改进的特大型垂直轴风力涡轮发电机系统

摘要

本发明公开了一类超大型垂直轴风力涡轮发电机组技术，所述涡轮机为10MW或以上功率级超大型机组，首先从结构力学的角度，将英国Arup公司的二叶片单臂AerogeneratorX设计改进为二叶片双臂的三角形设计，克服了悬臂梁大剪切应力导致的结构强度低的弱点；其次通过增加萨沃纽斯涡轮机可增加起动力矩和使驱动力矩更平稳，同时也增大了机组输出功率；配合新型发电机和新型电机变流器技术构成风电大系统，使系统成为集国内外最新技术的、工业化实施程度高的超大型垂直轴风电机组。

权利要求

1.一种特大型垂直轴风力涡轮发电机系统，系统由涡轮机(1)、发电机(2)、变流器(3)和制动器(4)组成，其特征是，涡轮机(1)为阻力型和升力型复合的结构，其中心轴处设置有S形叶片的萨沃纽斯阻力型风机，其外围为短主轴(10)的二叶片双臂V型风叶升力型结构；

双臂风叶叶片的远端相互连接，以消除单薄的悬臂梁结构，双臂又与短主轴构成牢固的三角形结构；双臂风叶叶片的近端则固定在主轴上下部的不同位置，将长主轴缩短为短主轴(10)；远端连接为特制的连接件的永久性结构，或二叶之间接触平面上的紧固件连接。

2.根据权利要求1所述的特大型垂直轴风力涡轮发电机系统，其特征为，对10MW涡轮发电机设计的主轴(10)长度为30～60米。

3.根据权利要求1所述的特大型垂直轴风力涡轮发电机系统，其特征为，轴心处的S型风叶萨沃纽斯风机的二个半圆形叶片反向对称布置、分列在主轴(10)两边，并牢固植入两端固定架，叶片与主轴间留有足够间隙，以使进入半圆内的风流能自由流出；S型风叶萨沃纽斯风机的对称轴与达里厄风机的对称轴相互垂直且受风作用力矩方向一致。

4.根据权利要求1所述的特大型垂直轴风力涡轮发电机系统，其特征为，萨沃纽斯风机S形叶片形状为半圆形、椭圆形或流线型、或不对称边的升力型。

5.根据权利要求1所述的特大型垂直轴风力涡轮发电机系统，其特征为，发电机(2)为直驱型的同步发电机、感应子发电机或同步加异步二次发电风力发电机。

6.根据权利要求1所述的特大型垂直轴风力涡轮发电机系统，其特征为，变流器(3)是电子变流器或电机变流器。

7.根据权利要求1或权利要求6所述的特大型垂直轴风力涡轮发电机系统，其特征为，变流器(3)为DC/AC自耦逆变发电机。

8.根据权利要求1所述的特大型垂直轴风力涡轮发电机系统，其特征为，制动器(4)是混合式的制动系统，混合式的制动系统由电磁涡流制动器、机械磨擦制动器、抱闸制动器三大部分组成，分工协同，完成整个制动过程。

说明书

改进的特大型垂直轴风力涡轮发电机系统

技术领域

[0001] 本发明属于机械电气技术领域，具体地说，是提出一种采用垂直轴风力涡轮机动力驱动的发电系统装置。

背景技术

[0002] 由风力涡轮机(以下也简为风轮机或风机)构成的风力涡轮发电机系统，是将风的动能转变为适合发电机轴能接受的机械能，然后带动发电机旋转的新能源发电装置。在现有广泛使用的水平轴涡轮机中，在风力发电过程中，涡轮机的产能是第一位重要的。产业实践证明，单机功率的增大，有利于降低单位功率装机容量的成本和风力发电的度电成本。因此，单机额定功率容量不断增大，水平轴涡轮机的单机功率已普遍从上世纪末的兆瓦级升高到目前的3～6兆瓦级，目前正在向10～20兆瓦级的目标发展，这是近期来风电技术演进的总趋势。

[0003] 目前特大型风力涡轮机存在以下诸多技术难题：

[0004] 1、对单机功率为10MW级水平轴涡轮机而言，其叶片长达80～100米，三针式叶片为悬臂梁结构，单端固定在轮毂上，存在巨大的剪应力，结构强度低，易为强风损坏，必须采用结构强度更高的碳纤维材料，材料和工艺成本非常高，尤其在抵抗强烈暴风下的生存能力方面还显得不足；此外，随着功率的增加，发电机加重、塔筒高度增大，电气、塔筒和地基建造成本随之而大增，使整机成本急聚升高；

[0005] 2、如果采用10MW级垂直轴的达里厄涡轮机，虽然叶片为双端支承，克服了悬臂梁单端支承的缺点，但其主轴的长度很可能超过百米，为保证转动时的低晃动度和刚度，其制造成本将远大于水平轴的主轴，需要高强度刚度的长主轴几使垂直轴涡轮机省略水平轴机组塔筒成本的优势丧失殆尽；

[0006] 3、此外，由于达里厄垂直轴涡轮机自起动能力不足，必须考虑额外的启动装置，特别是在低风速时，机组自起动能力不足，另外，当两叶片达里厄涡轮机的叶片中轴线与风向相同时，即使风速很大，也不可能起动，所以达里厄涡轮机的起动特性也是一个有待改进提高的技术课题；

[0007] 4、虽然两叶片达里厄涡轮机的成本较三叶片或多叶片低，但在风机整个360°转动过程中，风能驱动产生的转动力矩波动十分严重，虽然可为机组巨大惯性所[平缓，但还是会造成发电机输出功率相应的变化，将直接影响电能质量。

发明内容

[0008] 本发明要解决的任务是，针对以上四大技术难题，本发明的解决方案，是采用二叶片双臂风叶的短主轴达里厄垂直轴涡轮机的结构；并在双臂达里厄风叶的近端，采用S形风叶提高起动能力和平稳力矩问题。

[0009] 一种特大型垂直轴风力涡轮发电机系统，系统主要由涡轮机(1)、发电机(2)、变流器(3)和制动器(4)组成，其特征是，涡轮机(1)为中心轴处设置S形叶片萨沃纽斯风机的短主轴(10)的二叶片双臂达里厄风叶结构；发电机(2)为幅条式或空心式结构的直驱大直径发电机；制动器(4)为混合式制动系统。

[0010] 按照上述解决方案所获得的风力涡轮机，其叶片为成三角形双臂连接， 增加了叶片的强度和刚度，将有效抵御强风侵袭；主轴长度大幅减短，不易晃动且制造成本低；S形叶片可有效增加涡轮机起动力矩且减少涡轮机驱动力矩的大幅波动，使机组能在较低的风速下更容易起动发电，驱动力矩较平衡，波动小；其次，双臂连接的叶片加上S形叶片都可以增加涡轮机截风能力，增大机组的输出功率；发电机、变流器和制动系统的创新加在一起，使机组在工业制造后的整机性能发挥超大型风机的技术优势。

附图说明

[0011] 图1、传统达里厄垂直轴风力涡轮机简图。

[0012] 图2、公开知识的创新型半臂达里厄风机外形视图。

[0013] 图3、公开知识的创新型半臂达里厄风机平视结构简图。

[0014] 图4、本发明的双臂达里厄风叶垂直轴涡轮机平视结构简图。

[0015] 图5、本发明的带S形叶片的双臂达里厄风叶垂直轴涡轮机平视结构简图。

[0016] 图6、带S形叶片的双臂达里厄风叶垂直轴涡轮机俯视结构简图。

[0017] 图7、几种萨沃纽斯风机S形叶片结构形状图。

[0018] 图8、带幅条的大直径永磁直驱同步发电机结构简图。

[0019] 图9、大直径直驱空心式感应子发电机结构简图。

[0020] 图10、同步/异步二次发电风力发电机原理图。

[0021] 图11、本发明的涡轮发电机系统简要框图。。

具体实施方式

[0022] 当前的大型风电机组，主流型是2-3MW的水平轴双馈机型。水平轴风力涡轮机，通常为细三针环氧树脂叶片，根端固定在轮毂上，通过轮毂连接到主轴，带动主轴旋转输出机械能，再通过发电机和变流器将机械能变成恒频恒压电能输入电网。三针式叶片采用悬臂梁结构固定，悬臂梁结构叶片剪切应力大，结构强度低，受风力作用容易损坏，这是水平轴风机最致命的弱点。因此，当功率增加到超大功率的10MW水平时，叶片必须采用结构强度更高的碳纤维材料，致使材料成本和工艺成本大幅升高，尤其在抵抗强烈暴风下的生存能力方面更显不足。

[0023] 垂直轴风力涡轮机叶片的支撑点多，特别是Φ型达里厄风机，叶片二端点获得足够支撑，剪切应力大大降低，抗风能力显著增强，此外，垂直轴风机无须偏航对风，无水平轴风机偏航时的陀螺效应力矩，传动和发电机都可以安装在地面上，省却塔筒等等，优越性明显。

[0024] 垂直轴风力涡轮机有两大类——阻力型和升力型，阻力机型有平板型、风杯型和S型等多种结构形式，阻力机型的主轴两边风叶产生反向旋转力矩，所以必须使两边风叶的风阻力产生差异，利用阻力差产生定向旋转力矩，阻力型有较大的启动力矩，但尖速比低，在风轮尺寸、重量和成本—定的前提下，提供的功率输出低。升力机型通常采用翼型剖面的叶片，主轴两边风叶可以产生同方向的旋转力矩，它的启动力矩较低，但尖速比可以很高，对于给定的风轮重量和成本，有较高的功率输出，是大型垂直轴风机的首选机型。

[0025] 典型的大型垂直轴涡轮机是由法国工程师达里厄(G.J.M.Darrieus)于19世纪30年代发明的，是现代垂直轴风力涡轮机的开山鼻祖。在20世纪70年代，加拿大国家科学研究院对此进行了大量的研究，成为当今水平轴风力发电机的主要竞争者。达里厄式风轮是一种升力型涡轮机装置，弯曲叶片的剖面是翼型，发展到现在有多种形态的达里厄式风力发电机，如Φ型，△型，Y型和H型等。这些风轮机通常设计成二叶片，三叶片或者多叶片，从性能、造价等各种因素考虑，二叶片或三叶片的Φ型达里厄风机用得较多。

[0026] 图1为传统Φ型二叶片达里厄风机简图。图中，两片半圆外形风叶对称连接到主轴两边，由于采用双端连接的叶片，所以涡轮机强度和刚度优于水平轴风机单端连接的悬臂梁结构，结构牢固应力小。垂直轴风机不需要偏航对风装置，发电机可以安放在较低位置甚至可以放在地面，这对安装和保养十分有利，以上都是垂直轴涡轮机的优点。但是达里厄涡轮机最大的结构缺点是其主轴太长，这么长的主轴，要保证涡轮机总体的强度刚度都存在难度，不但制造成本很高，而且在转动过程中，如何防止晃动，也是需要颇费精力解决的技术难题。

[0027] 针对以上技术难题，本发明的解决方案首先摒弃悬臂梁结构的水平轴涡轮机，选择达里厄垂直轴的双端支承叶片的技术路线。

[0028] 水平轴风机发展到MW级和数MW级，为此，各国也在探索同样大功率级别的大型和超大型垂直轴风机。经过不断的探索努力，英国Arup公司推出的AerogeneratorX设计，将达里厄取下半段，然后在风叶顶端加上很小的端部风叶，构成的一种变相达里厄垂直轴涡轮机，这样一来就省略了达里厄风机的长主轴。据其公开报道的参数为：

[0029] 1、风叶顶点之间的距离：274米，

[0030] 2、叶片高度：183米，(可算得叶片长度约为310米)，

[0031] 3、转速：3转/分，

[0032] 4、塔头重量：约500吨，

[0033] 5、额定功率：10MW。

[0034] 从结构物理学角度看，英国的AerogeneratorX设计，是对法国达里厄原型进行了重大创新，相当于将达里厄Φ型机省略上半段而截取下半段所形成的一种简化形式，从而去除了冗长的主轴，经过这样一种简化，昂贵难做的主轴就被取消了，根据该公司发布的参考图，分析该机组的外形视图和结构平视简图分别见图2和图3。

[0035] 从图2和图3中可大致分析其基本结构为，在方型(也可以是圆形)基础平台上安放有发电机，发电机轴上有一个扁平Y形轮毂，Y形上端的V字形二叉插入或安装主风叶，轮毂下端连接主轴。主风叶为翼形，二叶片以轴为中心对称分布，翼形方向相反，以在同方向的风中产生相加的同向力矩，两力矩形成共同的驱动力矩。二叶片的远端各安装一对端部辅助风叶，辅助风叶除中部与主风叶连接外，还有4根细长圆柱结构加固。

[0036] 按以上分析，AerogeneratorX设计在取得省略主轴优越性的创新确实可圈可点，有显著进步。但是也应看到，在克服一个缺点的同时，另一个缺陷又冒出来，那就是风叶的悬臂梁结构又回复了，出现在AerogeneratorX设计中的悬臂梁结构，这又恢复了水平轴风叶的强度刚度低这一大缺陷。

[0037] 本发明的目标是在法英两国技术创新成果的基础上，创造出一种更坚固高效实用的超大型垂直轴风力涡轮机。具体目标就是对AerogeneratorX作创新改进。改进的技术路线之一是，首先克服其悬臂梁结构的缺陷，采用了双臂达里厄风叶，就是将单臂风叶改变为双臂风叶。双臂风叶叶片的远端相互连接，以消除单薄的悬臂梁结构，双臂又与短主轴构成牢固的三角形结构，恢复了Φ型达里厄涡轮机应有的强度刚度，但又消除了Φ型达里厄的长主轴。双臂风叶叶片的近端则固定在主轴上下部的不同位置，所以其主轴的长度很短，晃动量小，制造成本也不大。两叶片近端固定的位置宜离得远些为好，这样可以减少二叶片扰动空气产生的涡流干扰，减少能量损失，提高涡轮机截能效率。当然，安装位置离得太远会使主轴长度大大延长，这又回到了达利厄涡轮机主轴长、制造成本高的弊端，所以在工程设计中，应选取合 适的长度，如果按照AerogeneratorX设计，可选主轴长度约在30～60米间。可见，30～60米相对于AerogeneratorX设计中约为310米的叶片长度还是很小的，所以本发明所增加的主轴长度有限，其晃动度和经济性都可控制在合理的工程技术和成本核算范围内，但双臂达里厄风叶的强度刚度优势显露无疑。

[0038] 图4为本发明的双臂达里厄风叶垂直轴涡轮机平视结构简图。图中，(11)为达里厄风机的下叶片，(12)为达里厄风机的上叶片，两叶片的远端相连接，连接的方式可以采用特制的连接件的永久性固定连接方式，也可以采用在二叶之间接触平面上的紧固件可拆卸连接方式，图中所示为前者。上下叶片以双臂风叶的形式连接后可以相互依靠支撑以增加强度刚度，克服单端连接悬臂梁结构的缺陷，两叶片的近端则连接在主轴(10)的下端和上端，成三角相互支撑的态势。整个风机有两片双臂风叶，每个双臂风叶有上下两张叶片，包括叶片及其远端连接件都为翼型，都可通过升力获取风中的动能，单独的连接件起尺寸可能相当于一个百kW级的Φ型二叶片达里厄风机，但由于其远离轴心，力矩更大，所以功率可增加到近kW级的水平。从图中可以看出，所设计的风叶由单片改为双片后，恢复了基本达里厄风叶的强度刚度，既是对水平轴风机悬臂梁结构的改进，同时达里厄风机的长主轴也大为缩短，可见，本发明既克服了水平轴风机或AerogeneratorX设计叶片悬臂梁结构强度刚度不够的缺点，又克服了达里厄Φ型风机长主轴晃动和制造成本高的缺点。

[0039] 本发明提出的改进之二，是需要解决达里厄垂直轴风机的起动力矩不足的问题，以及涡轮机在转动过程中力矩的大幅波动问题，这二大问题是二叶片达里厄风机所特有的技术问题，同样存在于AerogeneratorX设计中。

[0040] 解决达里厄风机起动问题的方案是在轴心处增加S型风叶风机。S型风叶风机又称萨沃纽斯(Savonius)型垂直轴风机，具有部分升力，但主要还是阻力型，萨沃纽斯装置有较大的启动力矩，在本发明的短主轴双臂达里厄风叶结构中增加S型风叶，可有效解决垂直轴风机的起动问题。

[0041] 图5为本发明的带S形叶片的双臂达里厄风叶垂直轴涡轮机平视结构简图。图中，(131)为S形叶片的上端固定架，(132)为S形叶片的下端固定架，固定架可以是长方形，也可以是圆形或其他合适形状，两个固定架由主轴(10)所连接，以保证有较大的结构牢度，不为强风所损。

[0042] 图6为带S形叶片的双臂达里厄风叶垂直轴涡轮机俯视结构简图。由S形叶片构成的萨沃纽斯风机总成(13)中，包括了上端固定架(131)、下端固定架(132)和二个半圆形叶片(133)。二个半圆形叶片反向对称布置、分列在主轴(10)两边，并牢固植入两端固定架，叶片与主轴间留有足够间隙，以使进入半圆内的风流能自由流出。

[0043] 由于本发明采用二叶片的达里厄风机，这样一种结构，在风向风速一定时，涡轮机运转过程中由风能所产生的旋转力矩是随叶片所处角度位置而不断变化的，当风机的叶片中轴线与风向垂直时，力矩最大；当风机的叶片中轴线运转到与风向平行位置时，涡轮机所产生的力矩最小，也就是说，在该位置时，起动力矩也几乎为零。对萨沃纽斯S形叶片而言，二叶片风机也存在运转过程中由风能所推动的旋转力矩不断变化的现象，但当双臂达里厄风叶与S风形叶片的对称轴成直角安装、位置相互交错布置时，即在双臂达里厄风叶由风推动的力矩为最小位置，恰好是S形叶片风机风推动力矩最大位置；同理，在双臂达里厄风叶风机风推动力矩最大位置，恰好是S形叶片风推动力矩最小位置。也就是说，二者的对称轴相互垂直且力矩方向一致，就能产生互补效应，能使涡轮机系统的总推动力矩趋于稳定和平衡，解决了背 景技术中的第2和第3问题。

[0044] 图7为几种萨沃纽斯风机S形叶片形状图。S形叶片形状对于萨沃纽斯风机的截风效率、运行转速有很大影响。图7仅为S形叶片的结构形状的几种简要例子，不代表全部可能的设计案例。由于S形叶片的大小和形状的产能效率，将决定该种涡轮机能从风动能中所获得机械能的数量，所以其设计的要求很高。特别是形状，在一定的材料成本基础上，设计水平的高低至关重要，首先要考虑他所受到的风推力，推力越大，所获风能也大，其次考虑风阻力，通常如果一边叶片受到风推力，则另一边叶片受到风阻力，二者之差才能形成驱动力矩。最简单的叶片形状是半圆形，如图7a)所示，半圆形叶片可以用最省的材料得到最大的风推力，但其风阻力也很大，所以并不是最理想的叶片形状。图7b)为椭圆形或流线型叶片，由于流线型叶片的风阻力较小，但风推力却与流线形状无关，所以其风推力与风阻力的差增大，截风能力优于半圆形。图7c)为不对称边形的S形叶片，利用不对称边产生的升力，可以更好地增加S形涡轮机的升力力矩，提高风能转化效率。由于S形叶片兼具阻力型和升力型的两种不同类型的产能特性，所以通过理论和实验，可以设计出多种形状，本发明只能配合10WM大型机组的需要，举出三种形状的实例，不可能概括更多种类形状。

[0045] 关于S形叶片的上下端两块固定架，图5中所标示的是长方形形状，在图7中显示为三种不同的形状，例如，图a)和图c)为椭圆形，而图b)为根据特定S形叶片的不规则形状，其材料成本最低。当S形叶片的形状和位置确定后，就可设计出固定架的确实形状，处于节约材料、减轻整机重量的目标，固定架也可采用其他结构件。例如非整块的固定架。

[0046] 发电机处于将涡轮机的机械能转化为电能的能流链的重要环节，所以发电机也是整个系统中的重要部件。由于超大型涡轮机的转速很低，而低速发电机的体积大成本高，所以现有大功率风电机组采用加齿轮箱增速的技术方案，这样就可以采用质轻价廉的发电机，例如双馈型风力发电机，双馈型风力发电机是当今主流的机型。当然，采用齿轮箱的高速同步发电机，同样可以降低发电机成本，也是一种合理的选择。但是，齿轮箱增速不但要增加齿轮箱的成本，而且齿轮箱的故障率高、维护保养成本大。所以本发明改进之三为采用特殊结构的较先进的低速直驱发电机的方案。

[0047] 通常所指直驱机型为同步发电机机种，按磁场不同可分为永磁和励磁两大类型。永磁机的效率高，不需要电刷，但输出电压调节性能差，输出电压随转速变化波动大，制造成本高。励磁型机的发电机输出电压调节性能好，通过励磁调节输出电压随转速变化波动小，制造容易，价格也较低，但因增加了励磁耗电，效率稍低于永磁机，另外还需要电刷，增加了故障和保养费用，也是其缺点。

[0048] 在现有的传统直驱风力发电机中，通常的技术路线是采用多极发电机，而本发明采用了带幅条或不带幅条的空心定子的大直径同步发电机新结构。

[0049] 图8为带幅条的大直径永磁直驱发电机结构简图。该直驱机型属于同步机型，由于风机转速很低，致使直驱发电机的磁场对电枢绕组的切割速度也很低，采用大直径发电机后使磁场切割速度增加，同样匝数绕组的输出电压升高，发电机功率倍增，但通常大直径的发电机成本会按二次方比例增大，使发电机性价比反而降低。采用带幅条的大直径电机后则成本仅按比一次方稍大些的比例增大，所以发电机成本增加接近线性比例，发电机经济性高。带幅条的大直径电机结构就是以幅条定子架代替整体的定子结构，增大电机 直径，节省硅钢片的成本，此外，幅条间空隙扩大了散热空间，也便于人员进入电机内部检查维修。带幅条的大直径发电机结构既适用外转子驱动方式，也适合内转子驱动方式，但内转子上采用的是转子幅条而不是定子幅条。

[0050] 图8为该同步发电机的轴向视图，在图8中，采用外转子驱动方式的带幅条定子结构。以永磁式为例，转子磁轭(24)上镶嵌有多极永磁体(25)，通常都采用磁能积较大的钕铁硼超强磁体，磁体极性S和N极交错对称分布在转子磁轭上，图中描绘的磁极是显极结构，也可以做成隐极结构。定子磁轭(22)上冲剪出许多线槽，线槽中镶嵌有电枢绕组(23)。(21)为电机定子的幅条，(10)为涡轮发电系统的主轴。(20)为主轴与定子间的主轴承。本同步发电机方案在驱动形式上也可以采用内转子，但内转子只能在转子上加幅条，与定子无关。在结构上发电机也可以采用不带幅条的空心定子，在磁场结构上也可以采用励磁型，每种不同结构不便在此——例举。

[0051] 图9为不带幅条的空心定子大直径直驱感应子发电机结构简图。定子不再靠幅条保持与转轴的空间关系，而是靠固定的定子架确定与轴心的空间位置，定子体则座落在定子架上，从而在电机的芯部构成更大部的空间，有更宽阔的散热和工作面，例如可在定子内部供布置散热设施，以改善电机的温升特性，利于电机增加功率输出。图9的空心定子大直径结构可以适用于感应子发电机，也可适用于同步发电机。

[0052] 感应子发电机是—种无刷结构电机，磁场和绕组都在定子上，转子磁轭上仅有齿和槽，齿部的磁阻小导磁率高，槽部的磁阻大故不易导磁，当转子转动时，齿和槽交替经过绕组面，使绕组中的磁流改变从而在绕组中感生电压并向外输出电流。转子磁轭(24)上有齿(25’)。定子磁轭(22)上有冲剪出的交流线槽和直流线槽，线槽中分别镶嵌有交流绕组(23’)和直流励磁绕组(26)。感应子发电机也有永磁型的，将直流励磁绕组换成永磁体就可以工作，永磁体同样安装在定子上，N极和S极交替相邻，对称分布在定子外圆面上，N极和S极中间则布置有交流绕组(23’)。

[0053] (21’)为电机定子的空心部分，主轴(10)外有一个隔离保护区(211’)以防止转轴与定子中的人和物碰撞，涡轮发电系统的主轴穿越发电机中心部。涡轮机的主轴也可设计为不再穿越发电机定子的结构形式，那就是在发电机上部设置2个轴承，这样的机构，称为全空心结构定子。图中标示的为半空心结构定子，因为在电机下部还有一个轴承，所以轴必须穿越发电机。图9的空心定子感应子发电机必须采用外转子结构，当然也可采用内转子结构，但内转子结构只能成为空心转子，无法成为空心结构定子，因为该空间已被转子占据。

[0054] 本发明的发电机，除了以上阐述的两种发电机外，还可以采用第三种发电机，称为“同步/异步二次发电风力发电机”。同步/异步二次发电风力发电机由同步发电机和异步绕线式发电机两个电机同轴连接而成，这种连接包括机械连接和电气连接，即两电机的转子绕组互相连接。该机容易获得大功率输出，且电压调节能力强、调节性能好，又是天然的无刷机型，即使励磁型机也不需要电刷，这是其显著的优点，非常适合10MW机组，因为只要在原有5MW直驱机组后面加上同一极数的异步绕线式电机就可成为10MW输出的发电机。

[0055] 图10为同步/异步二次发电风力发电机原理图。同步/异步二次发电机又称PCT发电机，PCT是极组合技术(Poles Combination Technology)的缩写，原意在将低速多极发电机的磁极拆分在二个电机体内以达到多极化和无刷化的目的。图中，PCT的左半部定转子构成一台转枢式励磁型同步发电机，励磁绕组在定子端，转子上的电枢绕组将输出一组其旋转场与转速方向相反 的三相交流功率。图10右半部定转子为一台异步绕线式发电机，结构与传统的双馈异步风力发电机相似，转子绕组为输入端，定子绕组为输出端。

[0056] 从图10中可以看出，如果将同步机转子绕组与异步机转子绕组反相序连接，那么由同步机输出的电功率将在异步机转子中产生一个与转速同方向的旋转磁场，该旋转磁场将加速切割异步机定子的电枢绕组，定子绕组将输出加倍的电功率，二次发电的机理得以实现。这时，如果二台发电机的极对数分别为P1和P2，那么该PCT同步/异步二次发电机就相当于一台极对数为(P1+P2)的普通电励磁型同步发电机。PCT同步/异步二次发电机的结构原理同样适合永磁直驱结构，只要将图10同步发电机中的磁场绕组去除后改用永磁体即可实现结构转化。

[0057] 同步/异步二次发电机的磁场在定子上，无需电刷滑环，一次发电后同步机转子电能可以通过后面异步机的定子输出；对于后面的异步机而言，虽然现有的传统双馈发电机的转子上也必须有电刷滑环，用来输送转差功率，但在同步/异步二次发电机中，异步机转子部分的馈电，恰巧可以通过前面的同步发电机转子绕组直接提供，当然也无需电刷滑环。所以不难看出，同步/异步二次发电机的转子功能，都被转移到串联机组另一半的定子上了。从本质上讲，同步/异步二次发电机转子上不需要任何电子器件，具有天然的无刷功能优势，所以同步/异步二次发电机的可靠性远胜现有的需要旋转整流器的任何无刷同步发电机。

[0058] 同步/异步二次发电风力发电机的具体结构，详见ZL200420091099.2《低速无齿轮箱直接驱动的瘦长型风力发电机》。

[0059] 在以上所提出的三大类发电机结构的实例中，定子结构可以是带幅条的大直径或不带幅条的空心定子大直径发电机，每一种发电机既可以是永磁型或励磁型，磁极是显极结构，也可以做成隐极结构，也可能是外转子型或内转子型。

[0060] 图11为本发明的涡轮发电机系统简要框图。图中，由风力涡轮机(1)截取风中动能，产生涡轮机的机械能，该机械能输入发电机(2)，转化为电能，由于大功率风电系统都采用变速涡轮机技术路线，所以发电机输出交流电的电压和频率都随风速的变化而波动，恒频恒压的功能就落在变流器(3)上。同时系统的制动器(4)也是必不可少的。

[0061] 本发明的变流器采用电子变流或电机变流，变流器的作用是将发电机输出的变频变压的交流电改变为可以进入电网的恒频恒压交流电，是完成能量输出链的最后环节，直接影响到输出电能的质量。电子变流器内必须先由整流器将交流电改变为直流电，然后将该直流电转换为恒频恒压的交流电。对于不可调压的永磁型发电机，由于发电机输出电压受转速变化上下波动，通常还需要有一个直流升压器以维持直流电压的稳定，然后通过逆变器将直流电改变为恒频恒压交流电输入电网GRID。逆变器通常以四象限的PWM或SPWM脉宽调制方式工作，既可输出有功功率，也可输出一定的无功，帮助电网维持电压稳定，因此，变流器必须符合电网并网标准，具有低电压穿越功能。按照传统，本发明可以采用电子变流器AC/DC/AC。

[0062] 本发明的改进之四是采用电机变流器，所述的电机变流器不是以往的电动-发电变流机组，因为电动-发电变流机组必须有两个电机的成本，经过二次机电能量变换，所以机组成本高效率低，不可能与电子变流器相媲美，而本发明提出的新型电机变流是，先把频率和电压变化的交流电整流成直流电，通过直流升压器稳定直流电压，最后通过单一电机电枢实现DC/AC电能变换装置，相当于直接将直流电斩波换流成为交流电，调节输出交流电 的功率因数则采用改变直流电压大方式完成。变流器系统只有电动-发电变流机组一半的成本，而其变换机理也是由电机换向器直接对直流电斩波分相成为交流电，不存在机电能量转换和转换所引起的能量损耗，具有低成本高效率的技术优势，足可与电子变流器相竞争，而电机变流器的其他更大的技术优势有：由于电机所受电压、电流冲击能力、瞬间热负荷承受能力等性能都远高于电力电子器件，所以其可靠性优于电子变流器，低电压穿越性能(LVRT)更大大超越电子变流器；此外，电机变流器的换向片多达几百片，切换时所产生的谐波量小，大多是纯正的正弦波，而电力电子器件价格昂贵，所使用的换流器件数量有限，致使变换过程中出现大量谐波，不但增加滤波器成本，还可能对电网造成电磁污染，对其他并网设施造成电磁干扰。有关电机变流器的详细内容和具体结构可参阅201210420878.1《DC/AC自耦逆变发电机》相关专利文件，不必在此论述。

[0063] 图11中的制动器(4)也是大型垂直轴风电涡轮机必不可少的重要部件。系统维修时，必须通过制动器使系统确保不转动以保护人身安全，在遭遇特大强风时，如果不及时使系统停转，或顺风避风，系统很可能被强风摧毁，甚至发生机毁人亡的重大事故。由于涡轮机的转动惯量远大于其他机电部件的转动惯量总和，所以本发明系统的制动难度极大，为此本系统采用混合式的制动系统。混合式的制动系统由电磁涡流制动器、机械磨擦制动器、抱闸制动器三大部分组成。主要通过电磁涡流制动器消耗高速转动能量，机械磨擦制动器则消耗中低速转动能量，最后由抱闸制动器刹停车。电磁涡流制动器上有自动喷水降温装置，以消除制动器所产生的大量热能，达到有效制动和保护制动器的作用。

[0064] 本发明中的下叶片，如按照AerogeneratorX设计中约为310米的尺度，那么加上上叶片、端部连接处的Φ型叶片和S形风机所截获的风能总和，经过优化设计，所增加后的整机功率很可能要比原型设计翻倍，达到20MW的水平。或者也可以说，按适当比例缩小总体尺寸，翼展达到约200米左右的规模，使总功率达到10MW的水平，那么，本发明的实施难度小、造价低和性能指标将超过AerogeneratorX(以下简称前者)的原型设计。

[0065] 首先是解决了前者的单臂梁结构承受剪切应力大，强度刚度低的问题，使本新型的抗强风能力增大，生存寿命延长。其次，由于增加了S形风机，可使机组增加起动能力，增加两种风机的互补能力，使本发明中的风机在运行周期中的推动力矩更均衡稳定，系统运行更平稳，系统结构件交替应力降低，发电质量提高。最后，包括发电机、变流器在内的电气新技术的应用，诸如发电、变流功率的提升，低电压穿越性能的提高，电网谐波的降低等许多系统电性能指标都所提高，这对促进全球风电技术提升、风电产业发展，进而减轻碳排放，维持生态平衡，都有所贡献。