在能源和環(huán)境雙重危機(jī)的巨大壓力下，基于無污染、可再生的風(fēng)能而發(fā)展起來的風(fēng)力發(fā)電成為世界各國積極倡導(dǎo)和支持的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。特別是在最近十幾年的時間里，并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（以下簡稱機(jī)組）得到了大規(guī)模的開發(fā)和應(yīng)用。在全球風(fēng)電裝機(jī)容量逐年遞增的大浪潮中，風(fēng)力發(fā)電在我國電力系統(tǒng)中的比重也呈逐年增長的趨勢，據(jù)統(tǒng)計，2013 年我國風(fēng)電發(fā)電量達(dá)1349 億千瓦時，占全年國內(nèi)發(fā)電總量的2.63%（如圖1 所示），僅次于火電和水電，自2012 年以來繼續(xù)保持我國第三大電源的地位。
         在目前的并網(wǎng)型機(jī)組中，水平軸風(fēng)電機(jī)組占據(jù)著主導(dǎo)地位。從早期的定槳距恒速恒頻到現(xiàn)在普遍應(yīng)用的變槳距變速恒頻，風(fēng)電機(jī)組技術(shù)經(jīng)歷了從第一代到第二代的革新。目前，水平軸機(jī)組的主要代表是雙饋型機(jī)組（帶增速齒輪箱的）和直驅(qū)型機(jī)組（不帶增速齒輪箱），這兩類機(jī)組在2011 年我國新增風(fēng)電機(jī)組中的總占有率高達(dá)97% 以上，其余還有以半直驅(qū)、混合驅(qū)動或緊湊型為代表的中速全功率變流機(jī)組，以采用高速同步發(fā)電機(jī)和高速籠型異步發(fā)電機(jī)為代表的高速全功率變流機(jī)組等。常見的水平軸機(jī)組可按發(fā)電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速范圍分類，如圖2 所示。
  1. 從“恒速”到“變速”的變革
       直到20 世紀(jì)90 年代末，恒速機(jī)組的概念仍然支配著市場，約30% 的實際在運(yùn)的機(jī)組都屬于這類機(jī)型[3]。國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的恒速機(jī)組為恒速恒頻籠型異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單可靠、成本低，但由于槳葉不可調(diào)節(jié)，無法跟蹤最大Cp 值，所以對風(fēng)能的利用并不充分。

        為了追求風(fēng)能的最大化利用，變槳技術(shù)得到發(fā)展，并在電力電子技術(shù)的幫助下使機(jī)組實現(xiàn)了“變速”運(yùn)行，從而提高了機(jī)組的年發(fā)電量（AEP）。同時，先進(jìn)的電力電子技術(shù)的應(yīng)用極大地改善了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行和控制性能，提升了電網(wǎng)中風(fēng)電的穿透率。于是，水平軸機(jī)組從第一代“定槳距恒速恒頻”機(jī)組過度到了第二代“變槳距變速恒頻”機(jī)組。目前新增的機(jī)組幾乎都屬于第二代。

2. “雙饋”與“直驅(qū)”的較量
       雙饋機(jī)組，采用增速齒輪箱與繞線式轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)，其變流器的容量約占發(fā)電機(jī)功率的30%-40%，因此也叫部分功率變流機(jī)組。由于技術(shù)成熟度高、成本低，目前雙饋機(jī)組的市場占有率最大，且在未來若干年里仍將占據(jù)市場主流地位。但是，隨著機(jī)組單機(jī)容量的增大，齒輪箱高速級傳動部件的故障問題日益突出，加之目前雙饋異步發(fā)電機(jī)存在集電環(huán)碳刷磨損問題，需要定期維護(hù)，在海上風(fēng)電應(yīng)用中顯現(xiàn)出劣勢。因此，不帶齒輪箱和集電環(huán)的直驅(qū)機(jī)組技術(shù)得到了快速發(fā)展。
       直驅(qū)機(jī)組，采用低速永磁或電勵磁同步發(fā)電機(jī)和全功率變流器，發(fā)電機(jī)的輸入端直接與機(jī)組主軸和輪轂相連， 簡化了機(jī)艙結(jié)構(gòu)， 消除了增速齒輪箱和集電環(huán)的故障風(fēng)險，減少了維護(hù)。但是，直驅(qū)機(jī)組低功率密度設(shè)計造成體積和重量的大幅增加，運(yùn)輸?shù)跹b困難，使得發(fā)電機(jī)的吊裝維護(hù)成本很高。隨著機(jī)組單機(jī)容量的增大，直驅(qū)機(jī)組成本和重量上升特別快，且同步發(fā)電機(jī)的氣隙非常小，控制難度相當(dāng)高。
       根據(jù)2012 年全國風(fēng)電設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量調(diào)查對在運(yùn)機(jī)組的統(tǒng)計，與2011 年相比，雙饋機(jī)組的比例在降低，而直驅(qū)機(jī)組的比例在增加，其他機(jī)組的比例略有增加（如圖3所示）。另外，由于技術(shù)的逐漸成熟，雙饋機(jī)組的故障率明顯降低，與直驅(qū)機(jī)組的故障率水平相當(dāng)，而直驅(qū)機(jī)組的故障率卻略有升高（如圖4 所示）。
         一般地，直驅(qū)機(jī)組的采購成本比雙饋機(jī)組高。但是，在目前的海上風(fēng)電建設(shè)中，機(jī)組成本占項目總成本的比重比陸上風(fēng)電低很多。因此，若從全壽命周期的運(yùn)維成本考慮，直驅(qū)比雙饋將更適合于海上風(fēng)電。
       但到目前為止，雙饋與直驅(qū)都各有優(yōu)缺點(diǎn)。由于所站的立場不同，行業(yè)內(nèi)各方的觀點(diǎn)沒法完全統(tǒng)一，加之缺乏相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，很難準(zhǔn)確且定量地對兩者的優(yōu)勢進(jìn)行全面而公正的對比分析。但可以肯定的是，機(jī)組技術(shù)的成熟性、質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性、及時且低成本的維修與維護(hù)將是市場選擇最重要的標(biāo)準(zhǔn)。

3. 各種“全功率變流”技術(shù)爭相發(fā)展
       相對于雙饋部分功率變流機(jī)組而言，全功率變流技術(shù)使機(jī)組在更寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行，因而提升了機(jī)組的發(fā)電量。據(jù)相關(guān)資料顯示，2MW 高速永磁機(jī)組采用高速永磁全功率變流技術(shù)，年發(fā)電量比雙饋機(jī)組要高5% 左右。直驅(qū)機(jī)組就是典型的全功率變流機(jī)組，但是隨著單機(jī)容量的增加，直驅(qū)機(jī)組重量增加特別明顯（如表1 所示），由此帶來成本、運(yùn)輸、吊裝、維修等一些列的問題，因而出現(xiàn)了各種帶齒輪箱的全功率變流機(jī)組。
         常見的全功率變流機(jī)組除直驅(qū)以外，還有半直驅(qū)、混合驅(qū)動或緊湊型等中速永磁機(jī)組，高速永磁機(jī)組，以及采用高速籠型異步發(fā)電機(jī)的全功率變流機(jī)組。從某種意義上講，他們都是直驅(qū)和雙饋機(jī)組的折中方案。因為他們既保留了直驅(qū)的全功率變流技術(shù)，縮減了直驅(qū)發(fā)電機(jī)的重量和尺寸，又借鑒了雙饋的增速齒輪傳動，提高了機(jī)組的綜合效率。通過折中之后，齒輪箱和發(fā)電機(jī)兩大部件在重量上都將得到顯著的降低。
       目前，除直驅(qū)以外，上述各種全功率變流技術(shù)在國內(nèi)尚未大規(guī)模批量化應(yīng)用，特別是半直驅(qū)技術(shù)。據(jù)悉， 價格昂貴是目前半直驅(qū)技術(shù)大規(guī)模推廣應(yīng)用的主要障礙，但通過集成化設(shè)計及規(guī)模化生產(chǎn)，其競爭力將越來越強(qiáng)。例如，Winergy 公司近年來推出的HybridDrive 混合驅(qū)動技術(shù)，通過采用齒輪箱與發(fā)電機(jī)集成設(shè)計，傳動鏈重量實現(xiàn)了最小化，傳動鏈的長度也可縮短35% ～ 50%[12]。此外，齒輪箱和發(fā)電機(jī)兩大部件采用獨(dú)立拆卸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，特別適合于海上風(fēng)電的維護(hù)需求。因此，在傳動系統(tǒng)中采用集成化設(shè)計和緊湊型結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是未來特大型風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展趨勢。

4. “同步級并網(wǎng)”的提出
       可以說，由于提升了電網(wǎng)中風(fēng)電的穿透水平，電力電子技術(shù)催生了現(xiàn)代風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的繁榮。但是，由于風(fēng)電與生俱來的不穩(wěn)定性和可調(diào)控性差等毛病，在其電網(wǎng)穿透率不斷提升的過程中，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行也造成了極大的隱患。特別是近幾年，由于低電壓穿越能力的普遍缺失、風(fēng)場無功控制不到位等方面的問題，致使機(jī)組大規(guī)模脫網(wǎng)事故頻發(fā)。而且，機(jī)組因低電壓脫網(wǎng)后往往導(dǎo)致系統(tǒng)無功過剩，進(jìn)而又引發(fā)高電壓脫網(wǎng)等次生事故。
       對此，國家目前采取的解決辦法是對現(xiàn)有機(jī)組進(jìn)行低電壓穿越能力的技術(shù)改造，并為每臺機(jī)組增設(shè)無功補(bǔ)償裝置。截止2013 年9 月，國家風(fēng)電技術(shù)與監(jiān)測研究中心對全國247 個風(fēng)電場進(jìn)行了低電壓穿越能力技術(shù)改造的抽檢，最終98%的機(jī)組都獲得通過。但據(jù)了解，僅雙饋機(jī)組因低電壓穿越技術(shù)改造而花費(fèi)的成本就逾百億，將來若再進(jìn)行高電壓穿越技術(shù)改造，費(fèi)用更是不菲。
       另一方面，通過采用全功率變流技術(shù)提升了機(jī)組的低電壓穿越性能，但即便如此，其對電網(wǎng)的支撐能力仍遠(yuǎn)遜于常規(guī)發(fā)電機(jī)組。與電力系統(tǒng)中大量使用的火力或水力同步發(fā)電機(jī)組相比，雙饋和直驅(qū)等主流機(jī)組的暫態(tài)過載能力較弱，在電網(wǎng)發(fā)生故障時雖能實現(xiàn)穿越，卻難以構(gòu)筑“堅強(qiáng)”的電力系統(tǒng)。
       為解決以上問題，國外效仿常規(guī)火力發(fā)電機(jī)組采用同步發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)的方式，首先提出了“同步級并網(wǎng)”風(fēng)電機(jī)組的概念。由于發(fā)電機(jī)本身就能發(fā)出電網(wǎng)所需的無功功率，因此不需要增設(shè)無功補(bǔ)償裝置，省去了技術(shù)改造的費(fèi)用。而要實現(xiàn)這種概念需對機(jī)組傳動系統(tǒng)進(jìn)行恒速設(shè)計，使同步發(fā)電機(jī)始終恒速運(yùn)行，發(fā)出頻率和電壓與電網(wǎng)一致的電，然后直接并網(wǎng)。所以，該技術(shù)的另一個好處是省去了價格昂貴且國產(chǎn)化仍然不足的變流器。

       目前， 國外已成功推出WinDrive 液力調(diào)速裝置， 實現(xiàn)了機(jī)組傳動鏈的恒速輸出，國內(nèi)也有大量文章對該裝置進(jìn)行了分析和研究。但是，WinDrive 系統(tǒng)設(shè)計較為復(fù)雜，技術(shù)難度大，國內(nèi)尚無企業(yè)掌握該技術(shù)。而且，變矩器內(nèi)部工作油的壓力很高，因此有人質(zhì)疑其在長期運(yùn)行過程中存在密封失效的風(fēng)險，進(jìn)而導(dǎo)致其使用成本很高。除此之外，類似的設(shè)計還有Windtec 公司提出了超級油泵油馬達(dá)差動齒輪組合調(diào)速裝置的原理模型，SET 公司提出了用變頻電機(jī)與差動齒輪組合調(diào)速的原理模型，其目的都是為了實現(xiàn)傳動鏈的恒速輸出。近年，國內(nèi)清華大學(xué)電機(jī)工程系研發(fā)出了一種新型恒速輸出裝置——變頻調(diào)速電磁耦合器，并在一款1.5MW 機(jī)組樣機(jī)上成功得到了應(yīng)用。其需要配備的調(diào)速變頻器的容量僅為機(jī)組額定功率的15%左右，比雙饋機(jī)組用的變頻器還要小。經(jīng)過理論分析，耦合器額定運(yùn)行時的效率能達(dá)到98% 左右，可實現(xiàn)比較高效的傳動。由于采用過電磁耦合實現(xiàn)輸入輸出軸的非接觸式連接，消除了傳動系統(tǒng)的沖擊載荷，特別適合應(yīng)用在機(jī)組傳動鏈中。目前，這種技術(shù)在結(jié)構(gòu)和重量上都還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間，但是并不影響其潛在的競爭優(yōu)勢，從長遠(yuǎn)分析，這種新型傳動技術(shù)將有望引領(lǐng)“同步級并網(wǎng)”技術(shù)的發(fā)展方向。

5. 總結(jié)
       風(fēng)力發(fā)電作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，與常規(guī)的火力及水力發(fā)電比較，技術(shù)還不是很成熟。加之風(fēng)能的隨機(jī)性和可控性相對較差，其技術(shù)難度比常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)更高。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雖然已大規(guī)模應(yīng)用了十幾年的時間，但仍需要更多的時間來檢驗其可靠性，并為風(fēng)電機(jī)組技術(shù)的逐步完善積累經(jīng)驗，特別是對那些剛推出的尚缺乏實際應(yīng)用經(jīng)驗的新技術(shù)更是如此。
       作為目前并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組的主流機(jī)型，水平軸機(jī)組的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r直接決定了未來風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。縱觀水平軸機(jī)組的發(fā)展歷程，新技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用基本都是為了提高機(jī)組發(fā)電量、降低機(jī)組重量和成本、提升系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和電網(wǎng)安全性能等目的。且隨著風(fēng)電在電網(wǎng)中所占比例的不斷提升，機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計將更多地考慮電網(wǎng)友好性和安全性要求。如果說水平軸機(jī)組的第一次技術(shù)變革實現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組“量”的提升——即風(fēng)能的最大化利用和電網(wǎng)穿透率的提升，那么，其第二次技術(shù)變革將是對機(jī)組“質(zhì)”的提升——即做到真正意義上的電網(wǎng)友好和安全運(yùn)行。因為只有這樣，風(fēng)電才會發(fā)展地更好。