【摘 要】随着全球能源结构的转型和碳中和目标的提出，风能作为可再生能源之一，在中国得到迅猛发展。风电变流器是风电机组的核心部件，其性能直接影响风电机组运行的效率和稳定性。文章针对风电变流器中功率模组的国产化设计展开深入研究，通过优化设计，可提高风电机组的运行效率，降低维护成本，为同类研究提供参考。
【关键词】风电变流器；功率模组；国产化设计
引言
新能源产业的快速发展，使得风力发电成为一种重要的可再生能源，为能源调整提供重要方向。在风电机组中，风电变流器是风电机组的重要组件，风电变流器的性能状况直接影响着机组的运行质量与稳定性。本文围绕风电变流器展开讨论，详细分析功率模组国产化设计，以提升风电机组的运行效率，保证风电机组运行的稳定性，促进能源产业的持续发展。
一、功率模组的设计
风电变流器功率模组属于高功率密度的一体化组件，它由电力电子器件、无源元件、散热系统以及驱动保护电路共同构成。其关键作用在于把风力发电机所产生的非恒频交流电，经过整流以及逆变这两个过程，转变为和电网频率相同且相位一致的稳定交流电，进而实现电网与发电机之间的能量转换。
（一）绝缘栅双极型晶体管模块选型
双馈式风电变流器内部包含网侧变流器及机侧变流器两个部分，其中网侧变流器一头连接电网，另一头则连接直流母排；而机侧变流器的一端连接发电机的转子侧，另一端同样连接直流母排。网侧变流器和机侧变流器借助直流母排进行能量交换，进而达成风电机组能量交换的目的。
1.网侧变流器电流计算
双馈式风电变流器网侧的额定功率由机组总容量及双馈电机的额定转差决定。根据变流器网侧功率计算变流器网侧电流值[1]，如公式（1）所示：
Igrid_n=Pgrid_n 3×Vin=253 A（1）
其中，Vin为系统额定电压，取值690 V；Pgrid_n为双馈变流器网侧额定功率，其计算过程如公式（2）所示：
Pgrid_n=Sn1+Sn×Po=302 kW（2）
其中，Po为双馈变流器总额定功率（按照2 MW机组计算），Sn为双馈变流器额定转差率（发电机转子转速与定子旋转磁场转速（同步转速）之间的差值与同步转速的比值，此处取0.178）。
考虑1.05倍过载、0.95的低电压系数及0.95的功率因数，网侧设计电流Igrid_n_max的计算如公式（3）所示：
Igrid_n_max=Igrid_n×1.050.95×0.95=294 A（3）
其中，Igird_n_max考虑设计裕量，取400 A。网侧最大短时过载电流Igird_max（变流器1.35倍过载运行，持续运行时间不超过20 s），如公式（4）所示：
Igird_max=Igird_n_max×1.35=540 A（4）
2.变流器转子侧电流计算
根据变流器转子侧功率计算变流器转子侧电流值，可先计算双馈变流器定子侧额定功率和定子侧额定电流，再通过发电机定转子匝数比，便可得到变流器转子侧电流。转子d轴最大电流计算过程如公式（5）（6）（7）（8）所示：
Pstator=11+Sn×Po=1 709 kW（5）
Istator=Pstator 3×Vin=1 430 A（6）
ncoil=Vrotor_openVin=1 835690=2.66（7）
Irotor_max_d=Istatorncoil=538 A（8）
其中，Pstator为双馈变流器定子侧额定功率，Istator为定子侧额定电流，ncoil为定转子匝数比，Vrotor_open为发电机转子开路电压，Irotor_max_d为转子d轴最大电流。按发电机△/Y接法，转子侧q轴最大电流Irotor_max_q，如公式（9）所示：
Irotor_max_q=Vin× 332×Xm× 3=690× 332×2.67× 3=172 A（9）
其中，Irotor_max_q取200 A用于后续计算，Xm为发电机励磁电抗，取值2.67 Ω，则转子侧最大电流，如公式（10）所示：
Irotor_max= Irotor_max_d2+Irotor_max_q2= 5382+2002=574 A（10）
考虑1.15倍的裕量，变流器转子侧设计电流Irotor_n_max如公式（11）所示：
Irotor_n_max=574×1.15=660 A（11）
Irotor_n_max考虑设计裕量，取800 A，则转子侧最大短时过载电流Irotor_s_max的计算如公式（12）所示：
Irotor_s_max=Irotor_n_max×1.35=1 080 A（12）
根据计算结果，网侧、机侧模组分别选用了英飞凌的Primepack封装的FF650R17IE4，FF1000R17IE4双并联方案，在保证系统正常运行的同时，不会因单颗绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）承载电流过大而出现过热问题。
