
所谓混合式风力发电机组就是风轮驱动增速比很低的增速器，增速器再通过联轴器去驱动多极永磁发电机的结构形式。混合式风力发电机组的增速比通常为1∶3.5～1∶7.5，其制造成本比传统式低，并且全效率也比传统式高，寿命也比传统式长。
（3）直驱式风力发电机组
所谓直驱式风力发电机组就是风轮直接驱动多极永磁发电机的风力发电机组。直驱式风力发电机组没有增速器和联轴器，制造成本比传统式低，全效率也比传统式高，寿命也比传统式长。
4.按功率调节方式亦称按调速方式分类
风力发电机组按功率调节可分为扭头调速、叶尖扰流器气动调速和变桨距调速三种方式。
（1）扭头调速
扭头调速是当风速超过额定风速时，风轮对着风向扭转一定角度，使叶片接受风能的面积减小，从而使风轮转速保持在一定转速范围内的一种调速方式。当风速达到切出风速时，风轮叶片旋转平面与风向一致，顺桨停机。扭头调速常用在微、小型风力发电机组上。
（2）叶尖扰流器气动调速
叶尖扰流器气动调速也称叶尖失速调速，这种调速方式都是定桨距风力发电机组采用。所谓定桨距是指叶片按一定迎角固定在轮毂上。叶片尖端有一段叶片可以转动角度，当风速大于额定风速时这段叶片在液压油缸的驱动下转动一定角度使这段叶片失速，对整个叶片转动产生阻力、使风轮保持在一定转速范围内。当风速达到切出风速时，调向系统将风轮顺桨停机。
定桨距叶尖失速功率调节，常用在600kW以下的水平轴风力发电机组中。
早期的定桨距叶尖失速调节风力发电机功率的装置只能在一定范围内调节风轮转速，不具备制动能力，当风力发电机脱网时要靠高速轴上的机械制动来刹车停机。在20世纪80年代之后，将叶尖扰流器成功地用在叶尖失效调节风力发电机组的功率上，并能达到制动风轮的目的。
定桨距叶尖扰流调节功率的叶片是以一定叶片迎角将叶片固定在轮毂上，因而在低风速时叶片接受风能的效率低，换言之，发电机的输出功率小。为了弥补定桨距在低风速的功率损失，通常采用双速异步发电机，例如4/6极异步发电机，在低风速时由6极输出，达到额定风速时切断6极输出接入4极输出电能。如600kW定桨距叶尖扰流器调节功率的水平轴风力发电机组采用4/6极异步发电机，6极时输出150kW，4极时输出600kW；750kW的4/6极异步发电机，6极时输出200kW，4极时输出750kW。
（3）变桨距功率调节，亦称风力发电机变桨距调速
变桨距功率调节是根据不同风速来改变叶片迎角以满足风力发电机组获得足够的功率的过程。它是在轮毂内安装了可以转动叶片改变迎角的液压驱动或齿轮驱动装置及叶片转动的角度传感器。当风速变化时，计算机发出指令让驱动叶片转动改变迎角的机构去转动叶片，使叶片达到最佳迎角以使风轮获得最佳功率。当风速大于额定风速时，叶片转动机构转动叶片以减小迎角，从而减小叶片接受风能的面积，保持风力发电机组有较为稳定的功率输出。
当风速达到切出风速时，叶片转动机构将叶片转动到顺桨位置，叶片失速，没有升力，只有阻力，风力发电机停止运行。
变桨距功率调节有液压连杆驱动和齿轮驱动两种方式。
变桨距功率调节结构复杂，尤其随着风力发电机组功率不断增加，直接驱动几吨重的叶片惯性体转动以满足风速变化是很困难的。变桨距功率调节与定桨距叶尖失速功率调节相比制造成本较高，但变桨距功率调节可以达到低风速获得较好的功率以及额定风速以上的风速获得稳定的功率输出的效果。