2025/9/11 17:53:24 星期四 | English
13871154126（微信同號） 13871154126（微信同號）NEWS
新聞中心
行業新聞文章(zhang)來源(yuan)：英(ying)飛凌工業半導體
海上風電進入大兆瓦風機賽道，對可靠性需求凸提示
2020年，中國以(yi)及全球海(hai)上風(feng)電(dian)(dian)進入快速(su)增長期，新一輪(lun)的(de)海(hai)上風(feng)電(dian)(dian)競賽越發(fa)激烈，SGRE西(xi)門子歌美颯憑借14MW機(ji)(ji)型(xing)刷新了單機(ji)(ji)最大功(gong)(gong)率(lv)(lv)記錄(lu)（GE：12MW），MHI-Vestas 三菱維斯塔斯也推出10MW，另外，據(ju)公開信(xin)息(xi)，設計功(gong)(gong)率(lv)(lv)高(gao)達18MW的(de)海(hai)上風(feng)機(ji)(ji)也已曙(shu)光初現。放眼中國，本土整機(ji)(ji)廠商的(de)步(bu)伐(fa)也從(cong)未停歇，8到10MW的(de)機(ji)(ji)組(zu)層出不窮，例如：金風(feng)科(ke)技和(he)上海(hai)電(dian)(dian)氣的(de)8MW樣機(ji)(ji)已經投入運行。與陸上(shang)風(feng)電相比，海上(shang)風(feng)電的(de)生存環境(jing)更(geng)惡(e)劣、可(ke)達性(xing)更(geng)差、運維成(cheng)本更(geng)高，所以故障(zhang)停機(ji)導致的(de)損(sun)失(shi)也遠(yuan)高于陸上(shang)。就(jiu)變(bian)流(liu)器現場驗證而言，海上(shang)風(feng)電的(de)試錯(cuo)機(ji)會更(geng)少，有長期(qi)可(ke)靠(kao)性(xing)風(feng)險(xian)的(de)產品(pin)一旦批(pi)量列裝，其對整機(ji)商和(he)業(ye)主(zhu)帶來的(de)損(sun)失(shi)難以估(gu)量。因此，變(bian)流器(qi)作為(wei)能量變(bian)換的(de)核心，必(bi)須具備更高的(de)可靠性。減少IGBT模(mo)塊(kuai)及其部件(jian)（適配板(ban)、連接線纜及接插件(jian)、散(san)熱器(qi)并(bing)聯(lian)流道）的(de)數量，以(yi)簡化變(bian)流器(qi)的(de)功率(lv)組件(jian)設(she)計可以(yi)提升變(bian)流器(qi)的(de)可靠性。
海上大兆瓦風電變流器核心——第五代大功率IGBT模塊
由于大功(gong)率(lv)(lv)海上風機(ji)的(de)(de)變流(liu)(liu)(liu)(liu)器(qi)幾乎都是全功(gong)率(lv)(lv)變流(liu)(liu)(liu)(liu)器(qi)，需要多個IGBT模(mo)塊并聯。并聯的(de)(de)數量取決于IGBT模(mo)塊的(de)(de)電(dian)流(liu)(liu)(liu)(liu)等(deng)級(ji)。電(dian)流(liu)(liu)(liu)(liu)等(deng)級(ji)越(yue)大，需要的(de)(de)數量越(yue)少(shao)，系(xi)統(tong)設計也越(yue)簡潔，可(ke)(ke)(ke)靠性(xing)也越(yue)高。那(nei)么10MW+/690V級(ji)的(de)(de)風電(dian)變流(liu)(liu)(liu)(liu)器(qi)得用多少(shao)個IGBT模(mo)塊？100+，200+，還是300+？這么多的(de)(de)模(mo)塊數量是否會(hui)造成系(xi)統(tong)可(ke)(ke)(ke)靠性(xing)的(de)(de)幾何級(ji)數下(xia)降？英(ying)飛凌第五代大功(gong)率(lv)(lv)IGBT模(mo)塊的(de)(de)旗艦產(chan)品(pin)(pin)——FF1800R17IP5（1800A/1700V，如圖1所(suo)示）可(ke)(ke)(ke)完美解決這種焦(jiao)。FF1800R17IP5具備高功(gong)率(lv)(lv)密度（減小變流(liu)(liu)(liu)(liu)器(qi)體積）、高可(ke)(ke)(ke)靠性(xing)（降低(di)運維(wei)(wei)成本）和長PC壽命（PC是第四(si)代產(chan)品(pin)(pin)的(de)(de)幾十倍(bei)，尤其適用于直(zhi)驅和雙饋機(ji)組，降低(di)運維(wei)(wei)成本）
PrimePACK? 2 IGBT5: FF1200R17IP5 (1200A/1700V)
圖1: PrimePACK?+ IGBT5: FF1800R17IP5 (1800A/1700V)和FF1500R17IP5 (1500A/1700V)
通過仿真可以(yi)知道大概(gai)60個(ge)FF1800R17IP5可以(yi)實現10MW、72個(ge)實現12MW、108個(ge)實現18MW，詳(xiang)細分析見(jian)下文。如果用(yong)(yong)其他更(geng)小電流等級的IGBT模(mo)塊實現10MW或者(zhe)(zhe)15MW，數(shu)量(liang)至少要(yao)加倍，比如用(yong)(yong)120個(ge)FF1000R17IE4、180個(ge)FF600R17ME4或者(zhe)(zhe) 240個(ge)FF450R17ME4也可以(yi)實現10MW。如果風機功率增加到15MW，模(mo)塊的數(shu)量(liang)會更(geng)加懸(xuan)殊(shu)，詳(xiang)見(jian)圖(tu)2。
圖2: 10MW&15MW/690V全功(gong)率變流器(qi)-IGBT對比
FF1800R17IP5輕松應對10MW+挑戰
根據1MW全功率風電(dian)變流器(qi)的(de)(de)典型額(e)定工況(kuang)，用英飛凌的(de)(de)功率器(qi)件在線仿(fang)真平臺IPOSIM初步評估(gu)FF1800R17IP5的(de)(de)結溫(wen)。假定SVPWM調制，采(cai)用規格(ge)書中(zhong)的(de)(de)開關電(dian)阻(zu)、散熱器(qi)熱阻(zu)0.015k/W（一個IGBT+二(er)極管開關）、冷卻(que)液溫(wen)度45℃，其他(ta)參數見表1.
表(biao)1: 1MW/690V全功(gong)率變流器額定工況
基于以上評(ping)估結果，機側最(zui)高(gao)結溫122.5℃，網測最(zui)高(gao)結溫114.4℃。和第五(wu)代大(da)功率(lv)IGBT允許的(de)(de)175℃結溫（可長期連(lian)續運行）相比(bi)，均有超過50℃的(de)(de)余量。為優(you)化(hua)變流器系統(tong)的(de)(de)性價(jia)比(bi)提供(gong)了(le)更(geng)多的(de)(de)靈活性，比(bi)如：
· 優化門極電阻和(he)器件開關特(te)性
; · 優化開關頻(pin)率、濾(lv)波器參數以提升并網性能
· 平衡散熱(re)器(qi)性(xing)能和成(cheng)本(ben)
· 考慮電流小一檔的IGBT模塊，比如FF1500R17IP5
綜上分(fen)析，用6個FF1800R17IP5可以實現(xian)1MW全功率變流器。從而也不難(nan)得出10MW+/690V變流器所(suo)用FF1800R17IP5的數量，如圖3所(suo)示(shi)。
圖3: 10MW+/690V全功率變(bian)流器-FF1800R17IP5參考數量對比
FF1800R17IP5——極致簡化功率組件設計，提升變流器可靠性
大功(gong)(gong)(gong)率變(bian)流器(qi)通(tong)常采用(yong)模塊化的設計方(fang)案，比如以單柜（功(gong)(gong)(gong)率等級1-3MW）或者(zhe)功(gong)(gong)(gong)率組(zu)件（功(gong)(gong)(gong)率等級1-2MW）為基(ji)本單元，通(tong)過單柜并聯(lian)或者(zhe)功(gong)(gong)(gong)率組(zu)件并聯(lian)的方(fang)式，實(shi)現變(bian)流器(qi)需要的功(gong)(gong)(gong)率等級。變(bian)流器(qi)模塊化方(fang)案的特點是可以靈活拓展功(gong)(gong)(gong)率范圍、減少物料種類(lei)、降低運維成(cheng)本和提升系統的性價比。
下(xia)面以(yi)1MW/690V功(gong)率(lv)組件為例(li)，對(dui)4種IGBT模塊的功(gong)率(lv)組件方案及其適(shi)配板、連(lian)(lian)接線纜及端(duan)子(zi)和散(san)熱器流道的總(zong)體數(shu)量進行對(dui)比(bi)，功(gong)率(lv)組件連(lian)(lian)接示意圖見圖4。
FF450R17ME4x12,每相4并(bing)聯 FF600R17ME4x9，每相3并聯
FF1000R17IE4x6,每相2并聯 ; FF1800R17IP5x3，每相1并聯(lian)
圖4: 1MW/690V功率組件-IGBT方案示意(yi)圖
FF450R17ME4和(he)(he)(he)FF600R17ME4的(de)(de)電(dian)流等級較小，所(suo)(suo)以(yi)需要較多的(de)(de)模塊并(bing)聯(lian)。為(wei)了(le)靈(ling)活調整并(bing)聯(lian)數(shu)量，每個(ge)模塊都通過單獨的(de)(de)適(shi)配(pei)(pei)板、線(xian)纜和(he)(he)(he)驅動(dong)核(he)連接，這樣適(shi)配(pei)(pei)板和(he)(he)(he)線(xian)纜的(de)(de)數(shu)量隨模塊數(shu)量線(xian)性(xing)變化(hua)。因FF1000R17IE4和(he)(he)(he)FF1800R17IP5的(de)(de)電(dian)流較大(da)，所(suo)(suo)以(yi)可以(yi)減少并(bing)聯(lian)數(shu)量。此外，由于輔(fu)助端子在模塊的(de)(de)一側，所(suo)(suo)以(yi)適(shi)配(pei)(pei)板的(de)(de)功能(neng)容易(yi)集成到(dao)驅動(dong)板上，從而省(sheng)去了(le)大(da)量的(de)(de)適(shi)配(pei)(pei)板和(he)(he)(he)連接線(xian)纜。根據表2，FF450R17ME4和(he)(he)(he)FF600R17ME4的(de)(de)部(bu)件數(shu)量分別(bie)比FF1800R17IP5多11倍(bei)和(he)(he)(he)8倍(bei)。
表2：1MW/690V功率組件-IGBT及(ji)其部件對比(bi)
如(ru)果用上述組件(jian)方(fang)案實現10MW全功(gong)率變流器，不同方(fang)案之間的部件(jian)數量(liang)(liang)更(geng)懸殊(shu)，如(ru)表(biao)3所示。由此可見，方(fang)案FF1800R17IP5所用的模(mo)塊和(he)相(xiang)關部件(jian)的數量(liang)(liang)最少(shao)，可以極致簡化功(gong)率組件(jian)設計，極大減少(shao)系統的潛在故(gu)障點(dian)，是實現高可靠性功(gong)率組件(jian)和(he)變流器的最佳選(xuan)擇。
表3：10MW/690V全功率(lv)變(bian)流(liu)器-IGBT及其(qi)部件(jian)對比
海上風電——總結
海上大(da)功率(lv)(lv)風(feng)機(ji)(ji)（超大(da)功率(lv)(lv)風(feng)機(ji)(ji)）要長期可(ke)靠(kao)的(de)在惡劣的(de)海洋(yang)環(huan)境運行，除(chu)了(le)樁基、塔筒、發電機(ji)(ji)和葉片之外，深藏在風(feng)機(ji)(ji)內的(de)變流(liu)器及其核心功率(lv)(lv)轉換(huan)(huan)部件——IGBT模(mo)塊，承載著每一度電能的(de)變換(huan)(huan)，是決定整機(ji)(ji)可(ke)靠(kao)性的(de)關鍵一環(huan)。
FF1800R17IP5可以用最(zui)少的數量（與表3其他(ta)IGBT方案對比，IGBT及其相關部件數量減少1到10倍），實(shi)現更高可靠性的10MW+/690V風(feng)(feng)電(dian)變(bian)流器。英(ying)飛凌(ling)與您同行(xing)，助力中(zhong)國海(hai)上(shang)風(feng)(feng)電(dian)大功率風(feng)(feng)機揚帆(fan)啟航(hang)，創造屬(shu)于自己的海(hai)上(shang)風(feng)(feng)電(dian)時代(dai)。
