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。