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1 引言

　　近年來隨著能源危機與環境問題的日益突出，世界各國都在大力發展風力發電等可再生能源事業，其相關技術發展很快，從失速型到變速恒頻風電系統，從有齒輪箱到直接驅動型風電系統，我國風電的裝機容量也在近幾年內獲得了快速增長。為提高風能利用效率，降低風電成本，風電機組單機容量大型化是風電技術發展的大趨勢，采用變速變槳距調節技術已經成為mw級以上大型風電機組的重要特征；在目前的變速恒頻風電系統中，使用雙饋感應發電機（doubly-fed induction generator， dfig）的雙饋型風電系統市場份額最大，使用永磁同步發電機（permanent-magnet synchronous generator，pmsg）的直驅型系統發展很快。隨著風力發電裝機容量的不斷增大，其對電網的影響已經不能忽略，很多國家制訂了新的風電并網規則，對低電壓穿越與無功支持等功能進行了規定，我國也將會有類似的規則出臺。

　　本文從三種典型風電系統出發，包括失速型風電系統、雙饋與永磁直驅變速恒頻風電系統。根據齒輪箱結構及發電機類型，討論了目前的風電系統結構，并對所采用的風力發電機進行了討論和分析。對作為風力發電與電網接口的風電變流器進行了說明，隨著風電機組單機容量的增大，大功率多電平變流器將會得到較多應用；對風電系統低電壓穿越及無功功率支持等進行了分析。針對風電系統發電機、變流器和低電壓穿越能力等，介紹了不同風電公司的相關產品與技術。

2 幾種典型風力發電系統

　　風力發電系統，根據發電機轉速，可以分為失速型與變速恒頻型，其中變速恒頻又可以分為雙饋型和直驅型；根據傳動鏈組成，可以分為有齒輪箱和直接驅動型，有齒輪箱又可以分為多級齒輪+高速發電機型與單級齒輪+低速發電機型。從不同的角度可以有不同的分類方法，本文從以下幾種典型的風力發電系統出發進行討論。

　　圖1是一種典型的失速型風力發電系統，包括多級齒輪和鼠籠型感應發電機（squirrel-cage induction generator，scig），scig通過變壓器直接與電網連接，scig需要從電網吸收無功功率，因此通常在定子側并聯電容器進行無功補償，以提高scig風電系統的功率因數。由于scig只能運行在高于同步速的很窄的轉速范圍內，這種系統又被稱為定轉速風電系統。采用定槳距失速、主動失速和變槳控制進行功率調節，由雙向晶閘管構成的軟啟動器實現平滑并網，還可以使用雙速發電機對其運行進行優化，風速低時用低速小容量發電機發電，風速高時用高速大容量發電機發電。vestas（維斯塔斯），bonus，made，nordex等公司有基于雙速發電機的失速型風電系統產品。scig失速型風電系統結構簡單，可靠性高，成本較低，適于大批量生產。但是風速波動會直接轉化為電磁轉矩的變化，對系統造成機械應力；不能有效地利用風能，效率低；不能向電網提供無功支持。

　　圖2是典型的雙饋型變速恒頻風力發電系統，包括多級齒輪、雙饋感應發電機和背靠背雙pwm變流器。dfig定子側直接與電網連接，轉子側通過背靠背雙pwm變流器與電網連接，其中轉子側變流器調節轉子的頻率和轉速，實現變速恒頻運行，并對輸出功率因數進行控制，電網側變流器保持直流側電壓穩定。dfig變速恒頻風電系統可以在較寬轉速范圍內運行，通常在同步速附近±30%左右，背靠背變流器的容量僅占發電機容量的25～30%左右。vestas，gamesa（歌美颯），repower，nordex等公司有dfig風電系統產品，最大功率等級已經超過5mw。dfig風電系統既可以超同步運行，又可以亞同步運行，變速范圍寬，能夠實現最大風能捕獲，優化功率輸出，提高風能利用效率，減小運行噪聲和傳動鏈的機械應力，能吸收陣風能量，減小轉矩脈動和輸出功率的波動，可對輸出有功功率和無功功率進行控制，提高輸出功率因數和電能質量，在電網故障時快速提供無功支持，幫助電網電壓穩定。dfig變速恒頻風電系統，多級齒輪箱仍然是主要故障點之一，存在摩擦損耗、發熱，噪聲等問題，需要定期維護；轉子上的電刷和滑環降低了系統的可靠性；電網故障如電壓跌落等，對dfig影響較大，會在轉子側產生較大的過流，可能造成變流器的損壞，幫助其實現低電壓穿越與動態無功支持的控制策略相對復雜。