2024/4/24 01:56:03 星期三 | English
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行业新闻文章来源：英飞凌工业半导体
海上风电进入大兆瓦风机赛道，对可靠性需求凸提示
2020年，中国以及全球海上风电进入快速增长期，新一轮的海上风电竞赛越发激烈，SGRE西门子歌美飒凭借14MW机型刷新了单机最大功率记录（GE：12MW），MHI-Vestas 三菱维斯塔斯也推出10MW，另外，据公开信息，设计功率高达18MW的海上风机也已曙光初现。放眼中国，本土整机厂商的步伐也从未停歇，8到10MW的机组层出不穷，例如：金风科技和上海电气的8MW样机已经投入运行。与陆上风电相比，海上风电的生存环境更恶劣、可达性更差、运维成本更高，所以故障停机导致的损失也远高于陆上。就变流器现场验证而言，海上风电的试错机会更少，有长期可靠性风险的产品一旦批量列装，其对整机商和业主带来的损失难以估量。因此，变流器作为能量变换的核心，必须具备更高的可靠性。减少IGBT模块及其部件（适配板、连接线缆及接插件、散热器并联流道）的数量，以简化变流器的功率组件设计可以提升变流器的可靠性。
海上大兆瓦风电变流器核心——第五代大功率IGBT模块
由于大功率海上风机的变流器几乎都是全功率变流器，需要多个IGBT模块并联。并联的数量取决于IGBT模块的电流等级。电流等级越大，需要的数量越少，系统设计也越简洁，可靠性也越高。那么10MW+/690V级的风电变流器得用多少个IGBT模块？100+，200+，还是300+？这么多的模块数量是否会造成系统可靠性的几何级数下降？英飞凌第五代大功率IGBT模块的旗舰产品——FF1800R17IP5（1800A/1700V，如图1所示）可完美解决这种焦。FF1800R17IP5具备高功率密度（减小变流器体积）、高可靠性（降低运维成本）和长PC寿命（PC是第四代产品的几十倍，尤其适用于直驱和双馈机组，降低运维成本）
PrimePACK™ 2 IGBT5: FF1200R17IP5 (1200A/1700V)
图1: PrimePACK™+ IGBT5: FF1800R17IP5 (1800A/1700V)和FF1500R17IP5 (1500A/1700V)
通过仿真可以知道大概60个FF1800R17IP5可以实现10MW、72个实现12MW、108个实现18MW，详细分析见下文。如果用其他更小电流等级的IGBT模块实现10MW或者15MW，数量至少要加倍，比如用120个FF1000R17IE4、180个FF600R17ME4或者 240个FF450R17ME4也可以实现10MW。如果风机功率增加到15MW，模块的数量会更加悬殊，详见图2。
图2: 10MW&15MW/690V全功率变流器-IGBT对比
FF1800R17IP5轻松应对10MW+挑战
根据1MW全功率风电变流器的典型额定工况，用英飞凌的功率器件在线仿真平台IPOSIM初步评估FF1800R17IP5的结温。假定SVPWM调制，采用规格书中的开关电阻、散热器热阻0.015k/W（一个IGBT+二极管开关）、冷却液温度45℃，其他参数见表1.
表1: 1MW/690V全功率变流器额定工况
基于以上评估结果，机侧最高结温122.5℃，网测最高结温114.4℃。和第五代大功率IGBT允许的175℃结温（可长期连续运行）相比，均有超过50℃的余量。为优化变流器系统的性价比提供了更多的灵活性，比如：
· 优化门极电阻和器件开关特性
· 优化开关频率、滤波器参数以提升并网性能
· 平衡散热器性能和成本
· 考虑电流小一档的IGBT模块，比如FF1500R17IP5
综上分析，用6个FF1800R17IP5可以实现1MW全功率变流器。从而也不难得出10MW+/690V变流器所用FF1800R17IP5的数量，如图3所示。
图3: 10MW+/690V全功率变流器-FF1800R17IP5参考数量对比
FF1800R17IP5——极致简化功率组件设计，提升变流器可靠性
大功率变流器通常采用模块化的设计方案，比如以单柜（功率等级1-3MW）或者功率组件（功率等级1-2MW）为基本单元，通过单柜并联或者功率组件并联的方式，实现变流器需要的功率等级。变流器模块化方案的特点是可以灵活拓展功率范围、减少物料种类、降低运维成本和提升系统的性价比。
下面以1MW/690V功率组件为例，对4种IGBT模块的功率组件方案及其适配板、连接线缆及端子和散热器流道的总体数量进行对比，功率组件连接示意图见图4。
FF450R17ME4x12,每相4并联 FF600R17ME4x9，每相3并联
FF1000R17IE4x6,每相2并联 FF1800R17IP5x3，每相1并联
图4: 1MW/690V功率组件-IGBT方案示意图
FF450R17ME4和FF600R17ME4的电流等级较小，所以需要较多的模块并联。为了灵活调整并联数量，每个模块都通过单独的适配板、线缆和驱动核连接，这样适配板和线缆的数量随模块数量线性变化。因FF1000R17IE4和FF1800R17IP5的电流较大，所以可以减少并联数量。此外，由于辅助端子在模块的一侧，所以适配板的功能容易集成到驱动板上，从而省去了大量的适配板和连接线缆。根据表2，FF450R17ME4和FF600R17ME4的部件数量分别比FF1800R17IP5多11倍和8倍。
表2：1MW/690V功率组件-IGBT及其部件对比
如果用上述组件方案实现10MW全功率变流器，不同方案之间的部件数量更悬殊，如表3所示。由此可见，方案FF1800R17IP5所用的模块和相关部件的数量最少，可以极致简化功率组件设计，极大减少系统的潜在故障点，是实现高可靠性功率组件和变流器的最佳选择。
表3：10MW/690V全功率变流器-IGBT及其部件对比
海上风电——总结
海上大功率风机（超大功率风机）要长期可靠的在恶劣的海洋环境运行，除了桩基、塔筒、发电机和叶片之外，深藏在风机内的变流器及其核心功率转换部件——IGBT模块，承载着每一度电能的变换，是决定整机可靠性的关键一环。
FF1800R17IP5可以用最少的数量（与表3其他IGBT方案对比，IGBT及其相关部件数量减少1到10倍），实现更高可靠性的10MW+/690V风电变流器。英飞凌与您同行，助力中国海上风电大功率风机扬帆启航，创造属于自己的海上风电时代。
