电力电子技术如IGBT技术的进步为人们开发新型的风力发电机提供了可能。但随着技术越来越易受外部相关因素的影响，故工程能力就成为工程成败的关键因素， 这是必须加以解决的问题。

在一些主要的设备商选择完全独立自主的发展战略时，另外一些设备商选择与相关领域的专业厂家合作，从而只需要集成其战略伙伴的核心技术。
本文的目的就是概述在整个风力发电系统设计中所涉及的几个最重要设备中的其中一个——功率电子变换器——的产业化解决方案和要点。

市场的工业分工

风力发电机中的电力电子产品集成是通过如下几个步骤实现的。见图1。由于初期的巨大投资以及相对狭小的风力发电市场，风力产业界从来没有想过要去开发风力专用芯片或专用半导体模块。设备商在发展战略上完全可以采取纵向产品集成，该种方式所受限制相对较低。
 

图中的每一个层次都是一个专门的领域，并且每个领域早就开始了产业分工合作的生产活动。因此企业战略成功的关键在于产业合作伙伴的选择。在进行独立开发时，最好考虑合作伙伴能否以一个可以接受的价格更好地完成该工作，这将直接导致能否将该工作外包。

市场上经常采取不同的战略，最终设备提供商——风机房设备商可以选择购买电力电子模块、功率转换套件或者电源机房。选择将某一部分外包给合作伙伴就能有效地利用有限的开发资源去改善系统的整体性能，但必须确保合作伙伴是能够应付市场变化的，专业的并可信赖的。

在工业发展的历史中，我们可以发现很多产业通过纵向集成而达到专业分工的案例。汽车工业就是这些发展方式中很好的例子。显然风力产业还不成熟，但由于高增长的推动，产业分工的趋势清晰可见。专业化是一种充分利用外部资源，避免企业陷入大量雇员与急剧扩张的风险中的方式。另一方面，依靠合作伙伴还可以减少企业的管理复杂度。

下面的部分我们将集中论述整个产业链中的模块组件这一层次。通过技术逐渐演进的历史来讲述模块组件日益增长的复杂性有助于人们了解为什么模块组件成为产业链中重要的一环。

历史轨迹与发展趋势

自从风机房用于发电以来，发电最简单的一个方法就是当风力驱动风机叶片旋转，进而通过变速箱驱动感应发电机以超同步速旋转。发电机转速约为风机叶片同步速与传动比的比值，因此我们称其为恒速发电机。在该领域最常使用而且最简单的方法是采用反并联连接的晶闸管静态开关技术。这种技术广为人知并且大量使用，并被用于至1995年为止的最大风机房上。从电子产业的角度来看，由于这种产品简单且可靠，因此制造这种功率变换器是相对容易的。

当风机房越来越关注收益时，设计师和投资家也就越来越关注效率和投资回报。良好的选址、低成本以及对更高的发电电能/接收风能比的追求，都迫使设备制造商竟相制造能在更大风速范围内运转的更大功率的风机房。 变速风力涡轮机可以具备更大的功率，也要求更复杂的技术。上世纪九十年代早期Lagerwey使用的第一个方案就是利用PMSM。第二个方案是Tacke在1995年提出的，随后被确定为行业内标准，它使用一个由四象限可逆的功率变换器驱动一个绕线式转子发电机。

我们将主要的解决方案列表如下，它比较了各种方案的利与弊，但很多方面的比较并没有明确清晰的结论。要注意列表中优缺点的比较只关注功率变换器本身。

为了易于维护，提高功率电路集成度，减少传动箱的使用，很多研究集中在主要应用于离岸工程的大功率(>5 MW)永磁发电机上。对节省空间，提高功率密度和转换效率等要求都在驱动功率半导体产业向前发展。

模块组件技术上的考虑

如今在设计一个风力发电项目时，电力电子设计师应该考虑如下因素：

指导原则

风力发电业在最近几十年已逐渐发展成为一个强调实用的行业。迄今为止最大的成功不是由世界范围内电气技术界的领先人物造就的。这不用去指责任何人，国际标准委员会在努力探求用正确的方法来设计和测试风机房上的功率变换器上表现得并不积极主动。因此，实用主义以及包括来自该领域的经验就是设计的指针。所以，在工程设计施工必须以行业内最好的发展水平作为标准，由于工程都存在很多的相似之处，对客户需求进行牵引就成为一个必要的行为。

主要的元件，技术

IGBT模块在近五年取得巨大技术进步。本文仅提及690V电网中使用的1700V IGBT，因为迄今为止它是风力发电工程中使用的最广泛的功率器件。
IGBT硅基片被集成在一个封装或模块里，其智能度取决于器件提供商或用户所期望的集成度。通常而言，双模块通用IGBT由反并联连接的IGBT和续流二极管构成，至于高集成度的功率模块，不仅包含功率器件部分，还包括驱动电路，传感器，短路保护以及隔离等等，范围很广。

然而哪种功率模块才是风力发电的最好选择？哪一个工业模块能够提供无以伦比的性价比？SKiiP® 集成功率模块在系统设计时就能够提供多种优点。它的高度集成可以省却接口电路，满足机械尺寸的归一化，充分利用可获得空间，和不同的元件具备良好的接口。在风力发电机舱中空间的节省不是一个小问题，提高模块功率密度就是一个解决办法。

在进行技术选型以确定功率模块的周期性工作能力时必须万分小心。因为风速经常变化，IGBT模块在很短的时间内温度波动起伏大，从而导致芯片和铜底片之间以及铜底片和基板之间的焊接部分承受大量的周期性的热-机械应力。不同材料的热膨胀系数必须尽可能匹配已避免焊接部分的裂纹。从这点考虑没有基片的模块优势将十分明显。

但是提高功率密度也意味着热密度增长，这要求通过很小的基片来扩散很高的热耗，这也是使热力工程师饶头的问题。如今这些芯片的特性被改善以至在同样的结温变化情况下可以通过更大的电流，其散热能力越来越取决于散热器的能力而不是芯片自身的散热特性。铸造成型散热器以前是可以满足散热要求的，但已不能胜任现代功率器件的最近一代芯片的散热要求了。热瓶颈就是散热器或风扇的效率，这从专业的角度上讲意味着热阻很高。

铸造成型（Extruded）铝散热器是成本最低的解决办法，在功率密度达到1000-1500 W/m²/K情况下也能良好的工作。加工(Assembled)铝散热器则越来越昂贵，但是效率较高，如今在采用空气强制制冷时是一个不错的选择。
热管通过如我们所期望的足够多的散热面积可有效地发散热量，但是考虑到发电机舱里非常有限的空间以及可维护性，其很难派上用场。

水冷散热器是冷却功率器件的最好的选择。它是一项众人皆知的技术（火车牵引驱动轮就使用该技术），但是风力发电行业对这种冷却方式有所保留，因为它也需要体积庞大的热交换器，以及一个价格不扉的循环水路。最紧凑的功率器件可通过水冷来实现，由于循环水路也能够用于冷却整套设备，从而从整体上减少系统体积，它可能是今后的一个解决方案。

减少硅器件损耗的持续努力是和减少开关损耗同时进行的，开关电感对开关损耗的影响很大。通过平面母排技术（planar bus bar）将一组电容连接到IGBT上，使得电路电感最小，从而线路上电压过冲也最小，最终减少了开关损耗。此外考虑到施加在器件两端的电压，较低的电压波头也使得器件安全裕量大大提高。

有两种类型的平面母排：其中一种简单而又便宜，它由导电平板和隔离片构成；另一种就是通过热压工艺处理的各连接平板相互绝缘而又坚固紧密排列的所谓的层叠版本。第一种类型源于电气传动行业上变频器方面的长期使用经验，这种场合对价格的考虑远超过对使用环境的考虑。第二种类型在发生平板间意外短路时会更安全；而且它增加了泄露间距——该参数在受污染的环境中起重要重用；最后它使得开关回路的电感值很小。这该种类型的母排技术将会使用得越来越广泛。由IGBT关断所产生的过冲电压也能够被连接于IGBT端子间的吸收电容所抑制。

直流环节通常由串联或并联的电解电容组构成。为了在690V交流电网中使用，必须将三排450V标准电容串联起来以确保安全。尽管就电容值/单位价格而言，电解电容仍然是最好的选择，但该技术在器件额定寿命时所承载的电流条件下，其功率密度已达到极限。新的趋势就是使用聚丙烯技术，它在自愈、单位体积电流能力、过压性能、长寿命，高压等各方面都具备优势。因为不需要串联，所以串联均压电阻也就不需要了。其缺点就是存储的能量大大减少了（每单元减少40%），因此需要控制板进行更快的调制，此外存储相同的能量成本也高很多。省却串联均压电阻能够提高可靠性，尽管维修时必须添加一些放电电阻以防止电击。

使用聚丙烯电容一个很重要的问题就是其内部的阻抗很小，尽管就电流而言这是一个优点，但是在设计连接用的母排时必须考虑，因为不同电容组间的谐振电流回路很容易产生，这会导致母排和电容异常过热。通过非常仔细的机械设计和大量的实验可以避免该问题。

构造

前面已提及，风机房用功率变换器无专门标准。作为指导性原则，我们应该满足下面这些要求，因为这些主要的特征在两种场合中都能发现。

非常长的寿命要求：20年，尽可能少的失效率（FIT）。要挑战这些目标：严酷的外部环境，严寒和酷热，周期性运行，振动。

可维护性

结构紧凑，尽管在风机房中空间并不很稀缺，但是在发电机舱中结构紧凑的器件易于移动失效率（FIT）涉及对元件技术，组装工艺、参数塞选以及抵抗环境条件和各元件之间的匹配能力等进行选择。该标准直接影响设备额定寿命的成本，从而影响整个风力发电工程的赢利情况。功率变化器仍然是整个风力设备中的一个易损件，其他部件的不正常也会导致功率变化器故障。

几乎所有的工程师都能对单个部件进行正确的定位，但整套设备的安装需要机械、化学、流体学以及热学方面的专门技能，而这而大部分都来自于个人的经验。

一长串的要检查的要点就是材料的一致性，部件内部结构中单个元件或整体的机械强度以及将部件连接起来的一整套规则。
可维护性是风力发电工业成熟的标志，它的具体表现就是在任何情况下产品都能被容易且安全地拆除或更换。

必须进行模块化设计
——每个部件的重量不应该超过可以接受的30KG
 

现在的风车房都自带维护时使用的支架，因此每个支架都有自己的架构和支撑/提升孔，在拆除支架时不要破坏他们。
 

每一个部件都要能容易地从其余部件上拆卸下来，为了避免其他关联部件掉落在功率变换器上或损害其他设备，因此必须仔细研究安装和拆卸工艺。
 

每一个部件必须能够安全地被拆除。尽管确保人身安全是设备集成商的责任，但是在设备正常运转时技师应接触不到功率变换器，这可以通过保护性框架来实现。

设计时就必须考虑物流运输程序。如果最开始就没有考虑而将设备几经周转运输到世界上的其他地方是相当危险的。每个可能会被运输的部件必须有明确清晰的包装和输送流程。备件更换可能在相当困难的外部环境中进行（离岸平台，寒冷之地），因此在最开始就必须考虑各种预防措施。

生产和服务能力

近期和风力发电市场相关的主要电气行业的关注重点表明风力发电已经形成了一个巨大的市场，并将持续高速增长。因此，寻找能以最好的质量，及时提供大量产品的长期合作伙伴是一项战略性活动。在选择合作伙伴时必须注意以下几个问题：

合作伙伴能在短期内提供大量的产品吗？风力发电工程经常遭受季节性和发货中断的影响。 产品可靠吗？产品进行了何种测试，产品寿命多长？正确的生产测试流程能够降低设备现场的早期故障。产品服务如何？在遇到问题时可否获得有益的帮助，有无售后服务？现代风机房功率变换器内有敏感器件，他们增加了设备故障的几率。通过一系列地分析测试数据和采取校正措施很多故障是可以避免的。售后工作可被看作是一个工程很好的信息反馈渠道，这在产品手册里是从来不会提到的。

合作伙伴有无风力发电行业的 专业背景？在该领域或其他类似严酷的工程-如牵引机车和海上船舶中以前成功的应用案例是能够设计出坚固产品的保证。

在决定究竟是自己独立研制还是将功率转换设备外包，哪一种才是最适合自己的发展方式以前，上面所说的几点必须加以仔细研究。