小帮手解决大问题——风电中的变桨控制_专栏

风电，将风能转化为电能，正是新能源应用的一个重要领域。经过近百年的发展，现代风力发电机系统，从塔筒高度，叶轮直径，输出功率，控制复杂度都在不断创造新的记录，仅国内最新型风力发电机的输出功率可达10MW，塔筒高度可达115米，叶轮直径可达185米。

风力发电机的所处环境，也在不断的扩展。在陆上的风电场，国内最高的海拔到了4700米，而海上的风电场，国内最远的风电场，离岸的直线距离为48千米。

风机的功率和尺寸不断增大，应用场景不断扩展，对于风机在风速变化下的适应性，以及极端条件下风机的安全性，提出了更高的要求。而这正是风机变桨控制的拿手好戏。变桨控制，即采用机械液压或者电动伺服的方式，控制风机桨叶的旋转，来调节桨叶的节距角，改变气流对桨叶的攻角，进而控制风机桨叶捕获的气动转矩和气动功率。

来自CCTV

变桨控制原理

以叶片的旋转面为参考面，当叶片与该面的角度及桨距角为0时，叶片捕获的风能最大，此时的风力发电机发出的功率也最大，当叶片与该面的角度及桨距角为90时，叶片的阻力最大，使得风机停机，这在一些极端天气里，对整个风机的安全运行至关重要。

电动变桨因为运行维护方便，成本低，控制响应高，在风电中采用的越来越多。电动变桨采用电动伺服控制器驱动变桨电机，变桨电机驱动小齿轮，小齿轮再驱动桨叶的变桨轴承，从而实现叶片的转动。

电动变桨示意图，来自易福门电子官网

变桨控制的要求

变桨控制的驱动器可靠性，环境适应性的要求很高，因为一个变桨驱动器出现故障，轻则造成风机停机，重则危及整个塔筒的安全，即使最小的维修，其停机的发电损失，以及巨额的维修费用也会对风电场造成巨大的经济损失。从下表可以看出变桨驱动器的极高的可靠性，环境适应性，安全性的要求。例如，典型工业伺服驱动器的工作环境温度只到45°C，45°C以上需要降额，而变桨控制驱动器的工作温度最高可达70°C，另外对于振动要求，典型工业伺服驱动器的振动依据频率范围在0.5g到1g之间，低频20HZ以下1g，20Hz~50Hz之间0.5g或者0.6g，而变桨控制驱动器可达2g，另外变桨控制驱动器会需要通过低电压穿越测试，高电压穿越测试，以及考虑设计/制造失效模式影响分析等等。

变桨控制驱动器与工业伺服驱动器可靠性比较表

英飞凌作为首屈一指的功率半导体供应商，自然也是风电变桨系统的主要电力电子方案的供应商，与全球变桨产品的厂商都有相应的合作，其中战略合作伙伴深圳市汇川技术股份有限公司（以下简称汇川技术）推出的PD800/802系列变桨驱动器，已经累计发货超过15000台，服务于全国各地160多个风场，以其高安全性，高可靠性，高集成度受到了多数风电主机厂和系统集成商客户的称赞。

汇川技术PD800/802系列变桨驱动器

变桨控制中的IGBT模块的特点：

汇川技术的PD800/802系列变桨驱动器中，都采用了英飞凌的Econo3封装的模块，如下图的右侧图所示。

Econo2封装

Econo3封装

Econo系列的模块，包括Econo2和Econo3两种封装，支持多种拓扑形式，包括：

整流桥，刹车，逆变桥一体化的EconoPIM™
仅整流桥（二极管，晶闸管）的EconoBRIDGE™
仅逆变桥（三相）的EconoPACK™
三电平拓扑

Econo系列的模块，也能适配从650V~1700V电压等级的不同系列的IGBT和Diode芯片，针对整流二极管和晶闸管，可以适配高达2.2kV的芯片。

英飞凌的Econo3系列IGBT模块，作为英飞凌最经典的Econo的封装之一，因为带有铜基板，过载能力强，具备高可靠性和长寿命特点；功率和驱动端子分列排布，具有易用性特点；同封装具备整流桥和逆变桥拓扑，统一模块高度，方便安装，助力风电变桨驱动器的发展，而Econo系列模块也集成了最新一代的IGBT7芯片，进一步扩展风电变桨驱动器的功率空间。