2.2.2 并網運行風力發電系統中的發電機

1．同步發電機

（1）同步發電機并網方法。

1）自動準同步并網。在常規并網發電系統中，利用三相繞組的同步發電機是最普遍的，同步發電機在運行時既能輸出有功功率，又能提供無功功率，且頻率穩定，電能質量高，因此被電力系統廣泛接受。在同步發電機中，發電機的極對數、轉速及頻率之間有著嚴格不變的固定關系，即

式中：p為電機的極對數；ns 為發電機轉速，r/min; fs 為發電機產生的交流點頻率，Hz。

要把同步發電機通過標準同步并網方法連接到電網上必須滿足以下四個條件：

a．發電機的電壓等于電網的電壓，并且電壓波形相同。

b．發電機的電壓相序與電網的電壓相序相同。

c．發電機頻率fs與電網的頻率f1相同。

d．并聯合閘瞬間發電機的電壓相角與電網并聯的相角一致。

圖2-26表示風力機驅動的同步發電機與電網并聯的情況，圖中U AB、U BC、U CA為電網電壓；UABS、UBCS、UCAS為發電機電壓；nT為風力機轉速；nS為發電機轉速。風力機轉軸與發電機轉軸間經升速齒輪及聯軸器來連接。

滿足上述理想并網條件的并網方式即為準同步并網方式，在這種并網條件下，并網瞬間不會產生沖擊電流，不會引起電網電壓的下降，也不會對發電機定子繞組及其他機械部件造成損壞。這是這種并網方式的最大優點，但對風力驅動的同步發電機而言，要準確到達這種理想并網條件實際上是不容易，在實際并網操作時，電壓、頻率及相位都往往會有一些偏差，因此并網時仍會產生一些沖擊電流。一般規定發電機與電網系統的電壓差不超過5%～10%，頻率差不超過0.1%～0.5%，使沖擊電流不超出其允許范圍。但如果電網本身的電壓及頻率也經常存在較大的波動，則這種通過同步發電機整步實現準同步并網就更加困難。

2）自同步并網。自同步并網就是同步發電機在轉子未加勵磁，勵磁繞組經限流電阻短路的情況下，由原動機拖動，待同步發電機轉子轉速升高到接近同步轉速（約為80%～90%同步轉速）時，將發電機投入電網，再立即投入勵磁，靠定子與轉子之間電磁力的作用，發電機自動牽入同步運行。由于同步發電機在投入電網時未加勵磁，因此不存在準同步并網時的對發電機電壓和相角進行調節和校準的整步過程，并且從根本上排除了發生非同步合閘的可能性。當電網出現故障并恢復正常后，需要把發電機迅速投入并聯運行時，經常采用這種并網方法。這種并網方法的優點是不需要復雜的并網裝置，并網操作簡單，并網過程迅速；這種并網方法的缺點是合閘后有電流沖擊（一般情況下沖擊電流不會超過同步發電機輸出端三相突然短路時的電流），電網電壓會出現短時間的下降，電網電壓降低的程度和電壓恢復時間的長短，同并入的發電機容量與電網容量的比例有關，在風力發電情況下還與風電場的風資源特性有關。

必須指出，發電機自同步過程與投入勵磁的時間及投入勵磁后勵磁增長的速率密切相關。如果發電機是在非常接近同步轉速時投入電網，則應迅速加上勵磁，以保證發電機能迅速被拉入同步，而且勵磁增長的速率愈大，自同步過程也就結束的愈快；但是在同步發電機轉速距同步速較大的情況下應避免立即迅速投入勵磁，否則會產生較大的同步力矩，并導致自同步過程中出現較大的振蕩電流及力矩。

（2）同步發電機的轉矩—轉速特性。當同步發電機并網后正常運行時，其轉矩—轉速特性曲線如圖2-27所示，圖中nS為同步轉速，從圖2-27可以看出，發電機的電磁轉矩對風力機來講是制動轉矩性質，因此不論電磁轉矩如何變化，發電機的轉速應為維持不變（即維持為同步轉速nS），以便維持發電機的頻率與電網的頻率相同，否則發電機將與電網解裂。這就要求風力機有精確的調速機構，當風速變化時，能維持發電機的轉速不變，等于同步轉速，這種風力發電系統的運行方式，稱為恒速恒頻方式。與此相對應，在變速恒率系統運行方式下（即風力機及發電機的轉速隨風速變化做變速運行，而在發電機輸出端則仍能得到等于電網頻率的電能輸出），風力機不需要調速機構。帶有調速機構的同步風力發電系統的原理性框圖如圖2-28所示。

調速系統是用來控制風力機轉速（即同步發電機轉速）及有功功率的，勵磁系統是調控同步發電機的電壓及無功功率的，圖中n、U、P分別代表風力機的轉速、發電機的電壓、輸出功率。總之，同步發電機并網后，對發電機的電壓、頻率及輸出功率必須進行有效的控制，否則會發生失步現象。

2．異步發電機

（1）異步發電機的基本原理及其轉矩—轉速特性。風力發電系統中并網運行的異步電機，其定子與同步電機的定子基本相同，定子繞組為三相的，可按成三角形或星形接法；轉子則有鼠籠型和繞線型兩種。根據異步電機理論，異步電機并網時由定子三相繞組電流產生的旋轉磁場的同步轉速決定于電網的頻率及電機繞組的極對數，即

式中：ns為同步轉速；f為電網頻率；p為繞組極對數。

按照異步電機理論又知，當異步電機連接到頻率恒定的電網上時，異步電機可以有不同的運行狀態；當異步電機的轉速小于異步電機的同步轉速時（即n＜ns），異步電機以電動機的方式運行，處于電動運行狀態，此時異步電機自電網吸取電能，而由其轉軸輸出機械功率；而當異步電機由原動機驅動，其轉速超過同步轉速時（即n＞ns），則異步電機將處于發電運行狀態，此時異步電機吸收由原動力供給的機械而向電網輸出電能。異步電機的不同運行狀態可用異步電機的滑差率S來區別表示。異步電機的滑差率定義為

由式（2-16）可知，當異步電機與電網并聯后作為發電機運行時，滑差率S為負值。

由異步電機的理論知，異步電機的電磁轉矩M與滑差率S的關系如圖2-29所示。根據式（2-16）所表明的S與n的關系，異步電機的M—S特性也即是異步電機的M—n特性。

改變異步電機轉子繞組回路內電阻的大小可以改變異步電機的轉矩—轉速特性曲線，圖2-27中曲線2代表轉子繞組電阻較大的轉矩—轉矩特性曲線。

在由風力機驅動異步發電機與電網并聯運行的風力發電系統中，滑差率S的絕對值取為2%～5%；S 取值越大，則系統平衡陣風擾動的能力越好，一般與電網并聯運行的容量較大的異步風力發電機其轉速的運行范圍在ns與1.05ns之間。

（2）異步發電機的并網方法。由風力機驅動異步發電機與電網并聯運行的原理如圖2-30所示。因為風力機為低速運轉的動力機械，在風力機與異步發電機轉子之間經增速齒輪傳動來提高轉速以達到適合異步發電機運轉的轉速，一般與電網并聯運行的異步發電機多選4極或6極電機，因此異步電機轉速必須超過1500r/min或1000r/min，才能運行在發電狀態，向電網送電。電機極對數的選擇與增速齒輪箱關系密切，若電機的極對數選小，則增速齒輪傳動的速比增大，齒輪箱加大，但電機的尺寸則小些；反之，若電機的極對數選大些，則傳動速比減小，齒輪箱相對小些，但電機的尺寸則大些。

根據電機理論，異步發電機并入電網運行時，是靠滑差率來調整負荷的，其輸出的功率與轉速近乎呈線性關系，因此對機組的調速要求，不像同步發電機那么嚴格精確，不需要同步設備和整步操作，只要轉速接近同步轉速時就可并網，國內及國外與電網并聯運行的風力發電機組中，多采用異步發電機，但異步發電機在并網瞬間會出現較大的沖擊電流（約為異步發電機額定電流的4～7倍），并使電網電壓瞬時下降。隨著風力發電機組單機容量的不斷增大，這種沖擊電流對發電機自身部件的安全及對電網的影響也愈加嚴重。過大的沖擊電流，有可能使發電機與電網連接與電網連接的主回路中的自動開關斷開；而電網電壓的較大幅度下降，則可能會使低壓保護動作，從而導致異步發電機根本不能并網。當前在風力發電系統中采用的異步發電機網方法有以下幾種。

1）直接并網。這種并網方法要求在并網時發電機的相序與電網的相序相同，當風力驅動的異步發電機轉速接近同步轉速時即可自動并入電網；自動并網的信號由測速裝置給出，而后通過自動空氣開關合閘完成并網過程，顯見這種并網方式比同步發電機的準同步并網簡單。但如上所述，直接并網時會出現較大的沖擊電流及電網的下降，因此這種并網方法只適用于異步電動機容量在百千瓦以下，而電網容量較大的情況下。這種并網方法不能采用中國最早引進的55kW風力發電機組及自行研制的50kW風力發電機組都是采用這種方法并網的。

2）降壓并網。這種并網方法是在異步電機與電網之間串接電阻或電抗器或者接入自耦變壓器，以達到降低并網合閘瞬間沖擊電流幅值及電網電壓下降的幅度。因為電阻、電抗器等元件要消耗功率，在發電機并入電網以后，進入穩定運行狀態時，必須將其迅速切除，這種并網方法適用于百千瓦以上、容量較大的機組，顯見這種并網方法的經濟性較差，中國引進的200kW異步風力發電機組，就是采用這種并網方式，并網時發電機每相繞組與電網之間皆串接有大功率電阻。

3）通過晶閘管軟并網。這種并網方法是在異步發電機定子與電網之間通過每相串入一只雙向晶閘管連接起來。三相均有晶閘管控制。雙向晶閘管的兩端與并網自動開關K2的動合觸頭并聯，如圖2-31所示。接入雙向晶閘管的目的是將發電機并網瞬間的沖擊電流控制在允許的限度內。其并網過程如下：當風力發電機組接受到由控制系統內微處理機發出的啟動命令后，線檢查發電機的相序與電網的相序是否一致，若相序正確，則發出松閘命令，風力發電機組開始啟動。當發電機轉速接近同步轉速時（約為99%～100%同保護轉速），雙向晶閘管的控制角同時由180°到0°逐漸同步打開；與此同時，雙向晶閘管的導通角則同時由0～180°逐漸增大，此時并網自動開關K2未動作，動合觸頭為閉合，異步發電機即通過晶閘管平穩地并入電網；隨著發電機轉速繼續升高，電機的滑差率漸趨于零，當滑差率為零時，并網自動開關動作，動合觸頭閉合，雙向晶閘管被短接，異步發電機的輸出電流將不再經雙向晶閘管，而是通過已閉合的自動開關觸頭流入電網在發電機并網后，應立即在發電機端并入補償電容，將發電機的功率因數（cosφ）提高到0.95以上。

這種軟并網方法的特點是通過控制晶閘管的導通角，將發電機并網瞬間的沖擊電流值限制在規定的范圍內（一般為1.5倍額定電流以下），從而得到一個平滑的并網暫態過程。

如圖2-31所示的軟并網線路中，在雙向晶閘管兩端并接有旁路并網自動開關，并在零轉差率時實現自動切換，在并網暫態過程完畢后，即將雙向晶閘管短接。與此種軟并網連接方式相對應的另一種軟并網方式是在異步電動機與電網之間通過雙向晶閘管直接連接，在晶閘管兩端沒有并接的旁路并網自動開關，雙向晶閘管既在并網過程中起到控制沖擊電流的作用，同時又作為無觸頭自動開關，在并網后繼續存在于主回路中，這種軟并網連接方式可以省去一個并網自動開關，因而控制回路也較高的開關頻率，這是其優點。但這種連接方式需選用電流允許值大的高反壓雙向晶閘管，這是因為在這種連接方式下，雙向晶閘管中通過的電流需滿足通過異步電機的額定電流值，而具有旁路并網自動開關的軟并網連接方式中的高反壓雙向晶閘管只要能通過較發電機空載電流略高的電流就可以滿足要求，這是這種連接方式的不利之處。這種軟并網連接方式的并網過程與上述具有并網自動開關的軟并網連接方式的并網過程相同，在雙向晶閘管開始導通階段，異步電機作為電動機運行，但隨著異步電機轉速的升高，滑差率漸漸接近于零，當滑差率為零時，雙向晶閘管已全部導通，并網過程也就結束。

晶閘管軟并網技術雖然是目前一種先進的并網方法，但它也對晶閘管器件及與之相關的晶閘管觸發器提出了嚴格的要求，即晶閘管器件的特性要一致、穩定以及觸發電路可靠，只有發電機主回路中的每相的雙向晶閘管特性一致，控制極觸發電壓、觸發電流一致，全開通后壓降相同，才能保證可控硅導通角在0°～180°范圍內同步逐漸增大，才能保證發電機三相電流平衡，否則會對發電機不利。目前在晶閘管軟并網方法中，根據晶閘管的通斷狀況，觸發電路有移相觸發及過零觸發兩種方式，移相觸發會造成發電機每相電流為正負半波對稱的非正弦波（缺角正弦波）含有較多的奇次諧波分量，這些諧波會對電網造成污染公害，必須加以限制和消除。

過零觸發是在設定的周期內，逐步改變晶閘管大的導通周波數，最后達到全部導通，使發電機平穩并入電網，因而不產生諧波干擾。

通過晶閘管軟并網將風力驅動的異步發電機并入電網是目前國內外中型及大型風力發電組中普遍采用的，中國引進和自行開發研制生產的250kW、300kW、600kW的并網型異步風力發電機組，都采用這種并網技術。

3．雙饋異步發電機

（1）工作原理。眾所周知，同步發電機在穩態運行時，其輸出端電壓的頻率與發電機的極對數及發電機轉子的轉速有著嚴格固定的關系，即

式中：f為發電機輸出電壓頻率，Hz；p為發電機的極對數；n為發電機旋轉速度，r/min。

顯而易見，在發電機轉子變速運行時，同步發電機不可能發出恒頻電能，由電機結構知，繞線轉子異步電機的轉子上嵌裝有三相對稱繞組，根據電機原理知道，在三相對稱繞組中通入三相對稱交流電，則將在電機氣隙內產生旋轉磁場，此旋轉磁場的轉速與所通入的交流電的頻率及電機的極對數有關，即

式中：n2為繞線轉子異步電機轉子的三相對稱繞組通入頻率為f2的三相對稱電流后所產生的旋轉磁場相對于轉子本身的旋轉速度，r/min; p為繞線轉子異步電機的極對數；f2為繞線轉子異步電機轉子三相繞組通入的三相對稱交流電頻率，Hz。

從式（2-18）可知，改變頻率f2，即可改變n2，而且若改變通入轉子三相電流的相序，還可以改變此轉子旋轉磁場的轉向。因此，若設n1為對應于電網頻率為50Hz（f1=50Hz）時異步發電機的同步轉速，而n為異步電機轉子本身的旋轉速度，則只要維持n± n2=n1=常數，見式（2-19），則異步電機定子繞組的感應電勢，如同在同步發電機時一樣，其頻率將始終維持為f1不變。

異步發電機的滑差率，則異步電機轉子三相繞組內通入的電流頻率應為

式（2-20）表明，在異步電機轉子以變化的轉速轉動時，只要在轉子的三相對稱繞組中通入滑差率（f1S）的電流，則在異步電機的定子繞組中就能產生50Hz的恒頻電勢。

根據雙饋異步電機轉子轉速的變化，雙饋異步電機可有以下三種運行狀態：

1）亞同步運行狀態。在此種狀態下n＜n1，由滑差率為f2的電流產生的旋轉磁場轉速n2與轉子的轉速方向相同，因此有n+n2=n1。

2）超同步運行狀態。此種狀態下n＞n1，改變通入轉子繞組的頻率為f2的電流相序，則其所產生的旋轉磁場轉速n2的轉向與轉子相反，因此有n-n2=n1為了實現n2轉向反向，在由亞同步運行轉向超同步運行時，轉子三相繞組必須能自改變其相序；反之，也是一樣。

3）同步運行狀態。此種狀態下n=n1，滑差率f2=0，這表明此時通入轉子繞組的電流的頻率為0，也即是直流電流，因此與普通同步電機一樣。

（2）等值電路及向量圖。根據電機理論，雙饋異步發電機的等值電路如圖2-32所示。

圖2-32中，r1、X 1、rm、X m、r′2、X′2 為定子、轉子繞組及勵磁繞組參數；U 1、I1、E1及U′2、I′2、E′2分別代表定子及轉子繞組的電壓、電流、感應電勢；I0及Φm為勵磁電流以及氣隙磁通。只要知道電機的參數，利用等值電路，就可以計算不同滑差率及負載的發電機的運行性能。

雙饋異步發電機穩態運行時的向量如圖2-33所示，向量圖表明，在亞同步運行時，轉子電路的滑差率即SP m=m2U2NI2cosφ2 為正值（cosφ2＞0），表明需要有轉子外接電（cosφ2＜0），表明轉子可向外接電源送出功率。電源送入功率，在超同步運行時，轉子電路的滑差率S Pm=m2 U2sI2cosφ2為負值。

（3）功率傳遞關系。雙饋異步發電機在亞同步運行及超同步運行時的功率流如圖2-34所示，圖中Pem為發電機的電磁功率，S為電機的滑差。

4．低速交流發電機

（1）風力機直接驅動的低速交流發電機的應用場合。眾所周知，火力發電廠中應用的是高速的交流發電機，核發電廠中應用的也是高速交流發電機，其轉速為300r/min或1500r/min。在水力發電廠中應用的則是低速的交流發電機，視水流落差的高低，其轉速為幾十轉每分至幾百轉每分。這是因為火力發電廠是由高速旋轉的汽輪機直接驅動交流發電機，而水力發電廠中應用的則是由低速旋轉的水輪機直接驅動交流發電機的緣故。

風力機也屬于低速旋轉的機械，中型及大型風力機的轉速約為10～40r/min，比水輪機的轉速還要低。大型風力發電機組在風力機與交流發電機之間裝有增速齒輪箱，借助齒輪箱提高轉速，因此應用的仍是高速交流發電機。如果由風力機直接驅動交流發電機，則必須應用低速交流發電機。

（2）低速交流發電機的特點。

1）外形特點。根據電機理論知，交流發電機的轉速（n）與發電機的極對數（p）及發電機發出的交流電的頻率（f）有固定的關系，即

當f=50Hz為恒定值時，如若發電機的轉速愈低，則發電機的極對數應愈多。從電機結構知，發電機的定子內徑（Di）與發電機的極數（2p）及極距（τ）成正比，即

因此低速發電機的定子內徑大于高速發電機的定子內徑。從電機設計的原理又知，發電機的容量（PN）與發電機定子內徑（Di）、發電機的軸向長度（l）有關，即

由式（2-23）可知，當發電機的設計容量一定時，發電機的轉速愈低，則發電機的尺寸（Di2l）愈大；而由式（2-22）知，對于低速發電機，發電機的定子內徑大，因此發電機的軸向長度相對于定子內徑而言是很小的，即Di?l，也可以說，低速發電機的外形酷似一個扁平的大圓盤。

2）繞組槽數。由于低速發電機極數多，發電機每極每相的槽數（q）少，當q為小的整數（例如q=1），就不能利用繞組分布的方法來削減諧波磁密在定子繞組中感應產生的諧波電熱，同時由定子上齒槽效應而產生的齒諧波電勢也加大了，這將導致發電機繞組的電勢波形不再是正弦形的，根據電機繞組理論，采用分數槽繞組，則可以削弱高次諧波電勢及高次齒諧波電勢，使發電機繞組電勢波形得到改善，成為正弦波形。所謂分數槽繞組就是發電機的每極每相槽數不是整數，而是分數，即

式中：Z為沿定子鐵芯內圓的總槽數；m為發電機的相數。

大型水輪發電機多采用分數槽繞組，在中小型低速發電機中也可采用斜槽（把定子鐵芯上的槽數或轉子磁極扭斜一個定子齒距的大小）或采用磁性槽楔，也可減小齒諧波電勢。

在風力發電系統中，若風力機為變速運行，并采用AC—DC—AC方式與電網連接，也可不采用分數槽繞組，而在逆變器中采用PWM（脈寬調制）方式來獲得正弦形的交流電。

3）低速交流發電機轉子磁極數多，采用永久磁體，可以使轉子的結構簡單，制造方便。低速交流發電機的定子內徑大，因而轉子大尺寸及慣量也大，這對平抑風力起伏引起的電動勢是有利的；但轉子輪緣的結構和其截面尺寸應滿足允許的機械強度及導磁的需要。

4）結構型式。根據風力機的結構型式分為水平軸及垂直軸兩種型式，低速交流發電機也有水平軸及垂直軸兩種型式，德國采用的是水平軸結構，而加拿大采用的是垂直軸結構型式。

5．無刷雙饋異步發電機

（1）結構。無刷雙饋異步發電機在結構上由兩臺繞線式三相異步電機組成，一臺作為主發電機，其定子繞組與電網連接，另一臺作為勵磁電機，其定子繞組通過變頻器與電網來連接。兩臺異步電機的轉子為同軸連接，轉子繞組在電路上互相來連接，因而在轉子轉軸上皆沒有滑環和電刷，其結構性原理圖如圖2-35所示。

（2）利用無刷雙饋異步發電機實現變速恒頻發電的原理。如圖2-24所示，若風力風輪經升速齒輪箱（圖中未畫出）帶動異步電機轉子旋轉的轉速為nR，當風速變化時，則nR也變化，即異步電機為變速運行。

設主發電機的極對數為p，勵磁機的極對數為pe，由圖2-38知，勵磁機定子繞組是經變頻器與電網連接的，設勵磁機定子繞組由變頻器輸入的電流頻率為fe1，則勵磁機定子繞組產生的旋轉磁場ne1為

這樣，在勵磁機轉子繞組中將感應產生頻率為fe2的電勢及電流，若nR與ne1轉向相反，則

若nR與ne1轉向相同，則

因為兩臺電機的轉子繞組在電路上是互相連接的，故主發電機轉子繞組中電流的頻率f2=fe2，即

由電機原理又知，主發電機轉子繞組電流產生的旋轉磁場相對于主發電機轉子自身的旋轉速度n2應為

將式（2-28）代入上式，則有

此主發電機轉子旋轉磁場相對于其定子的轉速n1為

在式（2-30）中，當主發電機轉子旋轉磁場n 2與nR的轉向相反時應取“-”號；反之，若n2與nR的旋轉方向相同時，則取“+”號，表明主發電機轉子繞組與勵磁機轉子繞組是反相序連接的。

這樣，定子繞組中感應電勢頻率f1應為

將式（2-29）代入式（2-31），整理后可得

由式（2-32）可以看出，當風力機的風輪以轉速nR作變速運行時，只需改變由變頻器輸入勵磁機定子繞組電流的頻率fe1，就可實現主發電機定子繞組輸出電流的頻率為恒定值（即f1=50Hz），即達到了變速恒頻發電。

（3）能量傳遞關系。無刷雙饋異步發電機運行時的能量傳遞情況在低風速運行與高風速運行時是不相同的，下面分別說明。

1）低風速運行時，n 1＞n R, ne 1與n R旋轉方向相反，如圖2-36所示，此時能量傳遞情況如圖2-36（b）所示。圖中P m為電機軸上輸入機械功率；Pe 1為由變頻器輸入的電功率；P1為主發電機定子繞組輸出的電功率（不考慮電機及變頻器的各種損耗）。

2）高風速運行時，n R＞n 1, ne 1與n R旋轉方向相反，如圖2-37（a）所示，此時能量傳遞情況如圖2-37（b）所示。從電機軸上輸入的機械功率Pm分別從主發電機定子繞組轉換為電功率及由勵磁機定子繞組轉變為電功率經變頻器饋入電網。

（4）優缺點。

1）由于不存在滑環及電刷，運行時的事故率小，更安全可靠。

2）在高風速運行時除去主發電機向電網送入電功率外，勵磁機經變頻器可向電源饋送電功率。

3）采用了兩臺異步電機，整個電機系統的結構尺寸增大，這將導致風電機組機艙結構尺寸及質量增加。

6．交流整流子發電機

在風力發電系統中采用交流整流子發電機（A.C.Commutator Machine）亦可以實現在風力機變速運轉下獲得恒頻交流電。交流整流子發電機是一種特殊的電機，這樣發電機的輸出頻率等于其勵磁頻率，而與原動機的轉速無關，因此只需有一個頻率恒定的交流勵磁電源，例如50Hz的勵磁電源就可以了，見圖2-38。

7．高壓同步發電機

（1）結構特點。這種發電機是將同步發電機的輸出端電壓提高到10～20kV，甚至高達40kV以上。因為發電機的定子繞組輸出電壓高，因而可以不用升壓變壓器而直接與電網連接，即兼有發電機及變壓器的功能，是一種綜合的發電設備，故稱為Powerformer，是由ABB公司于1998年研制成功的。這種電機在結構上有兩個特點：一是發電機的定子繞組不是采用傳統發電機中帶絕緣的矩形截面銅導體，而是利用圓形的電纜線制成，電纜具有堅固的絕緣，此外因為定子繞組的電壓高，為滿足繞組匝數的要求，定子鐵芯槽形為深槽的；二是發電機轉子采用永磁材料制成，且為多極的，因為不需要電流勵磁，故轉子上沒有滑環。

（2）高壓發電機（Powerformer）在風里發電系統中的應用。

1）高壓發電機與風力機轉子葉輪直接連接，不用增速齒輪箱，以低速運轉，減少了齒輪箱運行時的能量損耗，同時由于省去了一臺升壓變壓器，又免除了變壓器運行時的損耗，轉子上沒有勵磁損耗及滑環上的摩擦損耗，故與采用具有齒輪增速傳動及繞線轉子異步發電機的風力發電系統比較，系統的損耗降低，效率約可調高5%左右。這種高壓發電機應用在風力發電系統中，又稱為Windformer。

2）由于不采用增速齒輪箱，減少了運行時的噪聲及機械應力，降低了維護工作量，提高了運行的可靠性。與傳統的發電機相比，采用電纜線圈可減少線圈匝間及相間絕緣擊穿的可能性，也提高了系統運行的可靠性。

3）采用Windformer技術的風電場與電網連接方便、穩妥。風電場中每臺高壓發電機的輸入端可經過整流裝置變換為高壓直流電輸出，并接到直流母線上，實現并網，在將直流電經逆變器轉換為交流電，輸送到地方電網；若需要將電力遠距離輸送時，可通過再設置更高變比的升壓變壓器接入高壓輸電線路，如圖2-39所示。

4）這種高壓發電機因采用深槽形定子鐵芯，會導致定子齒抗彎強度下降，必須采用新型強固的槽楔，使定子鐵芯齒得以壓緊，同時因應用電纜來制造定子繞組，使得電機的質量增加約20%～40%，但由于省去了一臺變壓器及增速齒輪箱，風電機組的總質量并未增加。

5）這種發電機采用永磁轉子，需要用大量的永磁材料，同時對永磁材料的性能穩定性要求高。

1998年ABB公司展示了單機容量為3～5MW，電壓為1.2kV的高壓永磁同步發電機，計劃安裝于瑞典的Nassuden風電場（該風場為近海風場，年平均風速為8m/s，估算年發電量可達11GW·h），以期對海上風電場運行做出評價。