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摘要：人类利用风能的历史非常悠久。在公元前，古人就利用风力作为灌溉、提水等农业生产生活以及船舶航行的动力。但数千年来风能利用都属于直接利用，风能利用技术的发展非常缓慢。本文就风电的相关问题和技术发展进行探讨，对风电技术发展中的问题和发展趋势做了具体分析。
关键词：风电；变流器；技术现状；发展趋势；低电压
中图分类号：TM6文献标识码： A
一、风电行业的现状及发展趋势
风力发电在中国的起步较晚，并网型的风力发电机组是在1985年才开始研制。由于我国风力发电技术的基础薄弱，引进自主研发的路线不断发展。到了2010年，我国风力发电总量更达到了501亿千瓦。我国成为全球第四、亚洲第一的风力发电大国，是继美国之后的第二大风力发电国家。风力发电产业虽然得到了迅猛发展，但我国大功率风机的制造与国外存在很大差距，核心技术缺少具有自主知识产权，国产风机的生产技术与国外相比足足落后了10年。作为风力发电技术发展前沿的永磁直驱风力、变速变频发电技术，国内少数企业也已研发出来，但和国外相比，功率等级偏低，而且没有实现真正的规模化、国产化和大功率化。同时，国内大型风力发电设备制造商尚未掌握大功率风机的总体制造技术及重要部件的核心技术，仍然采用国外技术。此外，由于电网调峰能力有限及风力发电场远离负荷中心等因素，风力发电上网难也制约着我国风力发电产业的发展。虽然我国风力发电产业依然存在各类问题，但在国家风力发电政策积极的推动下，国内的风力发电产业的保持着良好的发展势头。
二、风电变流器产业现状与发展
一般来说，根据发电机的类型，风力发电系统可以分为两类：直驱型和双馈型。而相应的变流器类型，则分为双馈型变流器和全功率型变流器两大类。其中双馈型变流器主要应用于双馈型风力发电系统，而全功率变流器主要应用于直驱型风力发电系统，如采用低速永磁同步发电机、中速永磁同步发电机、高速永磁同步发电机、髙速电励磁同步发电机等发电机的风力发电系统。风电变流器的技术含量主要体现在系统集成技术和大功率电力电子技术以及各种风况下控制软件的动态响应能力上。
我国使用的风电变流器大多数都是引进国外的先进技术，国产的趋势近几年才开始显现出来，我国目前为了减小对国外变流器的价格和技术垄断，开始着手研发拥有自主产权的技术，目前，拥有自主产权的我国自主研发的变流器已推向市场，并在多处被运用，我国目前的生产技术也逐渐变得成熟，这对促进我国电力实业的发展具有很重要的意义，风电变流器的国产化让我国的风电技术逐渐的变成自主的产权，有利于我国的知识产权的不断发展和完善。一般来说，要想利用更多的风能，风电变流器的等级必须尽可能的提高，这样才能有效增加风能的利用率，尤其对海上发电来说，加大这一趋势有非常大的必要，对风电变流器功率的提高是研究的又一方向。
直驱式风电变流器市场份额逐年递增双馈式风电变流器一直以来占风电变流器的主流地位，这是由于双馈型机组的双馈式异步发电机具有技术成熟、成本低、体积小等优点。然而直驱型风力发电系统有着发电机与电网间无直接耦合、无高故障率齿轮箱、低电压穿越能力强、捕获风能范围宽、可靠性高等优点，其市场份额持续增长，预计2015年国内新增装机容量的市场份额可达到48%，因此直驱式风力发电系统采用的全功率变流器是风电变流器发展的重要趋势。
三、风电变流器技术发展
随着风电技术的不断完善和深入发展，风电变流器将会朝着电网友好型、智能型、高可靠型的方向不断发展。
1.控制技术不断优化，以满足风场风电机组对电网友好的需要
因风能具有高度的随机波动性与间歇性，大容量的风电接入会对电力供需平衡、电力系统的安全以及电能质量带来诸多严峻的挑战。从风电场角度考虑，风机需要具有低电压穿越能力，确保电网发生波动时风机不解列。针对常见的电网故障造成的三相不对称电压跌落情况，要求未来的风电变流器能像现在的对称跌落情况一样对电网补无功，以支持电网的恢复。风电变流器要能满足分布式风电的并网技术要求。目前我国风电开发利用以大规模集中开发、远距离输送为主，在发展过程中遇到消纳难、送出难等问题。为了缓解目前大规模风电发展的瓶颈，需要因地制宜地发展分布式风电，让风电就近接入负荷侧。由于我国配电网较为薄弱，为适应分布式风电的并网运行特点，要求风电变流器在电压偏差、闪变、谐波等技术方面进一步提高技术水平，风电变流系统应能实现有功和无功的远程调节控制，并避免有功功率的陡升和陡降，能配合风电机组进行电网电压控制。分布式发电存在可能孤岛运行的问题，全功率变流器需要具有防孤岛功能。
2.将具备故障智能诊断和远程监控功能
由于风电场都建在偏远地区，实现现场无人值守、少人值班的远程监视与控制是大势所趋。风机变流器需要实时将工作状态信息提供给风电场的远程监控系统，配合远程监控系统评估变流器装置的可靠性，并对关键零部件寿命进行预测，以便于及时安排检修和维护；要求能自动记录和留存风电变流器故障发生前后一段时间的电流、电压等各种波形，能通过远程监控系统传输给技术人员进行分析处理。
3.电压等级将越来越高，功率器件将多样化
目前风电变流器以低压690V为主流，采用3000V或3300V中压变流器的机组总共不超过百台。随着机组功率增大，变流器单机功率也将越来越大，为了降低损耗和提高系统效率，中压变流器今后几年将有很大发展，高压风电变流器也将逐步出现。在功率器件应用趋势方面，可以预计，双馈风电变流器仍将采用1700V等级的IGBT器件。功率小于3MW的全功率风电变流器将采用1700V等级的IGBT；功率大于5MW的变流器，根据各风电变流器厂家的实际情况及自身的技术积累会选用IGBT、IEGT或IGCT器件。
4.系统拓扑结构随风电机组容量的增大不断发展和创新
未来双馈变流器与全功率变流器将长期并存，仍都是主流。双馈风电变流器还将是采用背靠背的电压型PWM二电平变流器形式。3MW以下的全功率风电变流器仍然将采用当前主流的2种拓扑结构，即一种是二极管不控整流+升压+两电平逆变的拓扑结构；另一种是二电平PWM整流器+二电平PWM逆变器的拓扑结构。对于大于5MW全功率风电变流器，其拓扑结构的发展趋势为不控整流+中点箝位三电平逆变，或为背靠背的中点箝位三电平变流器。目前风电变流器功率器件开关频率一般在2000~3000Hz之间，未来随着风电变流器容量的不断增大，开关频率将大为降低。为降低谐波含量，变流器的移相、并联技术将得到广泛应用。随着海上风电技术和高压直流输电技术的发展和成熟，一种全新的风电变流系统拓扑将得到应用。各风电机组的输出电压由各自的整流变流器整流成直流电压后串联成更高的直流电压，通过高压直流输电方式输出到并网变电站进行集中逆变并网，并网变电站的多个PWM逆变器同样是在直流侧进行串联并输入高压，各逆变器可采用载波移相控制技術，在开关频率较低的情况下保证输出电流的谐波含量较低。这种系统的拓扑结构能降低风场项目总成本和损耗，有很好的应用前景。
四、风电系统的低电压穿越技术
针对目前风电系统低电压穿越的研究现状，根据是否在风电系统中增加额外的硬件设备，低电压穿越技术可分为基于风电系统控制算法和增加辅助硬件的实现方式，如图所示，其中基于控制算法的实现方式可分为风力机的控制和变流器的控制；基于增加辅助硬件的实现可分为增加保护电路，储能系统，串并联辅助变流器，串联无源阻抗，加入动态电压补偿器以及其他无功补偿设备等措施。
综上所述，目前我国风电还处于不断的发展之中，风电变流器的技术也在不断地发展变化，这对我国风电事业的发展有很好的促进作用。
参考文献：
[1]叶宣甫.风力发电并网变流器的研究与设计[D].中南大学，2012.
[2]刘昌金.适应电网环境的双馈风电机组变流器谐振控制[D].浙江大学，2012.
[3]李瑞.永磁直驱风力发电变流器的并联运行研究[D].哈尔滨工业大学，2013.
关键词：风电；变流器；技术现状；发展趋势；低电压
中图分类号：TM6文献标识码： A
一、风电行业的现状及发展趋势
风力发电在中国的起步较晚，并网型的风力发电机组是在1985年才开始研制。由于我国风力发电技术的基础薄弱，引进自主研发的路线不断发展。到了2010年，我国风力发电总量更达到了501亿千瓦。我国成为全球第四、亚洲第一的风力发电大国，是继美国之后的第二大风力发电国家。风力发电产业虽然得到了迅猛发展，但我国大功率风机的制造与国外存在很大差距，核心技术缺少具有自主知识产权，国产风机的生产技术与国外相比足足落后了10年。作为风力发电技术发展前沿的永磁直驱风力、变速变频发电技术，国内少数企业也已研发出来，但和国外相比，功率等级偏低，而且没有实现真正的规模化、国产化和大功率化。同时，国内大型风力发电设备制造商尚未掌握大功率风机的总体制造技术及重要部件的核心技术，仍然采用国外技术。此外，由于电网调峰能力有限及风力发电场远离负荷中心等因素，风力发电上网难也制约着我国风力发电产业的发展。虽然我国风力发电产业依然存在各类问题，但在国家风力发电政策积极的推动下，国内的风力发电产业的保持着良好的发展势头。
二、风电变流器产业现状与发展
一般来说，根据发电机的类型，风力发电系统可以分为两类：直驱型和双馈型。而相应的变流器类型，则分为双馈型变流器和全功率型变流器两大类。其中双馈型变流器主要应用于双馈型风力发电系统，而全功率变流器主要应用于直驱型风力发电系统，如采用低速永磁同步发电机、中速永磁同步发电机、高速永磁同步发电机、髙速电励磁同步发电机等发电机的风力发电系统。风电变流器的技术含量主要体现在系统集成技术和大功率电力电子技术以及各种风况下控制软件的动态响应能力上。
我国使用的风电变流器大多数都是引进国外的先进技术，国产的趋势近几年才开始显现出来，我国目前为了减小对国外变流器的价格和技术垄断，开始着手研发拥有自主产权的技术，目前，拥有自主产权的我国自主研发的变流器已推向市场，并在多处被运用，我国目前的生产技术也逐渐变得成熟，这对促进我国电力实业的发展具有很重要的意义，风电变流器的国产化让我国的风电技术逐渐的变成自主的产权，有利于我国的知识产权的不断发展和完善。一般来说，要想利用更多的风能，风电变流器的等级必须尽可能的提高，这样才能有效增加风能的利用率，尤其对海上发电来说，加大这一趋势有非常大的必要，对风电变流器功率的提高是研究的又一方向。
直驱式风电变流器市场份额逐年递增双馈式风电变流器一直以来占风电变流器的主流地位，这是由于双馈型机组的双馈式异步发电机具有技术成熟、成本低、体积小等优点。然而直驱型风力发电系统有着发电机与电网间无直接耦合、无高故障率齿轮箱、低电压穿越能力强、捕获风能范围宽、可靠性高等优点，其市场份额持续增长，预计2015年国内新增装机容量的市场份额可达到48%，因此直驱式风力发电系统采用的全功率变流器是风电变流器发展的重要趋势。
三、风电变流器技术发展
随着风电技术的不断完善和深入发展，风电变流器将会朝着电网友好型、智能型、高可靠型的方向不断发展。
1.控制技术不断优化，以满足风场风电机组对电网友好的需要
因风能具有高度的随机波动性与间歇性，大容量的风电接入会对电力供需平衡、电力系统的安全以及电能质量带来诸多严峻的挑战。从风电场角度考虑，风机需要具有低电压穿越能力，确保电网发生波动时风机不解列。针对常见的电网故障造成的三相不对称电压跌落情况，要求未来的风电变流器能像现在的对称跌落情况一样对电网补无功，以支持电网的恢复。风电变流器要能满足分布式风电的并网技术要求。目前我国风电开发利用以大规模集中开发、远距离输送为主，在发展过程中遇到消纳难、送出难等问题。为了缓解目前大规模风电发展的瓶颈，需要因地制宜地发展分布式风电，让风电就近接入负荷侧。由于我国配电网较为薄弱，为适应分布式风电的并网运行特点，要求风电变流器在电压偏差、闪变、谐波等技术方面进一步提高技术水平，风电变流系统应能实现有功和无功的远程调节控制，并避免有功功率的陡升和陡降，能配合风电机组进行电网电压控制。分布式发电存在可能孤岛运行的问题，全功率变流器需要具有防孤岛功能。
2.将具备故障智能诊断和远程监控功能
由于风电场都建在偏远地区，实现现场无人值守、少人值班的远程监视与控制是大势所趋。风机变流器需要实时将工作状态信息提供给风电场的远程监控系统，配合远程监控系统评估变流器装置的可靠性，并对关键零部件寿命进行预测，以便于及时安排检修和维护；要求能自动记录和留存风电变流器故障发生前后一段时间的电流、电压等各种波形，能通过远程监控系统传输给技术人员进行分析处理。
3.电压等级将越来越高，功率器件将多样化
目前风电变流器以低压690V为主流，采用3000V或3300V中压变流器的机组总共不超过百台。随着机组功率增大，变流器单机功率也将越来越大，为了降低损耗和提高系统效率，中压变流器今后几年将有很大发展，高压风电变流器也将逐步出现。在功率器件应用趋势方面，可以预计，双馈风电变流器仍将采用1700V等级的IGBT器件。功率小于3MW的全功率风电变流器将采用1700V等级的IGBT；功率大于5MW的变流器，根据各风电变流器厂家的实际情况及自身的技术积累会选用IGBT、IEGT或IGCT器件。
4.系统拓扑结构随风电机组容量的增大不断发展和创新
未来双馈变流器与全功率变流器将长期并存，仍都是主流。双馈风电变流器还将是采用背靠背的电压型PWM二电平变流器形式。3MW以下的全功率风电变流器仍然将采用当前主流的2种拓扑结构，即一种是二极管不控整流+升压+两电平逆变的拓扑结构；另一种是二电平PWM整流器+二电平PWM逆变器的拓扑结构。对于大于5MW全功率风电变流器，其拓扑结构的发展趋势为不控整流+中点箝位三电平逆变，或为背靠背的中点箝位三电平变流器。目前风电变流器功率器件开关频率一般在2000~3000Hz之间，未来随着风电变流器容量的不断增大，开关频率将大为降低。为降低谐波含量，变流器的移相、并联技术将得到广泛应用。随着海上风电技术和高压直流输电技术的发展和成熟，一种全新的风电变流系统拓扑将得到应用。各风电机组的输出电压由各自的整流变流器整流成直流电压后串联成更高的直流电压，通过高压直流输电方式输出到并网变电站进行集中逆变并网，并网变电站的多个PWM逆变器同样是在直流侧进行串联并输入高压，各逆变器可采用载波移相控制技術，在开关频率较低的情况下保证输出电流的谐波含量较低。这种系统的拓扑结构能降低风场项目总成本和损耗，有很好的应用前景。
四、风电系统的低电压穿越技术
针对目前风电系统低电压穿越的研究现状，根据是否在风电系统中增加额外的硬件设备，低电压穿越技术可分为基于风电系统控制算法和增加辅助硬件的实现方式，如图所示，其中基于控制算法的实现方式可分为风力机的控制和变流器的控制；基于增加辅助硬件的实现可分为增加保护电路，储能系统，串并联辅助变流器，串联无源阻抗，加入动态电压补偿器以及其他无功补偿设备等措施。
综上所述，目前我国风电还处于不断的发展之中，风电变流器的技术也在不断地发展变化，这对我国风电事业的发展有很好的促进作用。
参考文献：
[1]叶宣甫.风力发电并网变流器的研究与设计[D].中南大学，2012.
[2]刘昌金.适应电网环境的双馈风电机组变流器谐振控制[D].浙江大学，2012.
[3]李瑞.永磁直驱风力发电变流器的并联运行研究[D].哈尔滨工业大学，2013.