1 引言

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

　　本文從三種典型風(fēng)電系統(tǒng)出發(fā)，包括失速型風(fēng)電系統(tǒng)、雙饋與永磁直驅(qū)變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)。根據(jù)齒輪箱結(jié)構(gòu)及發(fā)電機類型，討論了目前的風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對所采用的風(fēng)力發(fā)電機進行了討論和分析。對作為風(fēng)力發(fā)電與電網(wǎng)接口的風(fēng)電變流器進行了說明，隨著風(fēng)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(yīng)用；對風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越及無功功率支持等進行了分析。針對風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)電機、變流器和低電壓穿越能力等，介紹了不同風(fēng)電公司的相關(guān)產(chǎn)品與技術(shù)。

2 幾種典型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

　　風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)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(qū)型；根據(jù)傳動鏈組成，可以分為有齒輪箱和直接驅(qū)動型，有齒輪箱又可以分為多級齒輪+高速發(fā)電機型與單級齒輪+低速發(fā)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)出發(fā)進行討論。

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

　　圖2是典型的雙饋型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，包括多級齒輪、雙饋感應(yīng)發(fā)電機和背靠背雙pwm變流器。dfig定子側(cè)直接與電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子側(cè)通過背靠背雙pwm變流器與電網(wǎng)連接，其中轉(zhuǎn)子側(cè)變流器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的頻率和轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)變速恒頻運行，并對輸出功率因數(shù)進行控制，電網(wǎng)側(cè)變流器保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定。dfig變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)可以在較寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)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(fā)電機容量的25～30%左右。vestas，gamesa（歌美颯），repower，nordex等公司有dfig風(fēng)電系統(tǒng)產(chǎn)品，最大功率等級已經(jīng)超過5mw。dfig風(fēng)電系統(tǒng)既可以超同步運行，又可以亞同步運行，變速范圍寬，能夠?qū)崿F(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，優(yōu)化功率輸出，提高風(fēng)能利用效率，減小運行噪聲和傳動鏈的機械應(yīng)力，能吸收陣風(fēng)能量，減小轉(zhuǎn)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(shù)和電能質(zhì)量，在電網(wǎng)故障時快速提供無功支持，幫助電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。dfig變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)，多級齒輪箱仍然是主要故障點之一，存在摩擦損耗、發(fā)熱，噪聲等問題，需要定期維護；轉(zhuǎn)子上的電刷和滑環(huán)降低了系統(tǒng)的可靠性；電網(wǎng)故障如電壓跌落等，對dfig影響較大，會在轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生較大的過流，可能造成變流器的損壞，幫助其實現(xiàn)低電壓穿越與動態(tài)無功支持的控制策略相對復(fù)雜。