假设恒速恒频风力发电方式在10m/s风速时获得最大风能，即该点功率系数Cp最大，以风速为横坐标、功率系数为纵坐标可画出功率系数和风速的关系图2，同样画出变速恒频风力发电的功率系数和风速的关系图3，及多级变速风力发电（3个恒频转速点）的功率系数和风速的关系图4，由图4可知多级变速风力发电在8m/s、10m/s、12m/s的3个风速点能获得最大功率系数，即风能利用最大；而变速恒频风力发电在整个工作风速范围内都可最大地利用风能；恒速恒频风力发电只是在10m/s左右风速利用风能。设变速恒频风力发电在整个风速工作范围内风能利用量为1个单位，则多级变速风力发电风能利用量能达到80%左右，恒速恒频风力发电风能利用量约为40%。
2 风力发电技术具体比较分析
“多级变速”风力发电技术除风能利用率相对“恒速恒频”较高外，和其他3种主要风力发电技术作比较分析，它还有其他性能上的特点，具体如表1所示。
主要风力发电机特性 表1
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发电 技术 |
优 点 |
缺 点 |
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恒速恒频发电 |
技术成熟，一般采用感应电机，电机结构简单；并网无需同步装置；运行时只需适当限制负载，无失步现象。 |
需全功率机械增速（如图5）；不同风速下，风机转速不变，风能利用率低；当风力较小时，有“大功率电机发小功率电能”现象，发电机效率低。 |
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低速直驱发电 |
属特殊的恒速恒频发电机，一般用永磁发电机，无需齿轮增速箱，机械传动机构简单，维护费用低；自身有无功补偿能力。 |
电机极对数多，制造复杂，成本较高；电机体积大（如图6），700KW电机其直径超过4m，对气流有影响；有“大功率电机发小功率电能”现象。 |
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变频双馈发电 |
风机的转速可大范围变化而不影响输出电力的频率；叶轮的叶尖速比可处于最价值，风能利用率高；通过控制双向变频器，可灵活调节系统的有功和无功功率，抑制谐波，提高电力质量；可实现无齿轮箱驱动。 |
变频控制技术复杂，设备昂贵，目前只有德国等几个国家采用；有“大功率电机发小功率电能”现象（如图7）。 |
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多级变速风力发电
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和恒速恒频发电机属同类技术，但较前者风能利用率有很大提高；没有“大功率电机发小功率电能”现象；成本相对较低，发电机效率高。 |
体积增大，风能利用相对低（如图8）。 |
3 多级变速风力发电优点
多级变速风力发电的技术方案如图9所示，尽管增加了一个小功率的多极对数发电机2，设置了一个变速器，但其优点也是明显的，主要有以下几点：
图5 恒速恒频风力发电机
