在現(xiàn)代的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，由于發(fā)電機(jī)和風(fēng)輪機(jī)之間的配合不當(dāng)而出現(xiàn)一些實(shí)質(zhì)性的問題，諸如擾動(dòng)風(fēng)速下風(fēng)輪不能捕獲最大功率，成本高以及每年掙發(fā)電量少等。為了解決這些問題，提出了一種能使風(fēng)輪輸出最佳化的新型發(fā)電機(jī)。該發(fā)電裝置由永磁發(fā)電機(jī)、電抗器和整流器組成。既沒有需要備用電源的控制電路，又無開關(guān)元件的PWM變換器，在無控制電路的情況下，通過選擇永磁發(fā)電機(jī)和電抗器的最佳組合，二能獲得風(fēng)輪的最大輸出功率。發(fā)電機(jī)有多路繞組，而電抗器與每路繞組串聯(lián)。在新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)與直線葉型立軸風(fēng)輪（SW-VAWT)直接連接的情況下，發(fā)電機(jī)與風(fēng)輪的匹配已通過現(xiàn)場試驗(yàn)論證。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確認(rèn)：擾動(dòng)的風(fēng)速下，新型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)與風(fēng)輪的整合非常理想。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電裝置　　永磁發(fā)電機(jī)　　無控制電路　　整合性

1 前言
　　由于天然資源的枯竭和地球的溫升效應(yīng)，風(fēng)力發(fā)電得到了急速的發(fā)展。但是，在目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，由于發(fā)電機(jī)和風(fēng)輪機(jī)之間的配合不當(dāng)而出現(xiàn)一些實(shí)質(zhì)性的問題：(1)在變動(dòng)風(fēng)速下，經(jīng)常不一定能取得風(fēng)輪的最大功率；(2)初期成本和運(yùn)行成本高；　(3)一年的凈發(fā)電量少，特別在必設(shè)控制電路又未刮風(fēng)或未吹動(dòng)風(fēng)葉情況下，還需要待機(jī)功率，使得每年的凈發(fā)電量減少。對(duì)能解決或緩解這些問題的發(fā)電裝置，定義為“與風(fēng)輪整合性好”的發(fā)電裝置。
　　原來的發(fā)電裝置通常有變頻方式和整流方式兩種。變頻方式中，為在變動(dòng)的風(fēng)速下得到風(fēng)輪的最大功率，利用變頻器進(jìn)行可變速的運(yùn)轉(zhuǎn)。但是由于變頻器控制電路的操作電源需要待機(jī)功率，以及因PWM變換器的開關(guān)損耗，所消耗的功率比低風(fēng)速時(shí)從風(fēng)輪取得的最高功率還要大，有效的凈發(fā)電量成為“負(fù)數(shù)”。待機(jī)功率相對(duì)發(fā)電容量可能占較大的比例，尤其在小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中較為明顯。
　　在整流方式中，將永磁發(fā)電機(jī)的輸出經(jīng)過整流后，輸出直流功率。例如，若按10m/s高風(fēng)速時(shí)取得額定功率設(shè)計(jì)，則在風(fēng)速出現(xiàn)頻度高的5m/s風(fēng)速以下時(shí)，風(fēng)輪處于“空”轉(zhuǎn)狀態(tài)，在此風(fēng)速下即使是風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速高，因發(fā)電機(jī)輸出電壓比作為負(fù)載的直流電源的電壓還低，故不能輸出功率。
　　考慮到這些情況，特別著眼于上述的問題(1)，研究開發(fā)了新方式的發(fā)電裝置。下面，對(duì)此發(fā)電裝置，稱之為“無CC（無控制電路）”的新型發(fā)電裝置。
　　無CC發(fā)電裝置（簡稱無CC），沒有待機(jī)功率，沒有常規(guī)所需的控制電路和由開關(guān)元件組成的PWM變換器，這是由能使風(fēng)輪輸出最佳化的永磁同步發(fā)電機(jī)、電抗器和整流器組合的發(fā)電裝置。
　　將這一“無CC”應(yīng)用于直線葉型立軸風(fēng)輪，進(jìn)行了試驗(yàn)。對(duì)應(yīng)于上述的問題(1)，這個(gè)與風(fēng)輪整合性高的發(fā)電裝置，由試驗(yàn)結(jié)果已得到確認(rèn)。本文對(duì)有關(guān)“無CC”的概要，試驗(yàn)結(jié)果，提高功率特性的策略以及適用的方法予以介紹。
2 獲得風(fēng)輪最大功率的方法
2.1 原理  
　　圖1所示為受風(fēng)面積5m2的直葉型立軸風(fēng)輪(SW-VAWT)。圖2為風(fēng)輪機(jī)的特性曲線。一旦確定風(fēng)輪的形狀，功率系數(shù)Cp與葉尖速比β的關(guān)系也就確定。葉尖速比β由式(1)給出。從而，各個(gè)風(fēng)速下風(fēng)輪輸出最大功率的轉(zhuǎn)速N(opt)則由式(2)給出，N與各個(gè)風(fēng)速成比例。

　　　　　　　　　　
　　β=2π×N×R/V                                           (1)
　　N(opt)=βmax×V/(2πR)=K1×V                  (2)
　　W=0.5×ρ×Cp×A×V³                              (3)
　　W(max)= K2×N³                                      (4)
　　式中，R—風(fēng)輪半徑(m)；N—風(fēng)輪轉(zhuǎn)速(rpm)；N(opt)—各個(gè)風(fēng)速下風(fēng)輪最大功率時(shí)的轉(zhuǎn)速；V—風(fēng)速(m/s)；Cp—功率系數(shù)；β—葉尖速比；βmax—功率系數(shù)Cp最大時(shí)的葉尖速比；ρ—空氣密度(Kg/m3)；W—風(fēng)輪功率(W)；W(max)—各個(gè)風(fēng)速下風(fēng)輪的最大功率；A—風(fēng)輪受風(fēng)面積(m2)；K1, K2—比例常數(shù)。
　　下面，假定風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)在無損耗的齒輪傳動(dòng)下，對(duì)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速予以說明。