1 引言

　　近年来随着能源危机与环境问题的日益突出，世界各国都在大力发展风力发电等可再生能源事业，其相关技术发展很快，从失速型到变速恒频风电系统，从有齿轮箱到直接驱动型风电系统，我国风电的装机容量也在近几年内获得了快速增长。为提高风能利用效率，降低风电成本，风电机组单机容量大型化是风电技术发展的大趋势，采用变速变桨距调节技术已经成为mw级以上大型风电机组的重要特征；在目前的变速恒频风电系统中，使用双馈感应发电机（doubly-fed induction generator， dfig）的双馈型风电系统市场份额*大，使用永磁同步发电机（permanent-magnet synchronous generator，pmsg）的直驱型系统发展很快。随着风力发电装机容量的不断增大，其对电网的影响已经不能忽略，很多国家制订了新的风电并网规则，对低电压穿越与无功支持等功能进行了规定，我国也将会有类似的规则出台。

　　本文从三种典型风电系统出发，包括失速型风电系统、双馈与永磁直驱变速恒频风电系统。根据齿轮箱结构及发电机类型，讨论了目前的风电系统结构，并对所采用的风力发电机进行了讨论和分析。对作为风力发电与电网接口的风电变流器进行了说明，随着风电机组单机容量的增大，大功率多电平变流器将会得到较多应用；对风电系统低电压穿越及无功功率支持等进行了分析。针对风电系统发电机、变流器和低电压穿越能力等，介绍了不同风电公司的相关产品与技术。

2 几种典型风力发电系统

　　风力发电系统，根据发电机转速，可以分为失速型与变速恒频型，其中变速恒频又可以分为双馈型和直驱型；根据传动链组成，可以分为有齿轮箱和直接驱动型，有齿轮箱又可以分为多级齿轮+高速发电机型与单级齿轮+低速发电机型。从不同的角度可以有不同的分类方法，本文从以下几种典型的风力发电系统出发进行讨论。

　　图1是一种典型的失速型风力发电系统，包括多级齿轮和鼠笼型感应发电机（squirrel-cage induction generator，scig），scig通过变压器直接与电网连接，scig需要从电网吸收无功功率，因此通常在定子侧并联电容器进行无功补偿，以提高scig风电系统的功率因数。由于scig只能运行在高于同步速的很窄的转速范围内，这种系统又被称为定转速风电系统。采用定桨距失速、主动失速和变桨控制进行功率调节，由双向晶闸管构成的软启动器实现平滑并网，还可以使用双速发电机对其运行进行优化，风速低时用低速小容量发电机发电，风速高时用高速大容量发电机发电。vestas（维斯塔斯），bonus，made，nordex等公司有基于双速发电机的失速型风电系统产品。scig失速型风电系统结构简单，可靠性高，成本较低，适于大批量生产。但是风速波动会直接转化为电磁转矩的变化，对系统造成机械应力；不能有效地利用风能，效率低；不能向电网提供无功支持。

　　图2是典型的双馈型变速恒频风力发电系统，包括多级齿轮、双馈感应发电机和背靠背双pwm变流器。dfig定子侧直接与电网连接，转子侧通过背靠背双pwm变流器与电网连接，其中转子侧变流器调节转子的频率和转速，实现变速恒频运行，并对输出功率因数进行控制，电网侧变流器保持直流侧电压稳定。dfig变速恒频风电系统可以在较宽转速范围内运行，通常在同步速附近±30%左右，背靠背变流器的容量仅占发电机容量的25～30%左右。vestas，gamesa（歌美飒），repower，nordex等公司有dfig风电系统产品，*大功率等级已经超过5mw。dfig风电系统既可以超同步运行，又可以亚同步运行，变速范围宽，能够实现*大风能捕获，优化功率输出，提高风能利用效率，减小运行噪声和传动链的机械应力，能吸收阵风能量，减小转矩脉动和输出功率的波动，可对输出有功功率和无功功率进行控制，提高输出功率因数和电能质量，在电网故障时快速提供无功支持，帮助电网电压稳定。dfig变速恒频风电系统，多级齿轮箱仍然是主要故障点之一，存在摩擦损耗、发热，噪声等问题，需要定期维护；转子上的电刷和滑环降低了系统的可靠性；电网故障如电压跌落等，对dfig影响较大，会在转子侧产生较大的过流，可能造成变流器的损坏，帮助其实现低电压穿越与动态无功支持的控制策略相对复杂。