风电变流器功率组件技术及发展趋势

屈盼亮    程凯

摘要：随着世界能源结构不断优化和调整，风力发电这种清洁可再生能源形式在世界能源布局中所占比重越来越大。风电变流器是风力发电系统的关键组件，变流器性能与技术水平的高低直接关系着整个风电系统运行效率与稳定性。尤其是功率组件技术作为风电变流器中的核心技术，它的技术进步与革新对提高风电系统整体性能至关重要。本论文研究目的是讨论风电变流器功率组件的研究现状和未来趋势，对目前的技术挑战进行分析，预测该技术在今后风电领域可能的应用前景。通过深入的研究与讨论，希望能对风电技术不断提高、风电产业良性发展起到有益的借鉴与参考作用。

关键词：风电变流器；功率组件；技术发展

引言：近年来，伴随着电力电子技术，材料科学和控制理论等学科的发展，风力发电变流器功率组件技术得到显著提高。由传统硅基功率器件向宽禁带半导体材料应用转变，由单一功率转换功能向集成化，智能化趋势转变，功率组件技术每次取得突破，都会给风电行业带来新机遇与挑战。

1风电变流器功率组件技术基础

1.1功率组件的基本概念与工作原理

功率组件作为风电变流器核心组成要素肩负着电能转换和调控等重点工作。主要采用半导体材料，其导电性质特殊，可在控制信号作用下对电流流通进行准确调控。它的工作实质就是通过迅速启闭电路来达到电能高效转换和精确控制的目的。功率组件收到控制系统发出的命令后，内部半导体结构也随之改变，使电流流通路径及大小发生变化，再把风能转换成满足电网标准要求的电能。该过程中功率组件既要保证电能转换高效，又要保持整个风电系统稳定可靠。所以功率组件在设计和制造过程中需充分考虑工作环境，负载特性及散热条件等多方面因素才能保证组件在长期高强度运行时仍然能够保持较好的特性。伴随着科技的进步，功率组件也在向着效率更高，损耗更小，耐受能力更强等方面不断地进步，满足风力发电越来越苛刻的需求与挑战。

1.2常见的功率组件类型及其特点

常用功率组件种类对风电变流器起着决定性作用，每一种均有其独有的特性及适用场景。以IGBT（绝缘栅双极型晶体管）为例，该功率组件既有高电压大电流承载能力，又有导通压降小，开关速度快，例如某型IGBT能承受1700V电压、3600A电流、开关频率高达20kHz,这使得它在风电系统大功率转换情况下性能优异。MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）因其低导通电阻、高开关频率和出色的热稳定性而闻名，某些高性能的MOSFET的导通电阻甚至可以低到几十毫欧，开关频率可达几百kHz,非常适合高频、小功率电能转换。另外，像碳化硅和氮化镓功率组件这样的宽禁带半导体材料，因其卓越的耐高温特性、极低的导电损失以及迅速的开关性能而受到广泛关注，这些设备的操作温度可以轻易超过600°C,而开关的损耗只是硅基设备的一小部分。这些独特的属性为宽禁带半导体功率组件在高温和高效的风能发电场景中提供了巨大的应用潜力。不同种类功率组件各有其优点，在选择合适功率组件时需要结合风电系统实际要求，充分考虑电压等级，电流大小，开关频率和工作环境温度，为了保证系统稳定，可靠地工作，达到最佳能量转换效率。

1.3功率组件的选型与设计考虑因素

功率组件选择和设计是风电变流器中复杂且关键的环节，涉及到诸多考虑。其中电压等级与电流容量作为基础参数，如果选用能够承受1700V电压与4000A电流作用的IGBT组件就可以保证风电系统高电压大电流环境中的稳定工作。开关频率与损耗同样是一个重要的指标,20kHz等高开关频率能够缩小滤波器的体积，但是会使开关损耗增大，所以需要寻找一个平衡点。另外，热量的设计是非常关键的，因为功率组件在运行过程中会产生大量的热量，因此必须考虑到散热片和风扇等散热措施，以确保组件的温度不会超过其最大结温，例如150°C。与此同时，可靠性与成本是一个不容忽视的要素，高可靠的部件可以降低维护成本，成本直接关系到整个风电系统经济效益。总之，功率组件在选择和设计时需考虑电压，电流，开关频率，损耗，热设计，可靠性和成本等诸多因素才能使风电系统高效稳定地工作。

2风电变流器功率组件技术应用现状

风电变流器功率组件的技术应用状况呈现多元化，持续进步态势。现阶段，由于硅基功率组件如IGBT和MOSFET具有技术上的成熟和高度的稳定性，它们在风电变流器领域依然保持着主导地位。这批组件拥有出色的电压和电流承载性能，比如，某一型号的IGBT模块能够承受高达6500V的电压和数百安培的电流，从而确保风电系统在规定的工况下能够稳定运行。与此同时，随着像碳化硅和氮化镓这样的宽禁带半导体材料的快速研发和应用，这些新型的功率组件因其出色的耐高温、高效率和低损耗特性，正在风电行业中逐步得到广泛应用。例如，一些以碳化硅为基的功率器件可以在最高200°C环境温度范围内正常运行，极大地减少散热需求。另外智能化功率组件是一种趋势，这些组件将温度传感器，驱动电路以及保护功能整合在一起，增强风电系统运行的可靠性以及安全性。从整体上看，功率组件技术在风电变流器中的应用状况反映出传统硅基在功率组件中的坚实基础以及宽禁带半导体，智能化功率组件这一新兴技术在电力领域的繁荣，这些进展共同促进风电系统效率与稳定性持续提高。

3风电变流器功率组件技术发展趋势

3.1宽禁带半导体材料的进一步研发与应用

像碳化硅和氮化镓这样的宽禁带半导体材料，因其卓越的物理属性，在风电变流器这一领域获得了广大的关注。这类材料的高击穿电场，高热导率以及高电子饱和速度使功率组件可以工作于较高温，较高频率以及较高功率密度。对宽禁带半导体材料的进一步研究与开发是为了改善材料的结晶质量，减少缺陷密度以及优化材料的掺杂工艺以增强材料的导电性和稳定性。同时研究开发更先进的制造工艺与装备是宽禁带半导体材料大范围推广应用的重点。从应用角度来看，宽禁带半导体功率组件正在风电变流器上逐渐替代传统硅基组件来减少系统损耗，提高工作效率，同时减少散热装置尺寸与重量。另外宽禁带半导体材料也有望在电动汽车和智能电网中扮演重要角色，促进整个电力电子行业向前发展。

3.2功率组件的散热与封装技术改进

随着功率组件向着高功率密度的方向发展，它的散热问题也越来越突出。为应对这一难题，研究者们正探索多种先进散热技术，例如微流体冷却，热管技术以及散热片技术。其中微流体冷却技术由于具有高效热传递能力受到广泛关注，它通过在功率组件中直接导入冷却液来达到更精准温度控制。同时提高封装技术是功率组件研制过程中至关重要的一环。新兴的封装材料，例如高分子聚合物，不仅拥有出色的绝缘和散热特性，还能在封装过程中显著减少应力，从而增强功率组件的稳定性和可靠性。另外，优化封装结构还可以进一步缩小功率组件体积与重量并提高功率密度。这几种散热和封装技术的结合使用为风电变流器高效、稳定地工作提供强有力的保证。

结束语：风电变流器功率组件的技术已经取得了显著进展，为风力发电的高效性、可靠性和经济性提供了坚实的基础。随着功率电子技术的不断进步，变流器功率组件正朝着更高效率、更高功率密度和更低成本的方向发展。这些技术进步不仅提高了风电系统的整体性能，还有助于风电成本的进一步降低，推动了风能作为可再生能源的广泛应用。

参考文献：

[1]张本区.一种风力发电并网逆变器:CN202310154417.2[P].CN115995989A[2024-04-01].

[2]张梦伟.风力发电变流器水冷系统的优化设计[J].现代工业经济和信息化,2022(002):012.

[3]徐昕远,赵葵银,向道朴,等.风力发电并网逆变器信号检测与保护电路设计[J].湖南工程学院学报:自然科学版,2022,32(1):6.

[4]穆佳楠,穆永亮.一种风力发电变流器多信号转换装置.CN202221398952.X[2024-04-01].