Introducción a la conversión de energía basada en GTO en granjas eólicas

La energía eólica se ha convertido en una fuerza dominante en la transición global a la electricidad renovable. La capacidad de convertir de forma fiable la energía impredecible generada por las turbinas eólicas en corriente alterna (AC) hinges en electrónica de energía avanzada. Entre las diversas tecnologías semiconductoras empleadas, los tirisores de Gate Turn-Off (GTO) han generado un nicho crítico, especialmente en la turbina de gran escala de gran escala.

Los fundamentos de los tirisores de la puerta girar

Un control de carga de puerta giratoria de puerta es un dispositivo de conmutación semiconductor que comparte la misma estructura básica como un turistor convencional (p-n-p-n capas) pero añade una innovación clave: la capacidad de apagarse aplicando un pulso de corriente de puerta negativa. En un titristo estándar, una vez activado en conducción, el dispositivo permanece desprendido hasta que la corriente de áno se cae debajo de una corriente de sujeción.

Desarrollo histórico de la tecnología GTO

Los tirisores GTO fueron introducidos por primera vez en los años 1970 y 1980 como una evolución del tiristor estándar, apuntando a aplicaciones donde se necesitaba un desvío controlable pero donde se requerían altas tensiones y clasificaciones actuales de tirisores. Los primeros GTO sufrieron altos requisitos de ganancia desaparecido y áreas de operación limitadas, pero mejoras en la estructura de puertas (como el diseño de puertas interdigitadas) y procesos de fabricación aumentaban continuamente el rendimiento GTO.

GTO vs. Tradicional Thyristors and IGBTs

Los interruptores de velocidades de la serie de TGB para el sistema de control de frecuencias de alta velocidad y de alta velocidad de la serie de frecuencias de la serie de TGB, son muy útiles para el sistema de flujo de viento y de alta tensión.

Función de los convertidores de GTO en la conversión de energía de la Turbina eólica

Los aerogeneradores de velocidad variable modernos utilizan una interfaz de convertidor de potencia entre el generador y la red. Este convertidor normalmente consiste en dos etapas: un rectificador de lado generador que convierte la frecuencia variable, el AC de voltaje variable del generador en un enlace DC, y un inversor de lado de red que convierte el flujo de CC de nuevo a la frecuencia fija, el código de voltaje fijo para la red.

Topología de convertidor de vuelta a la plataforma con GTOs

El convertidor de fuente de voltaje de alta tensión de la serie de dos niveles o tres niveles de la serie de mandos de alta tensión de la serie de alta velocidad permite reducir el voltaje de la serie de alta tensión y el número de conexión de la serie de alta velocidad de la serie de filtros de alta calidad, con un número de conexión de alta tensión de la serie de alta calidad y dos diodos de sujeción.

Inverter de latón de latón de latón de latón usando GTOs

El sistema de control de la red de alta velocidad (continuación de la red) de la red de alta velocidad (continuación de la red) de la capacidad de control de la red de alta velocidad (continuación de la red) de alta velocidad y de alta velocidad (continuación de la red de alta velocidad de la red de control de la red (contador de alta velocidad)

Ventajas técnicas de los sistemas basados en GTO

  • ] Capacidades de manejo de alta tensión y corriente: Los GTO pueden bloquear hasta 9 kV y conducir hasta 6 kA por dispositivo, haciéndolos ideales para aerogeneradores de 10+ MW sin conexiones de serie complejas.
  • Alta confiabilidad y robustez: Los GTO son inherentemente robustos, capaces de soportar las corrientes de onda y altas temperaturas de unión comunes en entornos de turbina eólica con carga cíclica y alteraciones de la red.
  • Pérdidas de conducción mínima en altas corrientes: Aunque la caída de tensión en el estado es mayor que una IGBT en bajas corrientes, a niveles de multikA la caída de tensión es relativamente baja, y el coeficiente de temperatura de tensión avanzada es positivo, facilitando el funcionamiento paralelo.
  • ] Experiencia de base de fabricación y campo: Los decenios de despliegue en aplicaciones industriales y de tracción significan que los GTO tienen modos de falla bien entendidos y datos de fiabilidad comprobados, reduciendo el riesgo para los operadores de granjas eólicas.
  • Diseño de snubber simplificado en comparación con los SCR: Debido a que los GTO pueden apagarse bajo control de puertas, el circuito de snubber solo necesita manejar la energía transiente de desactivación, no la conmutación completa de la corriente de carga, reduciendo el recuento de componentes y las pérdidas.

Desafíos y estrategias de mitigación

  • Circuito de compuerta plegable: La unidad de compuerta debe suministrar un pulso de alta corriente (hasta el 10% de la corriente de ánodo) durante el desvío, que requiere condensadores de almacenamiento grandes y un diseño PCB cuidadoso. Las soluciones incluyen el uso de controladores de compuerta integrados con almacenamiento de energía local y aislamiento óptico para transmitir señales de de desvío/des.
  • Las pérdidas de conmutación más altas en comparación con los IGBT: La cola de desvío de las corrientes en las OG puede ser larga, aumentando las pérdidas en frecuencias más altas. La mitigación implica operar a frecuencias de conmutación más bajas (por ejemplo, 500 Hz) y aplicando topologías multinivel para emular frecuencias de conmutación más efectivas al mantener bajas las tasas de conmutación de los dispositivos.
  • ] Necesidad para sistemas de refrigeración robustos: Los GTO disipan calor significativo durante tanto la conducción como el cambio. Conversores de turbina de viento utilizan a menudo el enfriamiento del aire forzado con grandes lavabos de calor o sistemas de refrigeración líquida. Los fluidos de refrigeración eléctrica se pueden utilizar para mantener la uniformidad de temperatura.
  • ] Precio inicial:] Los módulos GTO y sus unidades de puerta especializadas cuestan más por amperio que los módulos IGBT. Sin embargo, el costo del sistema puede ser menor para turbinas multi-MW porque menos dispositivos y arreglos de serie/paralela más simples reducen los costes de equilibrio (barros, interconexiones, recintos).
  • Ganancia de turn-off y diseño de snubber: La ganancia de desvío típica (ratio de corriente de ánodo a corriente de puerta) es sólo 3-5, lo que significa que la puerta debe hundir una gran corriente inversa. Esto requiere circuitos de snubber para limitar la ganancia dv/dt durante el desvío y proteger el dispositivo contra la segunda desintegración.

Sistemas de Gestión Termal y enfriamiento

Because wind turbines operate in environments with widely varying ambient temperatures, from arctic cold to desert heat, the thermal design of GTO converters must be robust. GTOs are typically mounted on copper baseplates with direct bonding to heat sinks. For example, a 6 kV/3 kA GTO in a 5 MW wind turbine inverter can dissipate several kilowatts of heat. Cooling methods include forced air with high-velocity fans, liquidEl enfriamiento con una mezcla de agua-glicol circulado a través de placas frías, e incluso enfriamiento evaporativo de dos fases en casos extremos. El sistema de refrigeración debe diseñarse para manejar las condiciones de peor caso, como el funcionamiento de potencia completa a una temperatura ambiente de 50°C, manteniendo la temperatura de unión por debajo de 125°C. Los sensores de temperatura integrados en el paquete del módulo permiten reducir la frecuencia de conmutación o limitar la corriente durante el estrés térmico.

Complejidad del circuito de entrada

La unidad de control de puerta para una unidad GTO debe ofrecer un pulso de alta velocidad (normalmente 10-20 A) y un pulso de alta velocidad (hasta varios cientos de amperios) con una inductancia muy baja. Las unidades de puerta modernas utilizan un banco de condensadores local cargado a una tensión alta (por ejemplo, 20 V para el desvío y -15 V para el desvío) y se cambian a través de Ivolotaje rápido

Aplicaciones avanzadas de la OGT en granjas de viento moderno

Conversores multinivel modulares (MMC) con GTO

La arquitectura modular multinivel (MMC), ya dominante en la transmisión HVDC, es cada vez más considerada para sistemas de recogida de parques eólicos. En un MMC, cada brazo de fase consiste en múltiples submodules, cada uno con un medio puente (o puente completo) con un condensador.

Mejora de la capacidad por defecto

Los códigos de agarre requieren turbinas de viento para mantenerse conectados durante los argots de tensión (a poca tensión, LVRT) y a veces durante eventos de sobrevoltura. Los convertidores basados en GTO pueden contribuir a mejorar el viaje de falla debido a su capacidad de de desvío rápida y capacidad de manejar las sobrecorrientes de carga.

Tendencias e Investigaciones futuras

La evolución de la tecnología GTO continúa, con una tendencia particular hacia el Gate Commutated Thyristor (GCT), también conocido como el Portal Integrado de Tiristor Commutado (IGCT). El IGCT combina una GTO con una unidad de puerta optimizada integrada en el paquete, logrando la unidad de rendimiento y eliminando los snubber en la mayoría de aplicaciones.

Otro área de investigación es el uso de materiales de bandagap anchos como carburo de silicio (SiC) en estructuras de alta tensión GTO. SiC GTOs se están desarrollando que prometen una operación de temperatura aún mayor (temperaturas de unión hasta 250°C) y pérdidas de conmutación más bajas. Sin embargo, SiC GTOs todavía están en fase de laboratorio, con desafíos en la fabricación de dispositivos de gran área y la gestión de la carga de la puerta más alta.

Por último, se aplican técnicas de mantenimiento gemelo digital y predictivo a los convertidores de GTO en parques eólicos. Al monitorear señales de entrada, patrones de tensión y ciclos térmicos, los operadores pueden predecir el desgaste de dispositivos y programar reemplazos durante el mantenimiento planificado, evitando costosos tiempos de inactividad no planificados.

Conclusión

Los sistemas de conversión de energía basados en GTO siguen siendo una tecnología relevante y valiosa para grandes granjas de turbinas eólicas, especialmente en los segmentos multi-megawat y de media tensión. Su capacidad para manejar altas tensiones y corrientes con fiabilidad demostrada les hace una opción fuerte para los desarrolladores que buscan maximizar la captura de energía al minimizar la complejidad del sistema.

Para mayor lectura, considere el artículo de Wikipedia sobre los tiradores de la puerta de la mano y el papel de la IEEE sobre los convertidores basados en GTO para aplicaciones de energía eólica