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

        為了追求風能的最大化利用，變槳技術得到發展，并在電力電子技術的幫助下使機組實現了“變速”運行，從而提高了機組的年發電量（AEP）。同時，先進的電力電子技術的應用極大地改善了風力發電系統的運行和控制性能，提升了電網中風電的穿透率。于是，水平軸機組從第一代“定槳距恒速恒頻”機組過度到了第二代“變槳距變速恒頻”機組。目前新增的機組幾乎都屬于第二代。

2. “雙饋”與“直驅”的較量
       雙饋機組，采用增速齒輪箱與繞線式轉子異步發電機，其變流器的容量約占發電機功率的30%-40%，因此也叫部分功率變流機組。由于技術成熟度高、成本低，目前雙饋機組的市場占有率最大，且在未來若干年里仍將占據市場主流地位。但是，隨著機組單機容量的增大，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電機存在集電環碳刷磨損問題，需要定期維護，在海上風電應用中顯現出劣勢。因此，不帶齒輪箱和集電環的直驅機組技術得到了快速發展。
       直驅機組，采用低速永磁或電勵磁同步發電機和全功率變流器，發電機的輸入端直接與機組主軸和輪轂相連， 簡化了機艙結構， 消除了增速齒輪箱和集電環的故障風險，減少了維護。但是，直驅機組低功率密度設計造成體積和重量的大幅增加，運輸吊裝困難，使得發電機的吊裝維護成本很高。隨著機組單機容量的增大，直驅機組成本和重量上升特別快，且同步發電機的氣隙非常小，控制難度相當高。
       根據2012 年全國風電設備運行質量調查對在運機組的統計，與2011 年相比，雙饋機組的比例在降低，而直驅機組的比例在增加，其他機組的比例略有增加（如圖3所示）。另外，由于技術的逐漸成熟，雙饋機組的故障率明顯降低，與直驅機組的故障率水平相當，而直驅機組的故障率卻略有升高（如圖4 所示）。
         一般地，直驅機組的采購成本比雙饋機組高。但是，在目前的海上風電建設中，機組成本占項目總成本的比重比陸上風電低很多。因此，若從全壽命周期的運維成本考慮，直驅比雙饋將更適合于海上風電。
       但到目前為止，雙饋與直驅都各有優缺點。由于所站的立場不同，行業內各方的觀點沒法完全統一，加之缺乏相關統計數據，很難準確且定量地對兩者的優勢進行全面而公正的對比分析。但可以肯定的是，機組技術的成熟性、質量的穩定性和可靠性、及時且低成本的維修與維護將是市場選擇最重要的標準。

3. 各種“全功率變流”技術爭相發展
       相對于雙饋部分功率變流機組而言，全功率變流技術使機組在更寬的轉速范圍內運行，因而提升了機組的發電量。據相關資料顯示，2MW 高速永磁機組采用高速永磁全功率變流技術，年發電量比雙饋機組要高5% 左右。直驅機組就是典型的全功率變流機組，但是隨著單機容量的增加，直驅機組重量增加特別明顯（如表1 所示），由此帶來成本、運輸、吊裝、維修等一些列的問題，因而出現了各種帶齒輪箱的全功率變流機組。
         常見的全功率變流機組除直驅以外，還有半直驅、混合驅動或緊湊型等中速永磁機組，高速永磁機組，以及采用高速籠型異步發電機的全功率變流機組。從某種意義上講，他們都是直驅和雙饋機組的折中方案。因為他們既保留了直驅的全功率變流技術，縮減了直驅發電機的重量和尺寸，又借鑒了雙饋的增速齒輪傳動，提高了機組的綜合效率。通過折中之后，齒輪箱和發電機兩大部件在重量上都將得到顯著的降低。
       目前，除直驅以外，上述各種全功率變流技術在國內尚未大規模批量化應用，特別是半直驅技術。據悉， 價格昂貴是目前半直驅技術大規模推廣應用的主要障礙，但通過集成化設計及規模化生產，其競爭力將越來越強。例如，Winergy 公司近年來推出的HybridDrive 混合驅動技術，通過采用齒輪箱與發電機集成設計，傳動鏈重量實現了最小化，傳動鏈的長度也可縮短35% ～ 50%[12]。此外，齒輪箱和發電機兩大部件采用獨立拆卸的結構設計，特別適合于海上風電的維護需求。因此，在傳動系統中采用集成化設計和緊湊型結構被認為是未來特大型風電機組的發展趨勢。

4. “同步級并網”的提出
       可以說，由于提升了電網中風電的穿透水平，電力電子技術催生了現代風電產業的繁榮。但是，由于風電與生俱來的不穩定性和可調控性差等毛病，在其電網穿透率不斷提升的過程中，對電網的安全穩定運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、風場無功控制不到位等方面的問題，致使機組大規模脫網事故頻發。而且，機組因低電壓脫網后往往導致系統無功過剩，進而又引發高電壓脫網等次生事故。
       對此，國家目前采取的解決辦法是對現有機組進行低電壓穿越能力的技術改造，并為每臺機組增設無功補償裝置。截止2013 年9 月，國家風電技術與監測研究中心對全國247 個風電場進行了低電壓穿越能力技術改造的抽檢，最終98%的機組都獲得通過。但據了解，僅雙饋機組因低電壓穿越技術改造而花費的成本就逾百億，將來若再進行高電壓穿越技術改造，費用更是不菲。
       另一方面，通過采用全功率變流技術提升了機組的低電壓穿越性能，但即便如此，其對電網的支撐能力仍遠遜于常規發電機組。與電力系統中大量使用的火力或水力同步發電機組相比，雙饋和直驅等主流機組的暫態過載能力較弱，在電網發生故障時雖能實現穿越，卻難以構筑“堅強”的電力系統。
       為解決以上問題，國外效仿常規火力發電機組采用同步發電機直接并網的方式，首先提出了“同步級并網”風電機組的概念。由于發電機本身就能發出電網所需的無功功率，因此不需要增設無功補償裝置，省去了技術改造的費用。而要實現這種概念需對機組傳動系統進行恒速設計，使同步發電機始終恒速運行，發出頻率和電壓與電網一致的電，然后直接并網。所以，該技術的另一個好處是省去了價格昂貴且國產化仍然不足的變流器。

       目前， 國外已成功推出WinDrive 液力調速裝置， 實現了機組傳動鏈的恒速輸出，國內也有大量文章對該裝置進行了分析和研究。但是，WinDrive 系統設計較為復雜，技術難度大，國內尚無企業掌握該技術。而且，變矩器內部工作油的壓力很高，因此有人質疑其在長期運行過程中存在密封失效的風險，進而導致其使用成本很高。除此之外，類似的設計還有Windtec 公司提出了超級油泵油馬達差動齒輪組合調速裝置的原理模型，SET 公司提出了用變頻電機與差動齒輪組合調速的原理模型，其目的都是為了實現傳動鏈的恒速輸出。近年，國內清華大學電機工程系研發出了一種新型恒速輸出裝置——變頻調速電磁耦合器，并在一款1.5MW 機組樣機上成功得到了應用。其需要配備的調速變頻器的容量僅為機組額定功率的15%左右，比雙饋機組用的變頻器還要小。經過理論分析，耦合器額定運行時的效率能達到98% 左右，可實現比較高效的傳動。由于采用過電磁耦合實現輸入輸出軸的非接觸式連接，消除了傳動系統的沖擊載荷，特別適合應用在機組傳動鏈中。目前，這種技術在結構和重量上都還有進一步優化的空間，但是并不影響其潛在的競爭優勢，從長遠分析，這種新型傳動技術將有望引領“同步級并網”技術的發展方向。

5. 總結
       風力發電作為戰略性新興產業，與常規的火力及水力發電比較，技術還不是很成熟。加之風能的隨機性和可控性相對較差，其技術難度比常規發電系統更高。風力發電機組雖然已大規模應用了十幾年的時間，但仍需要更多的時間來檢驗其可靠性，并為風電機組技術的逐步完善積累經驗，特別是對那些剛推出的尚缺乏實際應用經驗的新技術更是如此。
       作為目前并網型風電機組的主流機型，水平軸機組的技術發展狀況直接決定了未來風電產業的發展。縱觀水平軸機組的發展歷程，新技術的出現和應用基本都是為了提高機組發電量、降低機組重量和成本、提升系統運行可靠性和電網安全性能等目的。且隨著風電在電網中所占比例的不斷提升，機組系統設計將更多地考慮電網友好性和安全性要求。如果說水平軸機組的第一次技術變革實現了風力發電機組“量”的提升——即風能的最大化利用和電網穿透率的提升，那么，其第二次技術變革將是對機組“質”的提升——即做到真正意義上的電網友好和安全運行。因為只有這樣，風電才會發展地更好。