Introducción a los Tirisores de Turn-Off en la Transmisión HVDC

Los sistemas de transmisión de alta tensión Direct (HVDC) sirven como base de transferencia de energía eléctrica de larga distancia moderna, permitiendo una conexión eficiente entre redes asincrónicas e integración de fuentes de energía renovable remotas. En el corazón de muchos sistemas de generación de tensión (VSC) basados en HVDC se encuentra el Gate Turn-Off Thyristor (GTO), un dispositivo semiconductor que ofrece un control superior sobre el flujo de energía en comparación con los sistemas convencionales

¿Qué es una GTO y por qué importa para HVDC?

Un dispositivo de conmutación de alta velocidad de 3 termino que puede ser activado por un pulso de puerta y, crucialmente, apagado mediante la aplicación de una corriente de puerta negativa. Esta capacidad de desvío completa distingue los GTO de los tirisores estándar, que dependen de la corriente principal del circuito para conmutar. En aplicaciones HVDC, esta función elimina la necesidad de circuitos de conmutación externa, permitiendo la transmisión de alta frecuencias

GTO-Based HVDC Converter Topologies

La integración de las OG en los sistemas HVDC depende de configuraciones específicas de convertidores que explotan su capacidad de desvío. Las dos topologías más comunes son el convertidor de dos niveles de tensión y el convertidor modular multinivel (MMC). Mientras que el MMC se ha vuelto dominante en los proyectos modernos de HVDC debido a su escalabilidad y distorsión de baja armónica, los convertidores de dos niveles GTO siguen en funcionamiento en instalaciones antiguas y ciertas aplicaciones de nicho.

Conversor de dos niveles de tensión con GTO

El sistema de transmisión de alta velocidad y de alta tensión de la serie de cables de alta tensión es un sistema de transmisión de alta tensión y de alta tensión de alta velocidad. El sistema de transmisión de alta velocidad es un sistema de transmisión de alta tensión y de alta velocidad.

Multilevel Modular Converters and GTOs

A pesar de que los proyectos HVDC se escalan a mayores voltajes y potencias, el convertidor modular multinivel (MMC) se ha convertido en la opción preferida. En el MMC, cada fase consiste en varios submodules, cada uno conteniendo un GTO (o otro semiconductor) y un condensador.

Consideraciones de diseño para sistemas de HVDC basados en GTO

La implementación de las OG en un sistema HVDC requiere una atención cuidadosa al diseño eléctrico, térmico y mecánico para garantizar un funcionamiento fiable durante décadas de servicio. Las secciones siguientes describen los factores de ingeniería clave que deben ser abordados.

Diseño de circuito de puerta y de deslizamiento

La unidad de control de puertas (GDU) para una GTO debe ofrecer una alta corriente máxima (a cientos de amperios) para activar el dispositivo rápidamente y, más críticamente, un pulso de corriente inversa para apagarlo. El proceso de desvío es especialmente exigente: el GDU debe extraer una corriente de portón negativa que es típicamente de una quinta a una tercera parte de la corriente de ánodo.

Gestión térmica

Los GTOs disipan calor sustancial durante el cambio y la conducción, con temperaturas de unión a menudo alcanzando 125°C bajo carga total. La gestión térmica efectiva es crítica para prevenir la falla del dispositivo. Los grandes lavabos de calor de aluminio o cobre se atornillan directamente al paquete GTO, y el refrigeración por aire o líquido forzado se emplea para eliminar el calor.

Compartir y proteger el voltaje

Cuando múltiples OG se conectan en serie para bloquear voltajes de alta DC, pequeñas variaciones en la corriente de fuga y el tiempo de desvío pueden causar una distribución desigual de tensión. La distribución de tensión estática se logra colocando resistencias de alto valor en paralelo con cada dispositivo, mientras que el reparto dinámico durante el conmutador es gestionado por redes de snubber de velocidad RC. La protección de exceso incluye vainadores, diodos de des des des (también conocidos como dispositivos de interruptores de interruptores de interruptores de interruptores de interruptores de interruptores de interruptores de interruptores de interruptores de presión) y de alta velocidad

Estrategias de control para convertidores de HVDC basados en GTO

El control de medición preciso de las OG permite técnicas avanzadas de modulación y regulación que optimizan la transferencia de energía y la estabilidad de la red. El sistema de control debe generar pulsos de puerta con tiempo preciso, normalmente sincronizados a la fase de red AC a través de bucles bloqueados por fase (PLLs).

Técnicas de modulación de pulso-Width

La eliminación armónica selectiva (SHE) PWM se utiliza comúnmente con VSCs basados en GTO para minimizar las armónicas de baja orden al reducir las pérdidas de conmutación. En SHE, los ángulos de conmutación se precalculan para eliminar las armonías específicas en la salida del convertidor. Alternativamente, la modulación del espacio-vector (SVM) proporciona una mejor utilización de la tensión de autobús DC y es adecuado para la implementación digital.

Control de potencia activo y reactiva

Mediante la variable de amplitud y ángulo de fase del voltaje de salida del convertidor en relación con la red, la potencia activa y reactiva puede ser controlada independientemente. Esta capacidad es una ventaja clave de VSC-HVDC sobre LCC-HVDC. El sistema de control comprende un bucle de corriente interna que regula las corrientes de eje dq (activas y reactivas) y un bucle externo que controla el voltaje de corriente de CC.

Soporte de rígido por defecto y a presión

Los códigos de red modernos requieren que los sistemas HVDC permanezcan conectados durante las argollas de tensión y proporcionen inyección de corriente reactiva para soportar la red. Los convertidores basados en GTO pueden lograr esto porque son auto-commutados. El sistema de control debe detectar la condición de falla, reducir el flujo de energía activo (que podría ser limitado por la capacidad de corriente corriente de la línea DC), y inyectar la corriente reactiva dentro de milisegundos.

Desafíos de aplicación y estrategias de mitigación

A pesar de sus ventajas, los OGM presentan varios obstáculos de implementación que los ingenieros deben superar.

Complejidad de la unidad de puerta

El circuito de entrada para una GTO es mucho más complejo que el de un tiristor o IGBT. El alto requisito de la corriente de desvío exige una vía de entrada baja, de alta energía de la puerta de entrada. El aislamiento fiberoptico es necesario para transmitir señales de puerta al potencial de alta tensión de cada dispositivo. La fuente de alimentación de la unidad de puerta debe ser derivada del autobús DC o una fuente auxiliar, añando costos y costos de control de los controladores.

Interrupción de pérdidas y eficiencia

Los GTOs presentan pérdidas de conmutación relativamente altas, especialmente durante el período de desvío prolongado. La corriente de cola, una corriente residual que fluye después del pulso desvío principal, contribuye a una disipación de potencia significativa. Por esta razón, los GTO suelen operar a frecuencias de conmutación inferiores a las IGBTs. Los diseñadores de sistemas deben realizar un análisis detallado de pérdidas, a menudo utilizando herramientas de simulación electro-térmica, para asegurar que el peor nivel de enfriamiento puede manejar las estaciones de distancia

Consideraciones de gastos

Los módulos de la OGT son caros debido al gran área de la ola de silicio y el proceso de fabricación complejo. Sin embargo, para aplicaciones muy altas (above 2 kA por dispositivo), las OG pueden ser más económicas que paralelizar múltiples IGBTs. El costo total del sistema incluye no sólo los semiconductores, sino también las unidades de puerta, los snubbers, enfriamiento y control.

Comparación con los IGBT y los IGCT

El paisaje de semiconductores de alta potencia ha evolucionado significativamente desde que los GTO fueron introducidos por primera vez en los años 80. Hoy, las principales alternativas son los IGBT (y sus versiones de la prensa) y los IGCT. Entender los intercambios ayuda a los ingenieros a elegir el mejor dispositivo para una aplicación específica HVDC.

IGBT vs. GTO

Los transistores bipolar de puerta aislada (IGBT) han dominado VSC-HVDC en las últimas dos décadas, debido en gran medida a su unidad de puerta más simple (controlada por tensión frente a las frecuencias de conmutación actuales), frecuencias de conmutación más altas y facilidad de conexión paralela. Los IGBT también cuentan con una amplia zona de operaciones segura y capacidad de control de cortocircuito.

IGCT vs. GTO

El HDC / HDC / HGC / HC / HC / HC / HC / HDC, que es un producto de IGCT, que combina la baja pérdida de conducción de un tissristor con la capacidad de conmutación de un transistor. Un IGCT integra el GTO morir con un circuito de impulsión de baja densidad de inductancia en un solo paquete, lo que resulta en pérdidas de conmutación más rápida y menor.

Aplicaciones y estudios de casos en el mundo real

Para comprender la aplicación práctica de las OGM en la HVDC, es útil examinar proyectos notables.

Gotland HVDC Light (1997)

El sistema GTO de GTOA en la isla de Long-W, que ha sido el sistema de GTO de larga data, ha sido el sistema de GTO de la VDC, que ha sido el sistema de GTO en la isla de Long-WDC, que ha sido el sistema de GTO de larga data, y que ha sido el sistema de VDC de larga duración, que ha demostrado la tecnología de GTO-150.

Proyecto de prueba de HVDC Shandong (2018)

En China, la Corporación Estatal Grid de China probó una estación de convertidor de LCC-VSC híbrida que incorpora VSCs basados en GTO para la compensación de potencia reactiva. El proyecto validó con éxito el uso de GTOs en combinación con LCC basado en tiristor para mejorar la regulación de tensión durante fallas. Los resultados fueron publicados en ].

Tendencias futuras en la tecnología GTO para HVDC

Aunque no se han anunciado recientemente nuevos proyectos importantes de desarrollo de la capacidad de los países en desarrollo con sede en la OGT, la investigación en curso tiene por objeto mejorar el desempeño de la OGT y ampliar su vida útil operacional.

Carburo de silicona (SiC) GTOs

Los dispositivos de carburo de silicona prometen pérdidas de conmutación más bajas y operación de temperatura más alta. Los GTO de siC prototipo con voltajes de descomposición por encima de 10 kV se han demostrado en configuraciones de laboratorio. Si la comercialización tiene éxito, los GTO de SiC podrían competir con IGBTs de silicio en términos de frecuencia manteniendo bajas pérdidas de conducción, potencialmente revitalando el interés en los convertidores basados en GTO para la transmisión de ultraalta tensión DC.

Sistemas avanzados de refrigeración

Las nuevas tecnologías de refrigeración, como el enfriamiento de inmersión en dos fases y los fregaderos de calor de microcanal, pueden reducir la resistencia térmica y permitir una mayor densidad de potencia. Estas soluciones están siendo estudiadas para las válvulas GTO existentes para mejorar su capacidad sin reemplazar toda la estación de convertidor.

Mantenimiento Digital Twin y Predictivo

El despliegue de sensores de fibra óptica y análisis de datos permite el monitoreo de las válvulas GTO. Al rastrear la temperatura de unión, cambiar tensión y corrientes, los operadores pueden predecir la degradación de los dispositivos y programar el mantenimiento proactivamente. Este enfoque reduce los outages forzados y extiende la vida de los componentes.

Conclusión

Los controladores de HVDC han desempeñado un papel fundamental en la evolución de la transmisión VSC-HVDC. Su capacidad para cambiar alta tensión y corrientes con total control ha permitido el desarrollo de convertidores auto-commutados que revolucionaron la transferencia de energía a larga distancia y la integración de la red. Aunque los IGBT y los IGCT han suplantado en gran medida las GTO en nuevos proyectos, las OG siguen siendo operativas en muchas instalaciones y