隨著現代風電機組的額定功率呈現上公升趨勢，風輪槳葉長度逐漸增加而轉速降低。例如：額定功率為5mw的風電機組槳葉長度超過60公尺，轉子額定轉速為10rpm左右。
當發電機為兩對極時，為了使5mw風力發電機通過交流方式直接與額定頻率為50hz的電網相連，機械齒輪箱變速比應為150。齒輪箱變速比的增加，給兆瓦級風電機組變速箱的設計和製造提出了挑戰。風電機組功率及變速箱變速比增大時，其尺寸、重量及摩擦磨損也在增加。
作為另外一種選擇，風力發電機可以採用全功率變流器以ac/dc/ac的方式與電網相連。
全功率變流器是一種由直流環節連線兩組電力電子變換器組成的背靠背變頻系統。這兩個變頻器分別為電網側變換器和發電機側變換器。發電機側變換器接受感應發電機產生的有功功率，並將功率通過直流環節送往電網側變換器。
發電機側變換器也用來通過感應發電機的定子端對感應發電機勵磁。電網側變換器接受通過直流環節輸送來的有功功率，並將其送到電網，即它平衡了直流環節兩側的電壓。根據所選的控制策略，電網側變換器也用來控制功率因數或支援電網電壓。
發電系統使用的同步發電機絕大部分是三相同步發電機。同步發電機主要包括定子和轉子兩部分。定子是同步發電機產生感應電動勢的部件，由定子鐵芯、三相電樞繞組和起支撐及固定作用的機座組成。
轉子的作用是產生乙個強磁場，並且可以由勵磁繞組進行調節，主要包括轉子鐵心、勵磁繞組、滑環等。同步發電機的勵磁系統一般分為兩類，一類是用直流發電機作為勵磁電源的直流勵磁系統，另一類是用整流裝置將交流變成直流後供給勵磁的整流勵磁系統。發電機容量大時，一般採用整流勵磁系統。
同步發電機是一種轉子轉速與電樞電動勢頻率之間保持嚴格不變關係的交流電機。
同步發電機的轉子基木上是乙個大的電磁鐵。磁極有凸極和隱極兩種結構。凸極轉子結構和加工比較簡單，製造成本低。
中小容量電機一般採用凸極以降低成本；對大容量、高轉速原動機，高速旋轉的發電機轉子將承受很大的離心力，採用隱極可以更好地固定勵磁繞組。
同步發電機轉子結構示意圖
當轉子勵磁繞組中流過直流電流時，產生磁極磁場或稱為勵磁磁場。原動機拖動轉子旋轉時，主磁場同轉子一起旋轉，就得到乙個機械旋轉磁場。該磁場對定子發生相對運動，在定子繞組中感應出三相對稱的交流電勢。
由於定子三相對稱繞組在空間上相差120°，因此三相電勢也在時間上相差120°電角度。這個交流電勢的頻率取決於電機的極對數和轉子轉速，即
由於我國電網電源頻率為50hz，發電機的轉速必須保持恆定。
根據電機理論，圖給出隱極同步發電機的等效電路。圖中，為發電機空載時定子繞組一相感應的電動勢，為負載電流，為一相端電壓，為定子繞組一相的電阻，為同步電機的同步電抗。通常定子繞組的電阻比同步電抗小很多，因此可以忽略。
圖為忽略電阻後隱極同步發電機簡化的相量圖。和之間的夾角叫做功率因數角。和之間的夾角叫做功率角。
隱極同步發電機的等效電路與簡化的向量圖
攻角特性：
在忽略電樞電阻的情況下，根據電機學理論，同步發電機輸出的電磁功率等於輸出的有功功率
其中，為發電機的相數。
經推導，有功功率表示式為
對於併聯於無限大電網上的同步發電機，發電機的端電壓u即為電網電壓，保持不變，在恆定勵磁電流條件下，根據上式可知，隱極式同步發電機輸出的電磁功率與攻角的正弦成正比。
這可以通過下圖所示的攻角特性曲線描述。當不變時，由畫出的曲線稱為攻角特性曲線。當°時，隱極發電機輸出的電功率最大。
圖攻角特性
有功功率的調節
由式可知，對於一台併聯到無限大電網上的同步發電機，如果想增加發電機的輸出有功功率，當勵磁不作調節時，就必須增大功率角。功率角的物理意義可以從時間和空間兩個角度來進行理解。對於發電機而言，是勵磁電動勢超前於端電壓的時間角；從空間上，可看作轉子磁極軸線與電樞等效合成磁極軸線之間的空間角。
因此，增大功率角意味著必須增加來自原動機的輸入功率，使轉子加速，從而使功率角增大，從而增大發電機的有功功率。但需注意，°區域是發電機穩定工作範圍，因此功率角的增加不能超過穩定極限90°，如果再增加來自原動機的輸入功率，則無法建立新的平衡，電機轉速將繼續上公升而失速。
無功功率的調節
接到電網上的負載，除了阻性負載外，還有感性負載和容性負載，所以乙個電力系統除了要能提供負載有功功率外，還要有提供和調節無功功率的能力。通過改變同步發電機的勵磁電流，可調節同步發動機輸出的無功功率。
當=1時，定子的電流最小，這種情況稱為負載時的正常勵磁。在正常勵磁基礎上增加勵磁電流，稱為過勵。在正常勵磁基礎上較少勵磁電流，稱為欠勵。
無論增大和減小勵磁電流，都將使定子電流增大。發電機輸出的無功功率可通過描述。在正常勵磁時，發電機只輸出有功功率。
過勵時，電樞反應為去磁作用，定子電流落後於端電壓，發電機除了向電網發出有功功率外，還向電網發出感性無功功率。欠勵時，電樞反應為增磁作用，定子電流超前於端電壓，發電機除了向電網發出有功功率外，還向電網發出容性無功功率。
（1）直驅式外轉子永磁風力發電機結構
外轉子電機的特點是定子在靠軸中間不動，轉子在外圍旋轉。在下圖中展示了內定子的構造，內定子由矽鋼片疊成，與常見的外定子相反，其線圈槽是開在鐵芯圓周的外側。
內定子鐵芯通過定子的支撐體固定在底座上，在底座上有轉子軸承孔用來安裝外轉子的轉軸。
在定子鐵芯的槽內嵌放著定子繞組，繞組是按三相規律分布，與外定子繞組類似。
外轉子如同乙個桶套在定子外側，由導磁良好的鐵質材料製成，在「桶」的內側固定有永久磁鐵做成的磁極，這種結構的優點是磁極固定較容易，不會因為離心力而脫落。
按多極發電機的原理，磁極的布置如下圖
把外轉子轉軸安裝在定子機座的軸承上
在實際風力機製造中往往把外轉子磁軛直接與風輪輪轂（包括輪轂外罩）製成一體，使結構更緊湊。
（2）直驅永磁中間定子盤式風力發電機結構
直驅永磁盤式風力發電機的定子與轉子都呈平面圓盤結構，定子與轉子軸向交替排列，這裡介紹中間定子盤式發電機。下圖是乙個盤式定子。由於盤式發電機通過定子繞組的的磁力線是軸向走向，在電機旋轉時是繞軸執行的，所以定子的矽鋼片是繞制的，在兩側有繞組的嵌線槽。
在定子線槽內分布著定子繞組，按三相布置連線。
定子鐵芯固定在機座的支架上
盤式轉子由磁軛與永久磁鐵組成，下圖為左面轉子圖
下圖為磁極的分布圖
右面轉子結構與左面轉子結構相同，只是反個面而已。下圖為左右轉子間的磁力線走向圖。
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