风力发电是目前{zj1}规模化和商业化发展的可再生能源技术，在世界范围内这个行业的年平均增长速度已经持续超过30％，根据丹麦BTM 的统计，到2005 年底全世界风电装机的总容量达到了59322MW[1]， ，2006 年我国的风电装机增长速度更是达到了105 ％，新增装机约1 330 MW，累计装机2 600 MW[2] 。受到能源和环境保护的双重压力，可以预测风电行业在未来仍将保持高速增长的势头。
         风电市场的快速增长有效地拉动了风力发电技术的进步。其特点之一就是风电机组的单机容量不断增大（见图1），目前国外市场上商业化的主流机组单机容量达到了2 ～3 MW，5 MW 机组的样机已经研制成功，更大容量的机组（10 MW 海上风电机组）已处于概念设计阶段；特点之二就是机组的风能利用效率和可靠性得到了不断提高，机组的风能转换效率{zg}可达到0.5（已经与理论上{zd0}的风能利用系数——贝茨极限0.593 比较接近了）商业化成熟机组的年可利用率可以达到98％以上[3] 。
          实际上，风力发电机组的技术发展很大程度上得益于变速恒频的应用，变速恒频已经成为目前MW 级以上风力发电机组的主流技术。所谓变速恒频，就是通过调速控制，使风力发电机组风轮转速能够跟随风速的变化，{zd0}限度地提高风能的利用效率，有效降低载荷；同时风轮及其所驱动的电机转速变化时，保证输出的电能频率始终与电网一致。

图1 近20 年来机组容量增长示意图

         机组的调速控制可以通过机械或电气控制等不同的途径来实现，但是利用变流器的技术方案目前最为成熟，也是应用范围最为广泛和{zj1}发展前景的技术。变流技术的应用不仅有利于机组提高效率，同时对机组的并网和对电网的安全稳定运行起到了良好作用。
2 典型的变流技术方案以及关键技术问题
          变流器在变速恒频型风电装置中应用的主流的技术方案目前主要有两种：双馈型和直驱型。
        如图2 所示，双馈型采用双馈发电机，在转子绕组上串入可以四象限运行的变频器，控制定子绕组和电网之间的功率流动。这种结构对变频器的功率要求只有系统总功率的1/3~1/4 。

图2 双馈型变流装置示意图

          双馈型变流器可以有多种拓扑结构，实际应用中主要以电压源型双PWM 变换结构为主，这种结构可以实现发电机在较宽的转速范围内运行，电路简单，采用交—直—交方式实现了两个变换器之间的解耦。双馈型变流器的关键技术在于变流器的励磁控制策略。矢量控制策略是目前双馈型机组中常用的控制方法，但是矢量控制策略须依赖于电机本身的参数，需要详尽准确的电机模型。另外由于变流器电路的非线性，变流器在工作过程中会向电网注入谐波电流，如何有效控制谐波电流也是双馈型变流器需要解决的一个问题。双馈型变流器对电网电压和频率的波动比较敏感。在出现电网电压跌落的情况下，如果网侧电压下降40％，将会造成电机侧的电流上升4 倍[4]，考虑这种情况则变流器需要选用容量更大的IGBT，或者采用“crowbar”。另一方面电机侧的电流突增会对传动系统中的齿轮箱和发电机产生冲击，这些因素在双馈型变流装置的设计时都要予以充分的考虑。
        如图3 所示，直驱型风力发电机组采用多极同步电机，将电机定子绕组输出直接连接到全功率的变流器上，由变流器将电机输出变化的电压/ 电流转换为和接入电网相匹配的电压和频率。该方案的优点是采用永磁同步发电机可以做到风力机与发电机的直接耦合，省去齿轮箱，即为直接驱动式结构，这样可大大减小系统运行噪声，提高可靠性。直驱型机组虽然采用了全功率变频装置导致成本上升，但是全功率变频装置所具有的技术优势却是非常明显的，它省去了故障率高、维护量大的滑环装置，使整机的可靠性进一步提高。特别是当电网出现电压跌落的情况时，由于全功率变流器的输出电流可以由直流电压做闭环控制，基本上能够很容易地控制输出电流的波动，这对电网的安全运行和保障机组设备本身的安全是非常重要的。
         全功率变流器的结构原理如图4 所示，其控制策略相对也比较简洁。全功率变流器的整流环节在实际应用中常采取主动整流或被动整流，两者各有千秋。被动整流方式的电路如图5 所示，采用二极管整流，在其之后采用了多级Boost 电路交错并联的方式以增加功率传送能力并降低开关频率。

图3 直驱型风力发电系统示意图

图4 全功率变流器原理框图

图5 被动整流电路示意图