英飞凌 FF1800R17IP5可应用于海上风电

英飞凌工业半导体 发表于 2020-09-23 16:51:36 收藏 已收藏
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400万+工程师在用
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英飞凌 FF1800R17IP5可应用于海上风电

英飞凌工业半导体 发表于 2020-09-23 16:51:36

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)可完美解决这种焦虑。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。

原文标题:英飞凌第五代大功率IGBT模块助力10MW+/690V高可靠性海上风电变流器

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