可再生能源是指那些取之不尽、持续补充的能源。包括风能、太阳能、水能、潮汐能、海洋能和地热能，以及从植物中提取的生物燃料。所有这些能源都源自自然，理论上无限可用。

风能作为可再生能源的关键支柱，风能已从风车和风力泵等历史机械应用演变为现代发电方式，主要通过风力涡轮机实现。这些涡轮机通常集中在与电网连接的风电场中。

风力发电场主要有两种类型：海上风电场和陆上风电场。

海上风电海上风电场的建设与运营成本高于陆上风电场。然而，海上风电场通常建在风力更强、更稳定的区域，风速更高且波动更小。这使得风力发电机能够以更接近最大容量的状态运行更长时间，从而提升发电效率和电力输出的可靠性。因此，相比陆上风电场，海上风电场的容量因数（实际发电量与理论最大发电量的比值）更高。

陆上风电陆上风电技术成熟，基础设施与运营成本显著低于海上风电。此外，陆上风电场通常更易接入电网，进一步降低了系统集成的复杂性与成本。因此，在许多地区，陆上风电成为优先发展的风能形式。

风力发电通常在夜间和冬季更强，而太阳能发电则在白天和夏季达到峰值。将这两种能源结合使用，可减弱由天气、季节或昼夜变化引起的发电量波动，提升电力供应的整体稳定性和可靠性。在2023年，全球风力发电量约为2,304太瓦时（TWh），占全球发电总量的7.8%。这标志着可再生能源发展的重要里程碑：全年可再生能源首次占全球供电总量的30%。

风能和太阳能在实现目标方面发挥了关键作用《巴黎气候协定》,强调风能开发符合协议的去碳化目标。然而，仍需加快扩张速度以全面实现气候目标。凭借低运营成本、可扩展性及环境友好性，风能已成为实现气候目标的关键资源。

风力涡轮机

现代风力涡轮机尺寸各异，但所有类型通常由三个主要部件组成：转子叶片、机舱和塔架。

风力发电机机舱示意图

风力发电机在拓扑结构、架构和设计特性上多种多样，直接影响发电效率与稳定性。行业正越来越多地采用集成传动系统的方案。通过引入一体化控制系统，风力发电机、变流器、逆变器及并网装置等可实现互联，从而实现全面的系统监控与管理，优化控制策略，提升风能发电的效率与稳定性。

风力涡轮机机舱的硬件系统

风力发电机

风力涡轮机的一个限制因素在于所使用的发电机技术。目前主要有三种风力发电机类型：

• 直流发电机（DC）
• 交流同步发电机（交流电）
• 交流异步发电机（交流电）

风力发电机的输出功率经交流/直流转换器转换为直流电，再通过逆变器转换为工频交流电。这些发电机可在固定转速或变速模式下运行。

变速运行通常更受青睐，因为它能自适应风速波动，降低叶片和传动系统的机械应力，同时提高风能利用率，确保发电更稳定。

风力发电机拓扑结构

功率半导体的应用

功率半导体在可再生能源发电中发挥着关键作用。在风力涡轮机中，功率半导体将电能转换并连接发电机与电网。除电力传输外，风力涡轮机变流器还需管理多项关键功能，因此必须采用最高品质的功率半导体。功率半导体是风力发电机组硬件系统中的核心组件。

• 校正与反转在风力发电系统中，涡轮机产生的交流电需先经整流器转换为直流电，再通过逆变器转换回符合电网要求的交流电。功率半导体器件如IGBT（绝缘栅双极型晶体管）在整流和逆变过程中发挥关键作用，确保高效能量转换与传输。
• 变频控制风力涡轮机通常以可变速度运行，以适应不同的风况。电力半导体器件用于变频器中，以控制发电机的转速和输出频率。这使得最大功率点跟踪（MPPT），提高发电效率。
• 能源转换与传输风力涡轮机将风能转化为电能，并通过电力电子系统高效传输至电网。功率半导体在此过程中发挥核心作用。

功率半导体在整流、逆变、变频控制和能量传输中不可或缺，确保风电系统高效、可靠且经济地运行。

IGBT、IGCT 和碳化硅器件

根据风力发电系统的不同设计与应用，我们常见 IGBT 模块、压接式 IGBT、晶闸管和 IGCT 等功率器件。

1700V IGBT 模块广泛应用于风力发电机变流器中，将发电机产生的交流电转换为符合电网要求的电能。这些模块的高效率和可靠性确保了风力发电机的稳定运行。3300V IGBT 模块适用于更高电压的风力发电系统，尤其适合需要较高直流母线电压的应用场景。这些模块能够承受更高的电压和功率等级，满足大型风电设备的需求。4500V 和 6500V IGCT 与 IGBT 技术的出现，显著提升了中压变流器的性能。压接式 IGBT 半导体器件具备高效率，而 IGCT 则具有更低的成本优势。

IGCT压接封装：中压（MV）IGCT 压接器件主要用于高功率工业应用，因为压接封装相比模块具有以下优势：更高的热循环和功率循环能力，以及无爆炸风险的失效模式。

IGBT 模块与 IGBT 压接模块市场上6.5kV IGBT 模块的开关电流容量已达到约1500A.。新研发的压接式 IGBT 器件结合了 IGBT 技术与压接封装的优势，已成为中高压工业应用（如风力发电机中的中压驱动器）中 IGCT 的有力竞争者。

日立能源的StakPak 模块采用典型压接封装设计，适用于高压大功率应用，可用于风力发电、高压直流（HVDC）输电和柔性交流输电系统（FACTS）。

碳化硅（SiC）器件

碳化硅（SiC）MOSFET 作为新一代功率半导体器件，凭借其独特优势，正推动风力发电技术的升级与发展。

SiC 器件具备高耐压、低损耗和高频运行特性。在风力发电系统中，SiC 器件可提升变流器的效率与功率密度，同时减小系统体积和重量。此外，随着高压直流（HVDC）输电技术的发展，SiC MOSFET 在长距离电力传输中展现出巨大潜力，为风力发电的广泛应用提供了有力支撑。

风力涡轮机解决方案提供商与趋势

随着风力涡轮机输出功率持续增加（通常超过 2MW），IGBT 模块普遍采用水冷技术以满足热管理需求。在功率半导体应用中，一个关键挑战是确保系统在电网故障期间能按指定时间继续运行，这是风电场并网运营商对风力涡轮机的核心要求。对于采用双馈感应发电机的风电系统而言，这一点尤为重要：IGBT 和续流二极管必须具备承受高电流和高电压瞬态冲击的能力。

目前，领先的功率半导体制造商已推出针对风力发电应用的定制化解决方案，包括：

• 英飞凌
• 富士电机
• 三菱电机
• 日立ABB电网

日立能源

日立能源在功率半导体领域取得多项技术突破，尤其在风力发电应用方面。

1.300mm 晶圆技术的应用

日立能源已成功推出300毫米晶圆用于绝缘栅双极晶体管（IGBT）生产。这一创新提升了芯片制造产能，支持开发更先进的1200伏 IGBT 结构，从而在高功率应用中实现更快的电源切换。与传统200毫米晶圆相比，300毫米晶圆使每片晶圆集成的集成电路数量增加2.4倍，显著降低成本。此外，最新一代精密沟槽型 IGBT 设计进一步提高了电能转换效率，降低了运行中的功率损耗。

2. OceaniQ™ 海上能源产品组合

为应对大容量深海海上风电系统的发展趋势，Hitachi Energy 推出 OceaniQ™ 海上能源产品组合。该组合包括 66 kV HiDry 干式变压器、WindSTAR™ 变压器以及适用于风力发电机的 PASS M00-Wind 大功率开关设备，助力可再生能源更大规模并网。这些产品旨在满足海上风电场高效可靠输电的需求，推动海上风电产业发展。

3. 预制模块化海上变电站

日立能源推出了一种预制模块化海上变电站，旨在优化海上风电的电力传输方案。该紧凑型预制电网接入方案可将海上变电站上部结构占地面积减少 30%、重量降低 20%，显著降低海上风电的开发成本与运营费用。

4.数字解决方案

日立能源在数字领域取得显著进展，推出Lumada资产绩效管理（APM）解决方案及TXpert™生态系统。这些系统可收集并分析运行数据，助力用户对关键资产进行预测性管理，从而提升风电生产与管理的效率。

风力发电系统发展趋势

碳化硅（SiC）技术的应用：碳化硅（SiC）功率器件具有更高的开关速度和效率，可降低系统损耗，提升风电系统的整体性能。

模块化设计模块化设计使风力涡轮机电能转换系统能更灵活地适应不同功率等级需求，简化了生产和维护流程。

数字化与智能化数字化控制与监控技术的集成实现了实时监测与优化控制，提升了系统的可靠性与效率。

结论

功率半导体在风力发电系统中，特别是在能量转换与传输环节，发挥着关键作用。随着风电技术的不断进步，功率半导体的性能与可靠性持续提升，为实现可持续能源目标奠定了坚实的技术基础。

逸岳专注于全系列日立能源（ABB）产品，并提供多元化的半导体产品组合。想了解我们的更多产品或服务？立即联系我们！

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