Введение

Глобальная энергетическая трансформация и стремление к углеродной нейтральности сделали ветроэнергетику одним из самых быстрорастущих секторов мировой экономики. По данным Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), по состоянию на начало 2026 года совокупная установленная мощность ветровых электростанций (ВЭС) в мире достигла 1,29 ТВт, при этом сегмент морской (офшорной) ветроэнергетики продемонстрировал мощность свыше 91,3 ГВт [1]. В стремлении снизить нормированную стоимость электроэнергии и максимизировать выработку индустрия непрерывно увеличивает мощность установок. Сегодня в офшорной ветроэнергетике активно внедряются турбины мощностью 14–16 МВт, а недавно в Китае введена в опытную эксплуатацию турбина мощностью 20 МВт (MySE18.X-20MW).

В России сектор возобновляемой энергетики также демонстрирует уверенный рост, адаптируясь к мировым трендам. Согласно данным Ассоциации развития возобновляемой энергетики (АРВЭ), по итогам I квартала 2026 года совокупная установленная мощность ВЭС в единой энергетической системе (ЕЭС) России достигла 2 857,5 МВт, распределённых по 29 электростанциям [2]. И хотя доля всех возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в общем объёме потребления электроэнергии в стране пока находится на уровне 1,12%, успешная реализация и эксплуатация таких крупных проектов, как Гражданская ВЭС, Кочубеевская ВЭС и Кольская ВЭС, свидетельствует о наращивании практического опыта эксплуатации крупных ветропарков в российских условиях [2].

Вместе с тем мировой вектор развития отрасли определяется неуклонным ростом единичной мощности ВЭУ, что ставит перед силовой электроникой ряд серьёзных инженерных задач. Традиционные низковольтные системы преобразования, массово применяемые в турбинах мощностью до 3–5 МВт, становятся технически и экономически нецелесообразными при переходе к мультимегаваттному (10+ МВт) классу.

В этих условиях мировой тренд смещается в сторону преобразовательных систем среднего напряжения. Повышение рабочего напряжения позволяет снизить токи, уменьшить сечение кабелей и ограничить массогабаритные параметры оборудования. Тем не менее переход к среднему напряжению делает применение классических двухуровневых схем малоэффективным и приводит к необходимости применения многоуровневых топологий силовых преобразователей.

Целью настоящей статьи является комплексный обзор современных и перспективных топологий силовых преобразователей для высокомощных ВЭУ. В работе проводится детальный анализ инженерных компромиссов каждой архитектуры с точки зрения качества выходного напряжения, теплового баланса и масштабируемости.

Структура статьи выстроена следующим образом. В первом разделе рассматривается эволюция архитектур подключения ветроустановок к электросети: от базовых асинхронных генераторов до современных систем с преобразователями полной мощности. Во втором разделе проводится детальный анализ топологий, применяемых в преобразователях полной мощности: двухуровневые преобразователи и трёхуровневые схемы с фиксированной нейтралью. В третьем разделе представлен системный обзор перспективных решений, способных преодолеть технические барьеры в классе сверхмощных турбин (15–20 МВт), включая модульные многоуровневые преобразователи, гибридные пятиуровневые схемы и топологии на базе генераторов с независимыми обмотками.

Эволюция архитектур силовых преобразователей ВЭУ

Первое поколение ветроэнергетических установок (ВЭУ), подключённых к сети, появилось в 1980-х годах. Базовая архитектура этих турбин отличалась максимальной простотой: в качестве электрической машины использовался асинхронный генератор с короткозамкнутым ротором без какого-либо контроля, который подключался практически напрямую к электросети [3].

Роль силовой электроники в этой конфигурации была минимальной и сводилась к использованию тиристорного устройства плавного пуска. Оно ограничивало высокие пусковые токи, предотвращая сильные просадки напряжения в сети и ударные нагрузки на механическую трансмиссию турбины. Как только генератор выходил на рабочую частоту вращения и синхронизировался с сетью, тиристорный коммутатор шунтировался, и машина продолжала работать в прямом подключении к сети. В результате все колебания ветра напрямую трансформировались в пульсации электрической мощности в сети.

В 1990-х годах для снижения механических нагрузок на турбину и расширения рабочего диапазона ветроэнергетические установки перешли к топологии с асинхронным генератором с фазным ротором. В этой конфигурации статор по-прежнему подключался к сети напрямую через устройство плавного пуска, а в цепь ротора вводилось внешнее регулируемое сопротивление.

Внешнее сопротивление ротора регулировалось с помощью простого преобразователя, состоящего из диодного моста и IGBT-чоппера. Эквивалентное значение сопротивления ротора динамически изменялось в зависимости от скважности IGBT-чоппера, что позволяло турбине работать в разных рабочих точках, обеспечивая умеренный диапазон регулирования скорости вращения. Однако регулирование скорости осуществлялось в очень узких пределах — как правило, менее 10% от номинальной скорости вращения [3] — и сопровождалось значительными потерями, так как избыточная энергия скольжения не возвращалась в сеть, а просто рассеивалась в виде тепла на резисторах. Данная топология была вытеснена более гибкими решениями, рассматриваемыми далее.

Асинхронный генератор двойного питания (DFIG)

Концепция ветроустановок, использующая асинхронный генератор двойного питания (DFIG — Doubly-Fed Induction Generator), была внедрена в 1990-х годах [4]. Данная технология ознаменовала собой переход к широкому регулированию скорости вращения турбины и качественному улучшению взаимодействия ВЭУ с энергосистемой.

Обмотки статора DFIG напрямую подключены к электросети, тогда как обмотки ротора подключены к электросети через преобразователь, обычно имеющий 30% мощности ветряной турбины [5], [6]. В качестве преобразователя стандартно применяется двухуровневая схема на базе двух инверторов напряжения, включённых встречно (2L-BTB VSC), со звеном постоянного тока. Такая схема позволяет частично контролировать реактивную и активную мощность, подаваемую в сеть, управляя током ротора. Однако, поскольку статор напрямую соединён с сетью, даже при управлении полем ротора механические и аэродинамические колебания частично передаются в сеть.

В этой концепции преобразователь регулирует ток ротора, тем самым обеспечивая контроль электромагнитного момента, активной и реактивной мощности. Диапазон изменяемой скорости может быть расширен до ±30% от синхронной скорости генератора [7], [8].

Наиболее распространённым техническим решением для защиты роторного преобразователя является схема crowbar — набор резисторов, подключаемых параллельно обмоткам ротора при обнаружении аварийного перенапряжения. При срабатывании защиты преобразователь отключается, а ток ротора протекает через резисторы, ограничивая перенапряжение. Однако в период работы защиты генератор фактически переходит в режим обычного асинхронного генератора и потребляет реактивную мощность из сети, что противоречит современным требованиям сетевых стандартов к поддержанию напряжения во время провала [11]. Это ограничение стимулировало разработку активных схем защиты — в частности, схем с активным crowbar и дополнительными DC-чопперами в звене постоянного тока, позволяющих сохранить управляемость преобразователя в течение всего провала напряжения [3], [12].

Преобразователь полной мощности (ППМ)

В начале 2000-х годов широкое промышленное распространение получила концепция преобразователя полной мощности (ППМ). Её главным отличием стал отказ от прямого подключения обмоток электрической машины к сети: вся вырабатываемая генератором мощность проходит через силовой преобразователь. Такая архитектура позволяет осуществлять полный контроль и оптимизацию процесса преобразования энергии ветра во всём диапазоне скоростей [13].

Топология ППМ совместима с несколькими типами электрических машин [4]:

• Асинхронный генератор с короткозамкнутым ротором в связке с ППМ и редуктором — простая и надёжная конструкция, регулирование скорости обеспечивается развязкой от сети через преобразователь.
• Синхронный генератор с обмоткой возбуждения без редуктора — многополюсная машина напрямую соединяется с валом ротора турбины, что исключает редуктор как источник механических отказов.
• Синхронный генератор на постоянных магнитах в сочетании с ППМ — наиболее распространённый в современных установках вариант, реализуемый как в схеме прямого привода, так и со среднескоростным редуктором [14].

В классическом исполнении ППМ состоит из двух ключевых узлов, соединённых через общую шину постоянного тока. Преобразователь на стороне генератора управляет токами статора, обеспечивая точное регулирование электромагнитного момента и реализацию алгоритмов максимизации отбора энергии (MPPT). Преобразователь на стороне сети поддерживает стабильное напряжение в звене постоянного тока, управляет обменом активной и реактивной мощностью с сетью и контролирует коэффициент мощности [7].

Топологии преобразователей полной мощности для установок малой и средней мощности

Выбор топологии силовой схемы преобразователя полной мощности определяется совокупностью взаимосвязанных требований: номинальной мощностью установки, рабочим уровнем напряжения, допустимым уровнем гармонических искажений и скоростью нарастания напряжения (du/dt), характером распределения тепловых потерь между силовыми ключами, требованиями к отказоустойчивости, а также технологической зрелостью решения.

1. Двухуровневый преобразователь напряжения (2L-BTB VSC)

Двухуровневый преобразователь напряжения — одна из наиболее распространённых и технологически освоенных топологий силовой электроники для ветроэнергетических установок малой и средней мощности [22]. Базовая конфигурация состоит из двух трёхфазных мостов, объединённых общим звеном постоянного тока. Технология считается одной из основных в диапазоне мощности до 3–5 МВт [22].

2. Параллельное соединение нескольких модулей 2L-BTB

Для достижения высокой пропускной способности по току несколько 2L-BTB модулей могут быть соединены параллельно в зависимости от требуемой мощности [28]. Такая топология позволяет наращивать мощность ветроустановки, используя массовые и дешёвые низковольтные компоненты. Модульность системы облегчает обслуживание и может улучшать отказоустойчивость при частичном выводе одного из модулей из работы.

Пример: в ветротурбине Gamesa G128 параллельно соединено более 6 преобразователей мощности для достижения номинальной мощности 4,5 МВт [29].

Основным недостатком является предел масштабируемости: соединение низковольтных модулей для турбин мощностью 10+ МВт становится экономически и технически нецелесообразным из-за роста сложности системы управления и количества силовых кабелей внутри башни и гондолы [30], [31].

3. Трёхуровневый преобразователь с фиксированной нейтральной точкой (3L-NPC)

Когда уровень мощности превышает 3–5 МВт, многоуровневый преобразователь становится предпочтительнее как по экономическим, так и по техническим причинам. По архитектуре топология аналогична двухуровневому преобразователю, однако каждый из инверторов заменён трёхуровневым преобразователем с нейтральной точкой.

Плечо 3L-NPC инвертора состоит из четырёх последовательно соединённых полностью управляемых силовых ключей и двух фиксирующих диодов, соединяющих средние точки ключей с нейтральной точкой расщеплённого звена постоянного тока. Формирование трёх дискретных уровней напряжения относительно нейтрали позволяет получить пятиуровневую форму линейного напряжения на выходе преобразователя, что существенно снижает THD и du/dt по сравнению с двухуровневой топологией [25], [32].

4. Активный трёхуровневый преобразователь с фиксированной нейтральной точкой (3L-ANPC)

Развитием классической схемы 3L-NPC стала топология активного трёхуровневого инвертора с фиксирующей нейтралью (3L-ANPC), предложенная для улучшения распределения потерь и теплового баланса между силовыми ключами [34]. Структурно топология практически идентична 3L-NPC, однако фиксирующие диоды заменены на активные полностью управляемые полупроводниковые ключи.

Благодаря этому появляется возможность динамически изменять траектории протекания тока и гибко использовать нейтральную точку звена постоянного тока для перераспределения коммутационных потерь и выравнивания тепловой нагрузки на все кристаллы полупроводников в плече преобразователя [35]. Сравнительные исследования показывают, что 3L-ANPC обеспечивает более равномерное распределение тепловых потерь, что повышает допустимую выходную мощность преобразователя [36] и позволяет поднять рабочую частоту коммутации ключей.

Перспективные топологии для ВЭУ мощностью 10 МВт и выше

1. Модульные многоуровневые преобразователи (MMC)

По мере роста единичной мощности ветроэнергетических установок до диапазона 10 МВт и выше всё более острой становится задача снижения токовых нагрузок при сохранении приемлемого уровня потерь и габаритов силовой части. Модульные многоуровневые преобразователи (MMC), изначально разработанные для систем передачи электроэнергии высокого напряжения постоянного тока (HVDC) [37], рассматриваются как одно из перспективных направлений развития силовой электроники для ветроэнергетики нового поколения.

Архитектура MMC основана на трёхфазной мостовой структуре, в которой в каждом плече последовательно соединено N идентичных модулей. Наиболее распространённым вариантом модуля является полумост (Half-Bridge) [38], обеспечивающий приемлемый компромисс между стоимостью, уровнем потерь и функциональностью [39]. Управляя состоянием отдельных модулей, преобразователь синтезирует выходное напряжение с числом уровней 2N+1, близкое к синусоидальному [40].

2. Пятиуровневый преобразователь 5L-H-NPC

Ещё одним потенциальным кандидатом для применения в сверхмощных ветроустановках является гибридная пятиуровневая топология 5L-H-NPC [44]. Силовая ячейка такого преобразователя представляет собой H-мост, каждое плечо которого выполнено по схеме трёхуровневого NPC инвертора. Такая структура формирует пять дискретных уровней фазного напряжения и девять уровней линейного напряжения, обеспечивая существенное снижение THD [45].

Топология уже применяется в промышленном электроприводе большой мощности (до 30 МВт, например TMEiC TMdrive-XL85). Для ветроэнергетики 5L-H-NPC на сегодня представляет исследовательский интерес как компромиссное решение между сложностью MMC и ограниченностью трёхуровневых схем.

3. Преобразователи на базе СГ с постоянными магнитами с независимыми обмотками (OW-PMSG)

Среди перспективных архитектурных решений для сверхмощных ветроэнергетических установок отдельного внимания заслуживает топология на основе генератора на постоянных магнитах с независимыми обмотками статора (OW-PMSG — Open-Winding Permanent Magnet Synchronous Generator). Оба конца каждой фазной обмотки статора подключаются к независимым силовым преобразователям, что позволяет получить многоуровневый эффект на уровне генератора без усложнения топологии инверторного плеча [46].

Сводное сравнение топологий

Заключение

Список используемых источников

1. International Renewable Energy Agency (IRENA). Renewable Capacity Statistics 2026. — Abu Dhabi : IRENA, 2026. — ISBN 978-92-9260-725-8.
2. Ежеквартальный информационный обзор рынка ВИЭ в России (январь – март 2026) / Ассоциация «Российское энергетическое агентство».
3. Wu B., Lang Y., Zargari N., Kouro S. Power Conversion and Control of Wind Energy Systems. — Hoboken : John Wiley & Sons, 2011. — 624 p.
4. Blaabjerg F., Ma K. Future on Power Electronics for Wind Turbine Systems // IEEE JESTPE. — 2013. — Vol. 1, No. 3. — P. 139–152.
5. Muller S., Deicke M., De Doncke R. W. Doubly fed induction generator systems for wind turbines // IEEE Industry Applications Magazine. — 2002. — Vol. 8, No. 3. — P. 26–33.
6. Xiang D., Ran L., Tavner P. J., Yang S. Control of a doubly fed induction generator in a wind turbine during grid fault ride-through // IEEE Transactions on Energy Conversion. — 2006. — Vol. 21, No. 3. — P. 652–662.
7. Teodorescu R., Liserre M., Rodriguez P. Grid Converters for Photovoltaic and Wind Power Systems. — Chichester : John Wiley & Sons, 2011. — 407 p.
8. Мазалов А. А. Адаптивная ветроустановка с машиной переменного тока двойного питания // Известия ЮФУ. Технические науки. — 2012. — №1.
9. Lima F. K. A., Luna A., Rodriguez P., Watanabe E. H., Blaabjerg F. Rotor voltage dynamics in the doubly fed induction generator during grid faults // IEEE Transactions on Power Electronics. — 2009. — Vol. 25, No. 1. — P. 118–130.
10. Santos-Martin D., Rodriguez-Amenedo J. L., Arnaltes S. Providing ride-through capability to a doubly fed induction generator under unbalanced voltage dips // IEEE Transactions on Power Electronics. — 2009. — Vol. 24, No. 7. — P. 1747–1457.
11. Boujoudi B., Kheddioui E., Machkour N., Achalhi A., Bezza M. Comparative study between different types of control of the wind turbine in case of voltage dips // REPS-GIE 2018, Marrakech.
12. Okedu K.E., Muyeen S.M., Takahashi R., Tamura J. Comparative Study between Two Protection Schemes for DFIG-based Wind Generator // ICEMS 2010, Incheon. — P. 123–128.
13. Chen Z., Guerrero J. M., Blaabjerg F. A review of the State of the art of power electronics for wind turbines // IEEE Transactions on Power Electronics. — 2009. — Vol. 24, No. 8. — P. 1859–1875.
14. Nasiri M., Mohammadi R. Peak Current Limitation for Grid Side Inverter by Limited Active Power in PMSG-Based Wind Turbines During Different Grid Faults // IEEE Transactions on Sustainable Energy. — 2017. — Vol. 8, No. 1. — P. 3–12.
15. Polinder H., Ferreira J. A., Jensen B. B., Abrahamsen A. B., Atallah K., McMahon R. A. Trends in Wind Turbine Generator Systems // IEEE JESTPE. — 2013. — Vol. 1, No. 3. — P. 174–185.
16. Okedu K. E., Muyeen S. M. Comparative Performance of DFIG and PMSG Wind Turbines during Transient State in Weak and Strong Grid Conditions // Energies. — 2022. — Vol. 15, No. 23.
17. Abdelrahem M., Hackl C. M., Kennel R., Rodríguez J. Computationally efficient finite-position-set-phase-locked loop for sensorless control of PMSGs // IEEE Transactions on Power Electronics. — 2020. — Vol. 36, No. 3. — P. 3007–3016.
18. Chen B., Shrestha A., Ituzaro F. A., Fischer N. Addressing protection challenges associated with Type 3 and Type 4 wind turbine generators // 68th Annual Conference for Protective Relay Engineers. — 2015.
19. Mitrovic A., Strezoski L., Loparo K.A. Doubly Fed Induction Machine Models for Integration into Grid Management Software // Energies. — 2025. — Vol. 18, No. 1. — P. 147–163.
20. Blaabjerg F., Ma K., Zhou D. Power electronics and reliability in renewable energy systems // ISIE 2012, Hangzhou. — P. 19–30.
21. Liu Q., Appunn R., Hameyer K. Wind Turbine With Mechanical Power Split Transmission to Reduce the Power Electronic Devices // IEEE Transactions on Industrial Electronics. — 2017. — Vol. 64, No. 11. — P. 8811–8820.
22. Blaabjerg F., Liserre M., Ma K. Power electronics converters for wind turbine systems // ECCE 2011, Phoenix. — P. 281–290.
23. Bak-Jensen B. и др. Conceptual Survey of Generators and Power Electronics for Wind Turbines. — 2001.
24. Rodriguez J., Bernet S., Bin W., Pontt J. O., Kouro S. Multilevel voltage-source-converter topologies for industrial medium-voltage drives // IEEE Transactions on Industrial Electronics. — 2007. — Vol. 54, No. 6. — P. 2930–2945.
25. Teichmann R., Bernet S. A Comparison of Three-Level Converters Versus Two-Level Converters for Low-Voltage Drives, Traction, and Utility Applications // IEEE Transactions on Industry Applications. — 2005. — Vol. 41, No. 3. — P. 855–865.
26. Kouro S. и др. Recent advances and industrial applications of multilevel converters // IEEE Transactions on Industrial Electronics. — 2010. — Vol. 57, No. 8. — P. 2553–2580.
27. Liserre M., Blaabjerg F., Hansen S. Design and Control of an LCL-Filter-Based Three-Phase Active Rectifier // IEEE Transactions on Industry Applications. — 2005. — Vol. 41, No. 5. — P. 1281–1291.
28. Jones R., Waite P. Optimised power converter for multi-MW direct drive permanent magnet wind turbines // EPE 2011, Birmingham. — P. 1–10.
29. Andresen B., Birk J. A high power density converter system for the Gamesa G10x 4,5 MW wind turbine // EPE 2007, Aalborg. — P. 1–8.
30. Blaabjerg F., Ma K. Future on Power Electronics for Wind Turbine Systems // IEEE JESTPE. — 2013. — Vol. 1, No. 3. — P. 139–152.
31. Li H., Chen Z. A Review of Generators and Power Converters for Multi-MW Wind Energy Conversion Systems // PECon 2012, Kota Kinabalu. — P. 1–6.
32. 3-L NPC-инвертор: управление, режимы работы, расчёт параметров.
33. Ma K., Blaabjerg F. Power Devices Loading in Multilevel Converters for 10 MW Wind Turbines // ECCE 2011, Phoenix. — P. 3407–3414.
34. Ma K., Blaabjerg F. Loss Distribution Analysis of Three-Level Active Neutral-Point-Clamped (3L-ANPC) Converter // POWERENG 2011, Malaga. — P. 1–6.
35. Bruckner T., Bernet S., Guldner H. Three-Phase Three-Level Active NPC Converters for High Power Systems // PESC 2005, Recife. — P. 266–272.
36. Bruckner T., Bernet S. A Comparative Analysis of the Three-Level NPC and ANPC Converter Loss Distribution // IEMDC 2005, San Antonio. — P. 156–163.
37. Gemmell B., Dorn J., Retzmann D., Soerangr D. Prospects of multilevel VSC technologies for power transmission // IEEE/PES T&D Conference 2008, Chicago. — P. 1–16.
38. Modeer T., Nee H., Norrga S. Loss comparison of different submodule implementations for modular multilevel converters in HVDC applications // EPE 2011, Birmingham. — P. 1–10.
39. Debnath S., Qin J., Bahrani B., Saeedifard M., Barbosa P. Operation, Control, and Applications of the Modular Multilevel Converter: A Review // IEEE Transactions on Power Electronics. — 2015. — Vol. 30, No. 1. — P. 37–53.
40. Perez M. A., Bernet S., Rodriguez J., Kouro S., Lizana R. Circuit Topologies, Modeling, Control Schemes, and Applications of Modular Multilevel Converters // IEEE Transactions on Power Electronics. — 2015. — Vol. 30, No. 1. — P. 4–17.
41. Xu J., Wang Z., Li Y., Zhao J. A Comprehensive Overview of Power Converter Applied in High-Power Wind Turbine // IEEE Transactions on Power Electronics. — 2021. — Vol. 36, No. 9. — P. 10508–10523.
42. Iversen T. M., Gjerde S. S., Undeland T. Multilevel converters for a 10 MW, 100 kV transformer-less offshore wind generator system // ICEMS 2012, Sapporo. — P. 1–6.
43. Zhang L., Li Y., Li W., Sun K. Modified MMC and Its Capacitor Voltage Ripple Suppression Method Employed in Medium-Voltage Wind Generator System // IEEE Transactions on Power Electronics. — 2020. — Vol. 35, No. 8. — P. 7926–7939.
44. Ma K., Blaabjerg F. Power Converter Technologies for 20 MW Wind Turbines // ECCE 2013, Denver. — P. 1974–1981.
45. Ma K., Blaabjerg F. Multilevel Power Converters for 10 MW Wind Turbines // EPE 2011, Birmingham. — P. 1–10.
46. Pan L., Wang H., Xu D. Investigation of Open-Winding PMSG System With the Integration of Fully Controlled and Uncontrolled Converter // IEEE Transactions on Industry Applications. — 2015. — Vol. 51, No. 4. — P. 3308–3316.
47. Li Y., Zhu Z., Li W., He J. A New Multilevel Converter Configuration for Medium-Voltage Open-Winding PMSG-Based Wind Energy Conversion Systems // IEEE Transactions on Power Electronics. — 2020. — Vol. 35, No. 12. — P. 13121–13131.
48. Wang H., Pan L., Xu D. Open-Winding Permanent Magnet Synchronous Generator for Renewable Energy — A Review // IEEE Transactions on Power Electronics. — 2021. — Vol. 36, No. 6. — P. 6945–6963.
49. Zhang Y., Li Y., Wang H. Zero Sequence Current Suppression Strategy of Open Winding PMSG System with Common DC Bus // IEEE Transactions on Power Electronics. — 2019. — Vol. 34, No. 11. — P. 10890–10898.