Einführung in Thyristoren in Erneuerbare Energien

Der globale Übergang zu erneuerbaren Energiequellen hängt von einer effizienten Leistungselektronik ab. Photovoltaik-Solaranlagen, Windkraftanlagen und Batteriespeichersysteme erfordern alle robuste Halbleiterschalter, um elektrische Leistung umzuwandeln, zu regeln und zu konditionieren. Unter diesen Geräten spielen Thyristoren seit Jahrzehnten eine entscheidende Rolle, insbesondere bei Hochleistungsanwendungen. Im Gegensatz zu Transistoren sind Thyristoren so konzipiert, dass sie extreme Spannungen und Ströme bewältigen und gleichzeitig einen geringen Durchlassspannungsabfall bieten, was sie ideal für die Energieumwandlungsstufen erneuerbarer Systeme macht. In Solarwechselrichtern beispielsweise liefern Thyristoren die rohe Schaltleistung, die erforderlich ist, um variable Gleichstromleistung von Panels in stabile Wechselstromenergie umzuwandeln, die den Anforderungen des Versorgungsnetzes entspricht. Ihre Robustheit, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit machen sie weiterhin zu einer bevorzugten Wahl in Megawattanlagen.

Während moderne Geräte wie IGBTs und MOSFETs Stromwandler mit geringerer Leistung dominieren, bleiben Thyristoren in den höchsten Leistungsstufen unersetzlich - wie Solarparks im Versorgungsbereich, Windparkverbindungen und Hochspannungsgleichstromübertragungsverbindungen. Das Verständnis der einzigartigen Eigenschaften von Thyristoren hilft Ingenieuren, die richtige Topologie für jede Anwendung für erneuerbare Energien, die Bilanziereffizienz, die Schaltgeschwindigkeit und die Systemkosten auszuwählen.

Was sind Thyristoren?

Grundstruktur und Funktionsweise

Ein Thyristor ist ein vierschichtiges Halbleiterbauelement mit drei Übergängen, das als Rastschalter wirkt. Es kann durch Anlegen eines kleinen Stromimpulses an seinen Gateanschluß eingeschaltet werden, wenn die Anode gegenüber der Kathode positiv ist. Einmal ausgelöst, geht das Gerät in einen leitenden Zustand und bleibt eingeschaltet, auch wenn das Gatesignal entfernt wird. Die einzige Möglichkeit, es auszuschalten, besteht darin, den Anodenstrom unter einen vorgegebenen Haltestrom (IH) zu reduzieren oder das Gerät umzuschalten. Dieses Verhalten macht Thyristoren bistabil - sie haben zwei stabile Zustände: vollständig ausgeschaltet (sperrend) und vollständig eingeschaltet (leitend).

Der häufigste Thyristor ist der siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCR), SCRs sind in Nennwerten von wenigen Ampere bis zu Tausenden von Ampere und von zehn Volt bis zu vielen Kilovolt erhältlich, andere Varianten sind der Gate-Abschaltthyristor (GTO), der durch einen negativen Gate-Impuls abgeschaltet werden kann, der integrierte Gate-kommutierte Thyristor (IGCT) und der MOS-gesteuerte Thyristor (MCT), jede Variante bietet Kompromisse zwischen Schaltgeschwindigkeit, Durchlassverlusten und Ansteuerkomplexität.

Elektrische Hauptmerkmale

Wichtige Parameter für Anwendungen im Bereich der erneuerbaren Energien sind die Sperrspannung (VDRM), der Ein-Zustand-Strom (IT(RMS), die Überspannungskapazität (ITSM und die Di/dt- und dv/dt-Einstufungen. Thyristoren zeichnen sich in stark schwülen Umgebungen aus: Sie können Kurzschlussströmen widerstehen, die ein Vielfaches ihres Nennstroms ausmachen, was bei der Fehlerbehandlung von Wechselrichtern von Bedeutung ist. Ihre typischen Schaltfrequenzbereiche liegen zwischen 50 Hz und einigen kHz, was für netzgekoppelte Wechselrichter und phasengesteuerte Wandler ausreicht.

Anwendungen in Erneuerbaren Energiesystemen

Thyristoren werden in mehreren Bereichen erneuerbarer Energien eingesetzt. Ihre Fähigkeit, hohe Energie mit minimalen Verlusten zu bewältigen, macht sie ideal für Aufgaben, die kein extrem schnelles Schalten erfordern - wie 50/60 Hz-Leitungskommutierung, weicher Start von Transformatoren und DC-Verbindungsregelung.

Solare Photovoltaikanlagen

In groß angelegten Solar-PV-Anlagen erscheinen Thyristoren in mehreren Teilsystemblöcken:

  • Während moderne MPPT-Wandler häufig IGBTs verwenden, verwenden einige Entwürfe SCRs für die Isolation und Robustheit in Multi-Megawatt-Zentralwechselrichtern.
  • Wechselrichter-Ausgangsstufen, bei denen SCR die Schaltelemente eines netzgeführten Wechselrichters bilden, die auf die Netzwechselspannung angewiesen sind, um die Thyristoren natürlich in jeder Halbwelle abzuschalten (natürliche Kommutierung).
  • Schutzschaltungen wie Crowbar-Schaltungen, die Thyristoren verwenden, um Fehlerströme kurzzuschließen und nachgelagerte Komponenten vor Überspannungsereignissen während Netzstörungen zu schützen.

Thyristoren erscheinen auch in Solarladereglern für netzferne Batteriebänke, wo sie den Stromfluss von PV-Panels zu Batterien regulieren und Überladung und Rückstrom in der Nacht verhindern.

Windenergiesysteme

Windenergieanlagen, insbesondere Doppelstromgeneratoren (DFIG) enthalten in ihren rotorseitigen Umrichtern und netzseitigen Umrichtern Thyristoren, die etwa 30 % der Generatorleistung verarbeiten, so dass Teilumrichter möglich sind. Thyristorbasierte Wechselstrom-Gleichspannungsgleichrichter (sechs- oder zwölfpulsige Anordnungen) wandeln den frequenzveränderlichen Rotorstrom in einen Zwischenkreis um. Netzseitig können Thyristoren in der Wechselrichterstufe zur Synchronisation auf die feste Netzfrequenz verwendet werden. Größere Direktantriebsturbinen mit Vollstromumrichtern verwenden häufig IGBTs für die Umrichterstufen, Thyristoren verbleiben jedoch in den Hilfssystemen, beispielsweise in den Pitch-Control-Netzteilen der Turbine oder in den Bremswiderstandsentladungskreisen.

Energiespeichersysteme

Thyristoren sind in der AC-seitigen Leistungskonditionierungseinheit von BESS im großen Maßstab zu finden, insbesondere solche, die mit Mittelspannung (z. B. 4,16 kV oder 13,8 kV) arbeiten. Hier ermöglichen Thyristorventile weiche Schaltübergänge und reduzieren harmonische Verzerrungen durch Phasensteuerung. Sie erscheinen auch in FLT:2 als spannungsseitige Schutzschalter, die Batteriebänke in Millisekunden unter Fehlerbedingungen isolieren können.

Übertragung von Hochspannungsgleichstrom (HGÜ)

Thyristoren sind das Rückgrat von HGÜ-Systemen, die entfernte erneuerbare Energiequellen wie Offshore-Windparks oder Wüstensolaranlagen mit Lastzentren verbinden. Leitungsgeführte Wandler (LCC) HGÜ verwenden Hochleistungs-Thyristorventile (oft in Reihe geschaltete Stacks), um Wechselstrom in Gleichstrom und zurück umzuwandeln. Diese Systeme können Gigawatt Leistung über Tausende von Kilometern mit geringeren Verlusten als die Wechselstromübertragung übertragen. Die Entwicklung von Thyristorventilanordnungen mit Nennwerten bis zu 800 kV und darüber hat das Wachstum von Supernetzen ermöglicht, die kontinentale erneuerbare Energieflüsse integrieren.

Rolle bei Solar Invertern

Inverter-Topologien für Solar PV

Solarwechselrichter lassen sich in drei Hauptkategorien einteilen: String-Wechselrichter (bis zu ~150 kW), zentrale Wechselrichter (100 kW bis mehrere MW) und Mikrowechselrichter (<1 kW). Thyristors are most relevant in zentrale Wechselrichter), bei denen die Spannungspegel 1.000 VDC überschreiten und die Leistungswerte mehrere Megawatt erreichen. Die klassische Topologie ist ein dreiphasiger leitungskommutierter Wechselrichter (auch Thyristorwechselrichter genannt), der sechs SCRs in einer Brückenkonfiguration verwendet. Diese Topologie ist einfach, robust und seit Jahrzehnten praxiserprobt.

In einem netzgeführten Wechselrichter stellt die Wechselspannung die Kommutierungsspannung bereit, um den ausgehenden Thyristor abzuschalten. Diese natürliche Kommutierung eliminiert die Notwendigkeit einer zusätzlichen Abschaltschaltung, wodurch die Anzahl der Komponenten und die Kosten reduziert werden. Allerdings verbrauchen netzgeführte Wechselrichter Blindleistung (nacheilender Leistungsfaktor) und erzeugen signifikante Oberwellen niedriger Ordnung. Um diese Probleme zu mildern, enthalten Wechselrichter oft Phasenschiebertransformatoren (12-Puls- oder 24-Puls-Konfigurationen) und passive Filter.

Selbstkommutierte Wechselrichter mit Thyristoren

Für Off-Grid- oder schwach-Grid-Anwendungen sind selbstkommutierte Wechselrichter erforderlich, da keine Netzspannung zum Abschalten der Thyristoren vorhanden ist. Hier werden Zwangskommutierungsschaltungen hinzugefügt: Ein Hilfskondensator und eine Induktivität erzeugen einen Strompuls, der den Hauptthyristor auslöscht. Dieser Ansatz erhöht die Komplexität und Kosten, weshalb Wechselrichterentwickler häufig auf IGBTs oder MOSFETs für Off-Grid-Systeme mit geringer Leistung umschalten. Für große, eigenständige Solarparks (z. B. in entfernten Bergbaustandorten) bleiben Thyristor-basierte selbstkommutierte Wechselrichter jedoch aufgrund ihrer Robustheit und Fähigkeit, mit schweren Überlastungen umzugehen, lebensfähig.

Moderne zentrale Wechselrichter verwenden zunehmend IGBT-basierte Spannungs-Quelle-Wechselrichter (VSI) für eine bessere Leistungsqualität und dynamisches Ansprechen. Thyristoren besetzen jedoch immer noch eine Nische in der DC-zu-DC-Stufe (z. B. in dualaktiven Brückenwandlern) und in Festkörpertransformatoren, die traditionelle Netzfrequenztransformatoren in Solarwechselrichtern der nächsten Generation ersetzen können.

Vorteile und Grenzen von Thyristoren

Vorteile

  • High Power Handling: Thyristoren können Tausende von Volt blockieren und Tausende von Ampere mit einem Durchlassspannungsabfall von nur etwa 1-2 V leiten.
  • Niedrige Leitungsverluste: Einmal eingerastet, ist die Einschaltspannung niedriger als die eines IGBT- oder Power-MOSFET mit ähnlicher Bewertung, wodurch die Gesamtsystemeffizienz verbessert wird.
  • Exzellente Überspannung standhalten: Thyristoren können Stromstöße bis zum 10-fachen ihres Nennstroms für einige Zyklen überleben, was für das Durchlaufen von Netzfehlern entscheidend ist.
  • Kosteneffektiv: Für Bewertungen über 1.000 V und 500 A sind Thyristoren deutlich günstiger pro Verstärker als IGBT-Module.
  • Robustheit: Thyristoren sind weniger anfällig für elektrostatische Entladung und Spannungsspitzen als Gate-isolierte Geräte, was die Verpackung und den Schutz vereinfacht.

Beschränkungen

  • Keine Abschaltung des Gates: Standard-SCRs können nicht durch das Gate abgeschaltet werden; sie sind auf Schaltkreisbedingungen angewiesen, um zu kommutieren.
  • Begrenzte Schaltfrequenz: Thyristoren sind aufgrund von Abschaltzeiten und Erholungsverlusten typischerweise auf unter 2 kHz begrenzt. Moderne GTOs und IGCTs können einige kHz erreichen, liegen aber immer noch hinter IGBTs (bis zu 20 kHz).
  • Reaktive Leistungsaufnahme: Netzgeführte Wechselrichter arbeiten immer mit einem nacheilenden Leistungsfaktor, der Blindleistungskompensationsausrüstung erfordert.
  • Höhere Kommutierungsverluste: Die erzwungenen Kommutierungsschaltungen, die für selbstkommutierte Wechselrichter benötigt werden, fügen Verluste und Komplexität hinzu.

Zukunftsperspektiven

Fortgeschrittene Thyristortechnologien

Bei der Erforschung von Breitband-Halbleitern (Siliziumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (Galiumnitrid)) wurden thyristorähnliche Bauelemente hergestellt: der SiC-Gate-Ausschaltthyristor (GTO) und die SiC-PiN-Diode. SiC-Thyristoren können bei Temperaturen von über 300 °C betrieben werden und sperren Spannungen über 15 kV, wodurch sie sich ideal für zukünftige Festkörpertransformatoren und Mittelspannungswechselrichter eignen. Die reduzierten Schaltverluste von SiC-Thyristoren (<1% der Siliziumäquivalente) könnten Wechselrichterbetriebsfrequenzen von mehreren Kilohertz auch bei Multi-Megawatt-Niveaus ermöglichen.

Innerhalb der Siliziumtechnologie hat sich der integrierte Gate-kommutierte Thyristor (IGCT) als eine führende Wahl für 2-10 MW-Wechselrichter herausgestellt. IGCTs kombinieren die niedrige Leitungsspannung eines Thyristors mit der Abschaltfähigkeit eines IGBT, wobei ein Gatetreiber mit niedriger Induktivität verwendet wird, um schnell Träger zu extrahieren. Viele kommerzielle Windkraftanlagenwandler (> 3 MW) verwenden jetzt IGCT-Stacks, weil sie eine höhere Effizienz und Leistungsdichte liefern als IGBT-basierte Designs.

Digitale Steuerung und Netzintegration

Fortgeschrittene digitale Signalprozessoren und feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGAs) haben prädiktive Regelalgorithmen für Thyristor-basierte Wandler ermöglicht. Diese Steuerungen optimieren Zündwinkel in Echtzeit, um Oberwellen zu minimieren, den Leistungsfaktor zu verbessern und die Netzstabilität während Spannungsschwankungen zu unterstützen. Da die Durchdringung von erneuerbaren Energien zunimmt, wird eine solche präzise Steuerung unerlässlich sein, um die Netzfrequenz und -spannung in akzeptablen Grenzen zu halten.

Die Architektur des modularen Mehrlevel-Wandlers (MMC), die bereits in HVDC vorherrscht, beginnt, den Solar- und Windwechselrichtermarkt zu durchdringen. MMCs verwenden Hunderte von Submodulen, die jeweils eine Halbbrücke enthalten (normalerweise mit IGBTs). Die Forscher entwickeln jedoch Hybrid-Submodule, die die unteren Schalter durch Thyristoren ersetzen, um Leitungsverluste zu reduzieren. Erste Ergebnisse zeigen Effizienzverbesserungen von 0,5-1 % bei Vollstromwandlern - ein signifikanter Gewinn auf der Versorgungsebene.

Integration mit Energiespeicherung und Wasserstoff

Thyristoren ermöglichen auch neue Anwendungen wie power-to-gas und green hydrogen electrolysis. Elektrolyseure für die Wasserstoffproduktion benötigen große Gleichströme (10-50 kA) bei niedriger Spannung (1-2 V pro Zelle). Thyristor-basierte Gleichrichter (manchmal Hipers oder elektrochemische Gleichrichter genannt) bieten die höchste Effizienz für diese Umwandlung, mit einem Gesamtsystemwirkungsgrad von über 98%. Da grüner Wasserstoff zu einem wichtigen Faktor für die Speicherung von erneuerbaren Energien für lange Zeit wird, wird die Thyristor-Technologie die elektrische Infrastruktur von Elektrolyseuranlagen untermauern.

Schlussfolgerung

Thyristoren sind in der Landschaft der erneuerbaren Energien bei weitem nicht veraltet. Während IGBTs und MOSFETs Wechselrichtersegmente mit geringerer Leistung erfasst haben, dominieren Thyristoren weiterhin die höchsten Leistungsstufen aufgrund ihrer unübertroffenen Kombination aus Spannungsblockierung, Stromführung und Robustheit. Von Solarwechselrichtern und Windkraftanlagenwandlern im Versorgungsmaßstab bis hin zu HGÜ-Übertragung und Wasserstoffelektrolyse bieten Thyristoren eine bewährte, kostengünstige Lösung für die Umwandlung und Steuerung erneuerbarer Energien. Laufende Innovationen bei SiC-Thyristoren, IGCTs und fortschrittliche digitale Steuerung erweitern ihre Leistungshülle und stellen sicher, dass Thyristor-basierte Leistungselektronik eine wichtige Rolle beim globalen Übergang zu nachhaltiger Energie für die kommenden Jahrzehnte spielen wird.

Für weitere Informationen zu Thyristoranwendungen in der Leistungselektronik siehe die Überprüfung der IEEE Power Electronics Society von Hochleistungshalbleitern , die NREL-Anleitung zu Solarwechselrichtertechnologien und HGÜ-Thyristorventildokumentation von HGÜ-Thyristorventilen von HITACHI Energy.