Introduction aux thyristors dans les énergies renouvelables

Les réseaux photovoltaïques solaires (PV), les éoliennes et les systèmes de stockage de batteries nécessitent des commutateurs semi-conducteurs robustes pour convertir, réguler et conditionner l'énergie électrique. Parmi ces appareils, les thyristors ont maintenu un rôle crucial pendant des décennies, en particulier dans les applications à haute puissance. Contrairement aux transistors, les thyristors sont conçus pour gérer les tensions et les courants extrêmes tout en offrant une baisse de tension vers l'avant faible, ce qui les rend idéales pour les étapes de conversion énergétique des systèmes renouvelables.

Alors que les appareils modernes comme les IGBT et les MOSFET dominent les convertisseurs à faible puissance, les thyristors restent irremplaçables dans les niveaux de puissance les plus élevés, comme les parcs solaires à échelle de service, les interconnexions des parcs éoliens et les liaisons de transmission à courant direct haute tension (HVDC).

Qu'est - ce que les Thyristors?

Structure et fonctionnement de base

Un thyristor est un dispositif semi-conducteur à trois branches (PNPNN) à quatre couches qui agit comme un interrupteur de verrouillage. Il peut être activé en appliquant une petite impulsion de courant à son terminal de porte lorsque l'anode est positive par rapport à la cathode. Une fois déclenché, le dispositif entre dans un état de conduite et reste verrouillé même si le signal de porte est enlevé. La seule façon de l'éteindre est de réduire le courant d'anode sous un courant de maintien spécifié (IH) ou de renverser le dispositif. Ce comportement rend les thyristors bistables]—ils ont deux états stables: complètement éteints (bloquants) et entièrement activés (conduits).

Le thyristor le plus courant est le redresseur au silicium (SCR). Les SCR sont disponibles en notations de quelques ampères à des milliers d'ampères et de dizaines de volts à de nombreux kilovolts. D'autres variantes incluent le thyristor à interrupteur de porte (GTO), qui peut être éteint par une impulsion de porte négative; le thyristor à interrupteur de porte intégré (IGCT); et le thyristor à interrupteur de porte contrôlé par MOS (MCT).

Caractéristiques électriques clés

Les paramètres importants pour les applications d'énergie renouvelable comprennent la tension de blocage (VDRM[), le courant à l'état (IT(RMS)[), la capacité de courant de surtension (ITSM[), et les cotes di/dt et dv/dt. Les thyristors excellent dans les environnements à haute sururgie : ils peuvent résister à des courants courts-circuits plusieurs fois leur courant nominal, ce qui est précieux pour la manipulation des défauts de l'inverteur.

Applications dans les systèmes d'énergies renouvelables

Leur capacité à gérer une puissance élevée avec des pertes minimes les rend idéales pour les tâches qui ne nécessitent pas de commutation extrêmement rapide, comme la commutation de ligne 50/60 Hz, le démarrage doux des transformateurs et la régulation des liaisons DC.

Systèmes photovoltaïques solaires

Dans les centrales photovoltaïques solaires à grande échelle, les thyristors apparaissent dans plusieurs blocs de sous-systèmes:

  • Convertisseurs CC-à-DC pour le suivi maximal des points de puissance (MPPT) des chaînes haute tension. Bien que les convertisseurs MPPT modernes utilisent souvent des IGBT, certaines conceptions utilisent des SCR pour l'isolation et la robustesse dans les onduleurs centraux multi-mégawatts.
  • Étapes de sortie de l'onduleur où les SCR forment les éléments de commutation d'un onduleur à commutation linéaire. Ces onduleurs comptent sur la tension de la grille de courant alternatif pour éteindre naturellement les thyristors à chaque demi-cycle (circonscription naturelle).
  • circuits de protection tels que les circuits de crowbar qui utilisent des thyristors pour les courants de faille en court-circuit, protégeant les composants en aval des événements de surtension pendant les perturbations du réseau.

Les thyristors apparaissent également dans les régulateurs de charge solaire pour les batteries hors réseau, où ils régulent le flux de courant des panneaux PV vers les batteries, empêchant ainsi les surcharges et les courants inverses la nuit.

Systèmes d'énergie éolienne

Les turbines éoliennes, en particulier les générateurs à induction alimentés par double (DFIG), intègrent des thyristors dans leurs convertisseurs côté rotor et convertisseurs côté ligne. Le circuit rotor gère environ 30% de la puissance du générateur, permettant des convertisseurs de fréquence à échelle partielle. Les redresseurs AC-DC à base de thyristor (arrangements à six impulsions ou à douze impulsions) convertissent le courant du rotor à fréquence variable en une liaison DC. Du côté de la grille, les thyristors peuvent être utilisés au stade de l'onduleur pour synchroniser avec la fréquence fixe de la grille.

Systèmes de stockage de l'énergie

Les systèmes de stockage d'énergie de batterie (BESS) sont basés sur des onduleurs bidirectionnels qui peuvent charger et décharger. Les thyristors se trouvent dans l'unité de conditionnement de puissance côté AC de BESS à grande échelle, en particulier ceux fonctionnant à une tension moyenne (p. ex. 4,16 kV ou 13,8 kV). Ici, les vannes de thyristor permettent des transitions de commutation douce et réduisent la distorsion harmonique par le contrôle de phase.

Transmission à courant direct haute tension (HVDC)

Les thyristors sont l'épine dorsale des systèmes HVDC, qui relient des sources d'énergie renouvelables éloignées, comme les parcs éoliens offshore ou les centrales solaires désertiques, aux centres de charge. Convertisseur à lignes (LCC) HVDC utilise des vannes de thyristor de haute puissance (souvent des piles reliées en série) pour convertir l'AC en courant continu et en arrière. Ces systèmes peuvent transmettre des gigawatts de puissance sur des milliers de kilomètres avec des pertes inférieures à la transmission AC.

Rôle dans les onduleurs solaires

Topologies d'inverteur pour Solar PV

Les onduleurs solaires se divisent en trois grandes catégories : onduleurs à cordes (jusqu'à ~150 kW), onduleurs centraux (100 kW à plusieurs MW) et microonduleurs centraux (<1 kW). Thyristors are most relevant in ), où les niveaux de tension dépassent 1 000 VDC et où les puissances atteignent plusieurs mégawatts. La topologie classique est un onduleur à trois phases, c'est-à-dire un onduleur à thyristor, qui utilise six SCR en configuration de pont.

Dans un onduleur à commutation linéaire, la tension du réseau AC fournit la tension de commutation pour éteindre le thyristor sortant. Cette commutation naturelle élimine la nécessité de circuits auxiliaires de désactivation, réduisant le nombre et le coût des composants. Cependant, les onduleurs à commutation linéaire consomment une puissance réactive (facteur de puissance de lissage) et génèrent des harmoniques de faible ordre. Pour atténuer ces problèmes, les onduleurs intègrent souvent des transformateurs à déplacement de phase (12 configurations d'impulsion ou de 24 impulsions) et des filtres passifs.

Invertisseurs autocommutés avec thyristors

Pour les applications hors réseau ou à faible réseau, des onduleurs autocommutés sont nécessaires parce qu'il n'existe pas de tension de réseau pour éteindre les thyristors. Ici, des circuits de commutation forcée [ sont ajoutés : un condensateur auxiliaire et un inducteur créent une impulsion de courant qui éteint le thyristor principal. Cette approche accroît la complexité et le coût, raison pour laquelle les onduleurs se tournent souvent vers les IGBT ou les MOSFET pour des systèmes hors réseau à faible puissance.

Topologies hybrides et tendances modernes

Les onduleurs centraux modernes utilisent de plus en plus Onduleurs de tension basés sur l'IGBT (VSI)[ pour une meilleure qualité de puissance et une meilleure réponse dynamique. Cependant, les thyristors occupent toujours une niche dans le stade DC-à-DC (p. ex., dans les convertisseurs de ponts biactifs) et dans les transformateurs à l'état solide qui peuvent remplacer les transformateurs traditionnels de fréquences linéaires dans les onduleurs solaires de nouvelle génération.

Avantages et limites des thyristors

Avantages

  • Gannage de puissance élevée: Les thyristors peuvent bloquer des milliers de volts et conduire des milliers d'amplis avec une chute de tension vers l'avant d'environ 1–2 V. Cela les rend extrêmement efficaces dans les applications à haute intensité.
  • Pertes de conduction faibles[: Une fois verrouillée, la tension à l'état est inférieure à celle d'un IGBT ou d'un MOSFET de puissance de même calibre, améliorant ainsi l'efficacité globale du système.
  • Excellente surtension résiste[: Les thyristors peuvent survivre à des surtensions jusqu'à 10 fois leur courant nominal pendant quelques cycles, ce qui est critique pour le passage de failles sur grille.
  • Coût efficace: Pour les cotes supérieures à 1 000 V et 500 A, les thyristors sont significativement moins chers par ampli que les modules IGBT.
  • : Les thyristors sont moins sensibles aux décharges électrostatiques et aux pics de tension que les dispositifs à isolation par portail, simplifient l'emballage et la protection.

Limitations

  • Aucune extinction de la porte: Les SCR standard ne peuvent pas être désactivés par la porte; ils comptent sur les conditions de circuit pour commuter. Cela complique la commande dans les topologies autocommutées.
  • Frequence de commutation limitée: Les thyristors sont généralement limités à moins de 2 kHz en raison du temps de déclenchement et des pertes de récupération.
  • Consommation d'énergie réactive[: Les onduleurs à commutation linéaire fonctionnent toujours avec un facteur de puissance en retard, nécessitant un équipement de compensation de puissance réactif.
  • Pertes de commutation plus élevées: Les circuits de commutation forcée nécessaires aux onduleurs autocommutés ajoutent pertes et complexité.

Perspectives d'avenir

Technologies avancées de Thyristor

Les recherches sur les semi-conducteurs à large bande (carbure de silicium – SiC et nitrure de galle – GaN) ont produit des dispositifs semblables à des thyristors : le thyristor , le thyristor à barrière sicc (GTO) et la diode SiC PiN. Les thyristors SiC peuvent fonctionner à des températures supérieures à 300 °C et bloquer des tensions supérieures à 15 kV, ce qui les rend idéaux pour les futurs transformateurs à l'état solide et les onduleurs à moyenne tension.

Dans le cadre de la technologie du silicium, le thyristor intégré à la barrière (IGCT)[ est devenu un choix de premier plan pour les onduleurs de 2 à 10 MW. Les IGCT combinent la basse tension de conduction d'un thyristor avec la capacité de mise en marche d'un IGGT, en utilisant un moteur à faible inclinaison pour extraire rapidement les transporteurs.

Contrôle numérique et intégration du réseau

Les processeurs de signaux numériques avancés et les réseaux de portes programmables sur le terrain (FPGA) ont activé des algorithmes de contrôle prédictifs pour les convertisseurs à base de thyristor. Ces contrôleurs optimisent les angles de tir en temps réel pour minimiser les harmoniques, améliorer le facteur de puissance et soutenir la stabilité du réseau pendant les oscillations de tension.

L'architecture modulaire multiniveaux (MMC)[, déjà dominante dans HVDC, commence à pénétrer le marché des onduleurs solaires et éoliens. Les MMC utilisent des centaines de sous-modules, chacun contenant une demi-pont (généralement avec les IGBT). Cependant, les chercheurs développent des sous-modules hybrides qui remplacent les thyristors par des commutateurs inférieurs pour réduire les pertes de conduction.

Intégration avec le stockage de l'énergie et l'hydrogène

Les thyristors permettent également des applications émergentes comme power-to-gas et pneumolyse de l'hydrogène vert[.Les électrolyseurs pour la production d'hydrogène nécessitent de gros courants continus (10–50 kA) à basse tension (1–2 V par cellule).Les redresseurs à base de thyristor (parfois appelés hipers ou redresseurs électrochimiques) fournissent le plus grand rendement pour cette conversion, avec une efficacité globale du système supérieure à 98 %.

Conclusion

Les thyristors sont loin d'être obsolètes dans le paysage des énergies renouvelables. Alors que les IGBT et les MOSFET ont capturé des segments d'onduleurs à faible puissance, les thyristors continuent de dominer les niveaux de puissance les plus élevés en raison de leur combinaison inégalée de blocage de tension, de transport de courant et de robustesse. Des onduleurs solaires à échelle de service et des convertisseurs d'éoliennes à la transmission HVDC et à l'électrolyse de l'hydrogène, les thyristors offrent une solution éprouvée et rentable pour convertir et contrôler l'énergie renouvelable.

Pour plus de détails sur les applications de thyristor en électronique de puissance, voir le IEEE Power Electronics Society, le , le NREL guide des technologies d'onduleur solaire[ et Hitachi Energy=HVDC documentation de la valve de thyristor.