引言：风电场的时代已经来临，在风电场建设过程中，无论是施工难度或者是投资额度均高于以往的电厂施工。想要提高风电场的整体施工质量，需要增加机组单机容量，并且减少机组数量，从而有效降低单位投资，减少成本，在降本提效这一要求下。当前风电场内风机单机功率增大已经成为社会发展中不可逆转的一部分，而单机功率增加也可以有效地降低风电场在运行时所消耗的成本，利用ST20可以进一步提高风电场在运行时的整体效果。

一、工程概况

重庆黔江麒麟二期风电场项目场区内002624#测风塔115m高度代表年内年平均风速和平均风功率密度分别为4.52m/s、103.27W/m2，609010#测风塔115m高度代表年内年平均风速和平均风功率密度分别为4.64m/s、84.25W/m2，按照《风电场风能资源评估方法》（GB/T 18710-2002）和《风电场工程风能资源测量与评估技术规范》（NB/T 31147-2018）的年平均风功率密度等级划分标准，测风塔所在区域属于D-1级风场，有一定开发价值，应选择低风速型大叶轮的风力发电机组，以便有利于风能资源的充分利用。风速分布主要以中低风速为主。002624#测风塔115m高度处风速分布主要集中在2.0m/s～8.0m/s风速段，所占比例约为76.68%，相应风能比例为56.41%；风能主要集中在5.0m/s～11.0m/s风速段，所占比例为85.22%，相应风速所占比例为45.97%。609010#测风塔115m高度处风速分布主要集中在2.0m/s～8.0m/s风速段，所占比例约为90.31%，相应风能比例为73.65%；风能主要集中在4.0m/s～10.0m/s风速段，所占比例为88.28%，相应风速所占比例为69.68%。测风塔处全年可发电小时数较高，全年满发小时数尚可。002624#测风塔115m高度处3.0m/s～20.0m/s风速利用小时为6471h，占全年的73.87%。609010#测风塔115m高度处3.0m/s～20.0m/s风速利用小时为7669h，占全年的87.55%。全年可发电小时数较高。

风向稳定，风能分布集中。002624#测风塔115m高度处主风向主要集中在ESE~SSE方向，风向比例占比为49.38%。002624#测风塔115m高度处主风能主要集中在ESE~SSE方向，风能比例占比为67.40%，风能与风向分布基本一致。609010#测风塔115m高度处主风向主要集中在ESE~SE方向，风向比例占比为43.94%。609010#测风塔115m高度处主风能主要集中在ESE~SE方向，风能比例占比为64.19%，风能与风向分布基本一致。其中麒麟二期风电场项目为复杂山地地形。对于复杂山地，测风塔的水平覆盖范围约3km，整体来说，各测风塔水平代表性一般；002624#、609010#测风塔海拔分别为1349m、1342m，机位点海拔介于1200～1430m，机位点海拔落差较大，对于复杂山地，整体来看各测风塔具有一定的垂直代表性。经过分析、整理，得到场区测风塔各个高度上的完整的数据。有效数据完整率均达到《风电场风能资源评估方法》（GB/T18710-2002）。为了进一步探究麒麟二期风电场的实际情况，需要结合MERRA2数据逐年及测风塔代表年同期平均风速变化图分析大功率IGBT模块ST20在风电中的应用。

图1MERRA2数据逐年及测风塔代表年同期平均风速变化图

二、大功率IGBT模块ST20在风电中的应用优势

1.杂散电感小，便于叠层母排设计

由于模块本身结构存在一定的限制，为此，在进行模块连接的过程中，其所选择的是利用正负端子，但是正负端子无法使用叠层母排设计。如果输出电压和输出电流存在相位不同这一情况则需要长换流回路，并且经过三个模块，其杂散电感大多是在200nh左右。在这一阶段内管模块在关联时会产生相对较高的尖峰电压，当前需要选择较大的关断电阻值，进而实现二级驱动，利用有源前位或是吸收电路解决这一问题，并避免在使用时出现模块过压损坏这一情况，这些措施也会导致功率损耗增加，成本增大。选择ST20模块则可以有效改变这一问题，这是由于该模块输入输出端子在进行连接时更加简单，并且更加容易做好叠层母排设计，可以有效地减少换流电路的杂散电感。不仅如此，在模块内部其可以采用叠层设计方式散电感相对较低，约为10nh，仅是其他模块的一半左右。

2.均流特性好，易于并联

ST20实现了在长换流回路下不断减少模块尖峰电压，甚至不需要增大关断电阻，能够实现吸收电路等一系列措施，降低电路在进行设计时的设计难度。由于单个模块存在电流限制，为此，大功率的风电变流器无论是选择两电平或是三电平，其本身都需要多个模块实现并联使用，但是在进行并联模块使用过程中则需要考虑到该模块是否存在均流现象，会直接影响到变流器的输出容量。为了更好的达到引流效果，则需要考虑到驱动以及控制效果，在使用lgbt模块时，其外部结构如连接铜排等因素，则需要充分的考虑到其对称流的设计，模块内部也需要考虑到其布局效果，同样会影响到单个igbt芯片在使用时的电流分布甚至最终会影响到整个系统的输出能力。当前选择ST20进行并联可以搭建，可以搭建两电平测试平台，四模块电流的特性相对较好，不平衡度在5%以内。在正常工作状态下，其均流特性表现更好，使用效果更高，选择ST20更加适合高功率、大电流密度的风电场。ST20是目前功率密度最大的封装，相比于其他的模块而言使用质量更好。由于风电场环境相对较为恶劣，一旦出现故障，维护成本和经济损失更大，对模块的可靠性要求在这一阶段也在不断提升，而ST20作为变流器的核心，可以实现配套驱动联接线缆，并且功率组件的数量也会不断提升，其提高了变流器在使用时的可靠性，减少风电场出现故障的几率，延迟各个设备的使用要求，进一步满足风电机组的使用需求。

3.高功率密度，满足大功率和可靠性要求

大功率则意味着大电流，为了减少在实际使用时系统所风电系统所消耗的成本，近几年在国内风电场中常见的主流风机系统为1140V风机系统，该风机电压从传统的690V逐步提升至1140V，同功率的风机电流则可以降低35%，大幅度提升电气传动系统和输变电信系统在实际使用时的使用效率，能够有效的降低度电成本，使得产品在使用时本身的市场竞争力得到显著的提升。面对1140V的变流器，如果在这一阶段仍旧采用两电平拓扑，则需要采用3.3kW电压来满足当前ibgt模块，但是如果在风电场中选择3.3千伏的器件，无论是开关或是导通损耗均无法满足系统的效率以及开关频率的要求，同时价格也更贵，在这一阶段采用1700v的SEMiX3p封装半桥模块所组成的三电平NPC或者是利用ANPC拓扑已经成为国内风电厂系统安装使用过程中的主流方案，而且全功率单机则做到了5xmw。但是随着近几年变流器的功率在逐步增大，当前需要采用1700V的SEMiX3p封装半桥模块，针对方案中所存在的内管电压尖峰磨块等进行并联，均流输出电流偏小，需要做好并联处理，以往所选择的模块机，具有低杂闪电感，容易并联，并且其电流相对较大。选择ST20模块为大功率风电变流器的应用提供了全新的设计思路。

三、大功率IGBT模块ST20在风电中的应用

1.风力发电机组控制系统架构

在风力发电机组中，控制系统的核心就是传感器和数据源信息，即实现了对风力发电机的全方位控制，而这一核心大多数情况都是利用高性能的微处理器或者是可编程逻辑控制器所构成的，可以执行相对复杂的算法，确保风力发电机组可以在不同的工况下进行稳定运行。在使用的过程中，传感器与测量单元其所负责的工作为采集风力发电机组的各类不同运行参数，例如，常见的风向，风速，发电机，发电及转速，温度等等，这些参数都是控制系统在决策过程中的最重要内容。为此，传感器和测量单元的精准度，可靠性可谓尤为重要，传感器和测量单元大多数情况下均需要安装。在风力发电机组的各个不同部位，通过有线或无线的方式，可以将数据快速地传输到控制系统的核心。变频器与驱动电路一直以来都是风力发电机组在实际应用时实现能量转换以及驱动控制的最关键部件，而变频器则是整个控制系统在使用过程中的核心指令，其可以通过调节发电机的转速与扭矩快速的适应当前风速的变化，进而使得其可以在短时间内实现风能的利用效率达到最高点。变频器还可以将所发出的交流电转化成为电网本身可以接受的直流电，进而使得风电网并网质量得以提升。驱动电路为变频器提供稳定的电源以及驱动信号，以此来保证风电场在使用时其使用质量得以提升，供电的稳定性能够得到改善，监控与保护功能则是风力发电机组控制系统在使用过程中的最重要组成部分，控制系统通过实时的监测风力发电机组在当前运行时运行状态，能够在第一时间内发现其中所存在的故障，并且找到其异常情况，防止故障扩大，以此来保护风力发电机组在使用时的安全性，控制系统还可以将风力发电机组在运行时运行数据在短时间内发送到远程控制中心为风力发电厂的运行维护提供强有力的支持。

2.ST20模块在控制系统中的关键作用

在现代风电控制系统的构建过程中，ST20模块发挥着极重要的作用，特别是在能源转换与控制方面，作为风电控制系统的核心功率转换元件，其能够将风能在第一时间内转化成为电能，但是在进行转化过程中其需要高精度的控制算法，还需要利用模块的功率处理功能来对所有数据信息进行处理，并且对其他电子技术进行精准的控制，实现发电机在使用过程中其控制质量得以提升，保证风能系统的高效且稳定运行。高效能量传输也是风电控制系统在使用过程中的另外一个指标，在能量传输过程中存在部分能量损失是不可避免的，通过选择高效率的转换元件能够有效的降低能量损失。

ST20模块在使用时具有较高的功率密度以及功率效率，意味着可以在较小的体积内传输出更多的能量，从而有效地降低能量在传输过程中的损失，对提高风力发电机组经济效益而言有着非常重要的意义。ST20模块使用时，针对谐波抑制表现同样相对较为出色，谐波是电力系统在使用过程中最常见的干扰源，其会降低电网电能，影响设备在运行时的运行质量，ST20模块则改变了这一问题，通过独特的拓扑结构以及控制算法可以快速且有效地抑制谐波的产生，从而降低风电网在使用时的谐波污染，提高风电系统的稳定性，增强风电网的电能质量。通过能源的优化控制能够进一步提高能量在传输时的整体效果，同时也可以有效地抑制谐波的产生。ST20模块也为风电系统的运行稳定性以及高效发电提供了强有力的保障，在追求高效、稳定运行的现代风电场中，这种影响尤为显著。但是如果ST20模块出现不稳定，可能会导致控制指令无法准确传达，进而影响风力发电机组的运行，导致系统失效。因此，保持ST20模块的稳定性是确保控制系统稳定运行的关键。

结语

综上所述，当前是风电大兆瓦时代的来临，而风机单机功率增大已经成为风电厂在建设发展过程中不可逆转的趋势，选用SEMiX3p半桥模块组成的1140V三电平NPC或者ANPC已经成为国内目前最主流的方案之一。但是随着变流器的功率在不断地增大，这种方案也存在一定的问题，例如，内管电压尖峰模块并联均流以及输出电流偏小等一系列问题，均需要进行解决。而选用ST20则可以有效降低系统在设计过程中的复杂性，并且降低系统成本，提高变流器使用的可靠性，符合大功率风电变流器的应用需求。

参考文献：

[1]李钢,刘双华,王运坤.大功率IGBT模块散热结构传热特性的数值分析[J].电机技术,2024,(03):38-42.

[2]张彬彬,向语嫣,飞景明,等.基于极差分析法的大功率IGBT模块封装设计[J].电子元件与材料,2023,42(12):1498-1505.

作者简介：黄仁泽（1998.10—），男，汉族，重庆人，助理工程师，本科学历。研究方向：自动化、通讯管理。