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此种电站是将风的动能转换为电能的电站。由于单台风力发电机的容量约为1000kW，大容量的风力发电站可能有上百甚至上千台风力发电机安装在一个长数千米甚至数十千米的场地上，通常将其称为风力发电场。
随着各国对环境保护的日益重视和能源短缺问题的日益严重，风能作为一种清洁的可再生能源受到了广泛的重视。目前，在除水电以外的各种再生能源的开发中，风电的开发最具潜力，由于在技术上日趋成熟，风能成为最具有大规模开发利用前景的可再生能源。
我国是世界上温室气体排放量位居前列的国家，以燃煤为主的能源结构所造成的环境污染，已成为我国政府极其关注的重大问题。根据国情和环境状况，我国提出将21世纪作为能源资源利用走向太阳能和风能的时代，将开发利用可再生能源作为我国推行可持续发展战略的重要组成部分。
我国可开发和利用的风能储量约为1TW，其中，陆地上风能储量约235GW（依据陆地上离地10m高度资料计算），海上可开发和利用的风能储量约750GW。“三北”地区包括东北3省、河北、内蒙古、甘肃、青海、西藏和新疆等省和自治区近200km宽的地带，风功率密度在200~300W/m 2 以上，有的可达500W/m 2 以上，可开发利用的风能储量约为200GW，占全国陆地可利用储量的79%左右。这些规划建风电场的地区地形平坦，交通方便，没有破坏性风速，是我国连成一片的最大风能资源区，有利于大规模地开发风电场。
图1.8示出一台风力发电机组的结构，绘出了实现能量转换的主要部件。
风力机利用其桨叶吸收风能，经增速箱带动发电机旋转发电。增速箱的作用在于使桨叶和发电机具有不同的转速，使各自均能进入高转换效率区间。
风力发电系统中两个主要部件是风力机和发电机。风力机的变桨距调节技术和发电机的变速恒频技术是风力发电技术发展的趋势，也是当今风力发电的核心技术。
建设风电场时需要对当地的风能资源的测量与计算。风能的测量包括风的来向、风速和出现的频率三个数据。测量风的来向的常用工具是风向标。
风的来向用16个方位表示，按划分的思路可将其分为三组：
①东（E）、西（W）、南（S）、北（N）；
②东南（ SE ）、东北（ NE ）、西南（ SW）、西北（NW）；
③南东南（SSE）、东东南（ESE）、北东北（NNE）、东东北（ENE）；
南西南（SSW）、西西南（WSW）、西西北（WNW）、北西北（NNW）。
图1.9示出了这16个方向的名称及中心线：
在各中心线两侧11.25°范围内的来风，即视为该来风方向，即每个方向的弧度为22.5°。
图1.8 风力发电机组的结构示意图
1—桨叶；2—增速箱；3—发电机
一般采用旋转式风速计测量风速。在总的记录次数中，一个方向上的来风所占的百分数称为该方向的来风频率。
计算出各方向全年的来风频率后，以极坐标形式标在图1.10上，然后将相邻各点连接，则组成风向玫瑰图。
图1.10即为实际测得的风向玫瑰图。
图1.9 风向定义图
图1.10 风向玫瑰图
评价一个地区风能的可利用价值的量度是风功率密度，其定义为气流在单位时间内垂直通过单位截面积的风功率，计算公式为：
式中 w ——风功率密度，W/m 2 ;
ρ ——空气密度，kg/m 3 ;
v ——风速，m /s。
风力发电场设计的第一步是建设测风塔进行主导风向和风功率密度的测量。一般测风塔的高度为70m以上，测风塔分为多层。例如，高度70m的测风塔分为5层，各层的高度分别为10、30、50、60、70m。在最高（70m）层和最低（10m）层设风向标，各层均设风速计。
风力机吸收的风功率的算式为
式中 P W ——风功率，W;
ρ ——空气密度，kg/m 3 ;
A ——风机叶片扫风截面，m 2 ;
v W ——风速，m /s;
C P ——风能利用系数。
图1.11 C P 与 λ 的关系曲线
由式（1.7）可见，由于风机的输出功率与风速的立方成正比，较小的风速变化即会导致较大的风功率变化。
定义风的流向与风机桨叶截面弦线的夹角为桨距角，将其记为 β 。定义风机桨叶尖端的旋转线速度与来风的流速之比为尖速比（ Tip Speed Raitio, TSR），将其记为 λ 。根据风机叶片的动力特性，风机转换效率是桨距角 β 和尖速度比 λ 的函数，即 C P = f （ β ， λ ）。
在一定的桨距角 β 下，风力机的特性由风能转换效率曲线（ C P - λ ）来表达，转换效率 C P 与尖速比 λ 的关系如图1.11所示。
图1.11中， C P 为风能转换效率； λ 为尖速比。
风力发电机组的控制目标是将其 P W -v W 特性整定为图1.12所示的 AB 和 BC 两条直线段，其中： v in 为切入风速，一般为3m /s; v n 为额定风速（达到额定功率的风速），一般为12m /s; v out 为切出风速（保护不受强风破坏的风速），一般为24m /s。
按桨距角 β 是否可调节，风力机的类型分为两种：①定桨距风力机，桨距角不可调节， β 保持不变；②变桨距风力机，桨距角可以调节。
定桨距风力机依靠失速调节来获取水平区段；依靠叶片的气动外形（即叶片的扭角），在额定风速以下空气沿（紧贴）叶片表面稳定流动，叶片吸收的风能与风速成正比；在额定风速以上，在叶片后侧空气流与叶片分离，使叶片吸收的风能效率随风速的上升而下降，使叶片吸收的功率略低于额定值。此种风机结构简单，但因承受损耗力矩而使叶片受力较大。
图1.12 理想的风力机组功率特性图
变桨距风力机依靠调桨距角 β ，即改变叶片迎风面与纵向旋转轴的夹角影响叶片的受力，从而调节风机输出功率，保持输出功率恒定：当风速低于额定风速时，桨距角置于最佳效率位置不变，这时转换得到的机械功率与风速成正比；当风速高于额定风速时，调节桨距角随风速的增大而降低转换效率，保持转换得到的机械功率恒定，避免风力机和发电机超载。
与定桨距风力机相比较，变桨距风力机的运行特性具有如下优点：
①通过桨距角调节，变桨距型风力机在低风速时较之定桨距型风力机有更高的风能转换效率，因此，有较大的能量输出，启动风速较定桨距风力机低，比较适合于平均风速较低的地区安装。
②变桨距调节的风力机受到的冲击较之定桨距风力机小得多，因此，可减少材料使用率，降低整体质量。
③当风速超过一定值时，定桨距风力机必须停机，而变桨距型风力机可以将桨叶调节到无负载的全翼展开模式位置，因此，可以不停机。
变桨距型风力机的上述优点，使之较定桨距风力机能增加年发电量。由于调节速度的限制，变桨距型风机对快速变化阵风反应不灵敏，在阵风状态下，输出功率脉动比较大，而定桨距风机依靠失速调节反应较快，引起的功率脉动较小。
应用于风力发电的发电机类型有三种：①同步电机；②鼠笼式异步电机；③双馈异步电机。
同步电机是最早应用风力发电的交流电机，由于有励磁系统，使其结构复杂，造价较高，特别是励磁系统的故障概率高，因此，在20世纪90年代以后，大多被鼠笼式异步电机所替换。鼠笼式异步电机简单、经济、耐用的优点在露天的风力发电场显得特别突出。
双馈风力发电机组仍然采用变桨距风力机，只是将发电机换成了交流励磁的异步电机，接线如图1.13所示。
双馈异步发电机可以通过改变交流励磁电流的频率调整风机的转速，桨距角的控制方式仍然与普通风力发电机组相同：当风速低于额定风速时，桨距角置于最佳效率位置不变；当风速高于额定风速时，调节桨距角随风速的增大而降低转换效率。双馈发电机的效益呈现于低风速段：当风速低于额定风速时，增加转速控制进一步提高风力的转换效率，将切入风速降低，如图1.14所示，切入风速点由 A 1 减小为 A 2 。
图1.13 双馈电机接线图
图1.14 风力机的 P W -v W 特性
与鼠笼式异步发电机比较，双馈异步发电机有如下缺点：
①价格昂贵，具有交流励磁系统（变频器）的异步发电机的价格约为鼠笼式异步发电机的两倍；②发电机损耗大、效率低；③故障概率高，高于直流励磁的同步发电机。特别是当系统扰动，例如外部短路电压跌落或风电机组突然脱网时产生的暂态过电压易于使变频器损坏，通常采用短路棒将转子短路，以保护变频器。考虑电网短路时有发生，为限制其随意脱网，因此对其作出规定：当电压低于25%，持续一定的时间内不应脱网，称为低电压穿越能力。
上述表明：双馈风力发电机组应用于不具备良好风力（没有 BC 段），而又十分缺乏电源的地区（孤立小区）才能凸显其效益，否则可能得不偿失。全面综合地进行技术经济比较，对于具备良好风力的并网风电采用鼠笼式异步发电机更为恰当。
图1.15 孤立运行的风力发电机组的接线图
1—风力机；2—增速箱；3—发电机；4—控制系统；5—无功补偿器；6—储能装置或备用（互补）电源；7—负荷
风力发电有两种运行方式：孤立运行方式和并网运行方式。一般前者为小容量风电，后者为大容量风电。
（1）孤立运行方式
孤立运行方式，即不并入大容量电网的运行方式。其下又分为两种：
1）“风电+蓄电池”方式
图1.15示出孤立运行的风力发电机组的接线结构。
此种方式应用于偏远的、分散的居民点，通常是一台小型风力发电机对该居民点供电。为了保证无风时的用电，需用蓄电池储能。
2）风力发电与其他类型发电相结合的方式
风力发电与其他类型发电相结合的方式，又称为互补方式。例如，风光互补，就是同时建设太阳能发电站，若能与柴油机发电或小型水电站相结合，则供电更为可靠。此种方式应用于较大的用电单位，例如一个村庄或一个海岛。
（2）并入大容量电网的运行方式
图1.16示出并网风力发电场的结构。
此种风电场安装几十台甚至几百台风力发电机，分布在数千米或数十千米的范围内，图1.16中所示的发电机的链式接线单元（1）：从离升压站较远的地方开始，第1台发电机的升压变压器经电缆与第2台发电机的升压变压器相连，然后第2台发电机的升压变压器经电缆与第3台发电机的升压变压器相连，多台（例如10~15台）发电机连接后再接入升压站的低压母线，占据一个配电间格。在一个单元中，后面的电缆的截面较大，大致可分3~4个等级选取。
大容量的风力发电场需要考虑与电网的连接，电网应有足够的接纳能力，要求风电场接入点的电网短路容量要与风电场的容量相匹配，其标志为：
①正常运行状态下，风电场引起的电压波动与闪变在电能质量标准规定的范围内。
②故障状态下（例如一个分支短路切除后），要能保证风电场及其接入电网的电压稳定性。
上述两点可以通过在风电场内和电网的接入点安装现代无功补偿装置（例如SVC）来保证。
图1.16 风力发电场典型主接线图
1—风电机组链；2—无功补偿器；3—站用变压器；4—升压变压器；5—并网输电线