Introduction à la conversion de l'énergie par les OBT dans les parcs éoliens

L'énergie éolienne est devenue une force dominante dans la transition mondiale vers l'électricité renouvelable. La capacité de convertir de manière fiable l'énergie imprévisible générée par les éoliennes en courant alternatif compatible avec le réseau (AC) repose sur l'électronique de pointe. Parmi les différentes technologies de semi-conducteurs utilisées, les thyristors Gate Turn-Off (GTO) ont creusé une niche critique, en particulier dans les grandes centrales éoliennes.

Les fondements des thyristors de marche

Un thyristor de coupure de porte est un dispositif de commutation de semi-conducteur qui partage la même structure de base qu'un thyristor conventionnel (p-n-p-n couches) mais ajoute une innovation clé : la capacité d'être désactivé en appliquant une impulsion de courant de porte négative. Dans un thyristor standard, une fois déclenché en conduction, le dispositif reste verrouillé jusqu'à ce que le courant d'anode tombe sous un courant de maintien. Les GTO peuvent toutefois être contraints à l'état de blocage en tirant un courant inverse de la porte, offrant un niveau de contrôle précédemment réservé aux transistors de puissance comme les IGBT. Cette capacité de déclenchement permet aux GTO de fonctionner dans des circuits commutés forcés, leur permettant de fonctionner efficacement dans les onduleurs et les hélicos sans composants de commutation externe encombrants.

Développement historique de la technologie GTO

Les premiers thyristors GTO ont été introduits dans les années 1970 et 1980 comme une évolution du thyristor standard, ciblant des applications où un interrupteur contrôlable était nécessaire mais où des thyristors à haute tension et des cotes de courant étaient encore nécessaires. Les premiers thyristors ont souffert de besoins élevés de gain de variance et de zones d'exploitation sûres limitées, mais des améliorations de la structure des portes (comme la conception de la porte internumérique) et des procédés de fabrication ont augmenté de façon constante.

GTO vs. Thyristors traditionnels et IGBT

Par rapport aux thyristors traditionnels (SCR), les GTO éliminent la nécessité de circuits de commutation forcée, réduisant la taille du système, le poids et le nombre de composants. Ceci est avantageux pour les nacelles d'éoliennes où l'espace est limité. Contre les transistors bipolaires de porte isolée (IGBT), les GTO possèdent des avantages distincts à très haute tension et à des niveaux de courant (au-dessus de 3 kV et 2 kA par appareil). Les IGBT dominent généralement les applications à moyenne tension (jusqu'à plusieurs centaines de kW à quelques MW), mais les GTO peuvent gérer des dizaines de mégawatts avec moins de connexions parallélistes de série.

Rôle des convertisseurs GTO dans la conversion de puissance de turbine éolienne

Les turbines éoliennes modernes à vitesse variable utilisent une interface de convertisseur de puissance entre le générateur et le réseau. Ce convertisseur se compose généralement de deux étapes : un redresseur côté générateur qui convertit la fréquence variable, la tension variable du générateur en une liaison DC, et un onduleur côté grille qui convertit le DC en courant fixe, la tension fixe du réseau. Les convertisseurs à base de GTO sont le plus souvent utilisés dans l'onduleur côté grille, où ils gèrent le flux de puissance complet et doivent répondre aux exigences du code de réseau.

Topologie de conversion de retour en retour avec les GTO

Le convertisseur de tension de retour typique pour turbines éoliennes utilise une topologie à deux niveaux ou trois niveaux. Les GTO sont souvent utilisés dans des configurations à trois niveaux à clampage neutre (NPC) pour réduire la tension et le contenu harmonique. Dans un onduleur NPC, chaque jambe de phase contient quatre GTO et deux diodes de serrage, permettant à la tension de sortie de prendre trois niveaux de tension au lieu de deux. Cela réduit la déformation harmonique de la tension de sortie et permet l'utilisation de filtres plus petits. La capacité de GTOs=" de bloquer directement les hautes tensions au niveau de l'appareil réduit le nombre de dispositifs connectés à la série, simplifie le circuit global et améliore la fiabilité. Par exemple, un lien DC de 6,6 kV peut être commuté avec des GTOs évalués à 4,5 kV en utilisant une structure à trois niveaux sans piles de série, un exploit difficile à réaliser avec des IGBT sans arrangements complexes de séries parallèles.

Onduleur à mailles de grille utilisant des OGT

Dans le système d'onduleur côté grille, les tâches principales sont de maintenir une tension constante de liaison DC, de contrôler la puissance active et réactive et d'assurer la synchronisation avec le réseau. Les GTO fonctionnent à des fréquences de commutation généralement de 500 Hz à 1 kHz, qui est inférieure à celles des onduleurs basés sur l'IBBT (2-5 kHz). Cette fréquence plus faible augmente le contenu harmonique, nécessitant des inducteurs de filtre plus grands et des condensateurs. Cependant, pour les turbines multimégawatt raccordées aux grilles à moyenne tension (10-35 kV), la taille du filtre est moins critique que les avantages d'une densité de puissance plus élevée et d'un nombre réduit d'appareils.

Avantages techniques des systèmes fondés sur les OGT

  • Capacités de manutention de haute tension et de courant:[ Les GTO peuvent bloquer jusqu'à 9 kV et conduire jusqu'à 6 kA par appareil, ce qui les rend idéales pour des éoliennes de 10 MW et plus sans connexions de série complexes.
  • Haute fiabilité et robustesse:[ Les GTO sont intrinsèquement robustes, capables de résister aux courants de surtension et aux températures de jonction élevées communes dans les environnements des éoliennes avec charge cyclique et perturbations du réseau.
  • Pertes de conduction faibles à des courants élevés : Bien que la chute de tension à l'état de marche soit supérieure à une IGBT à des courants faibles, à des niveaux multikA, la chute de tension est relativement faible et le coefficient de température de la tension vers l'avant est positif, facilitant ainsi le fonctionnement parallèle.
  • Établissement d'une base de fabrication et d'une expérience sur le terrain :[ Des décennies de déploiement dans des applications industrielles et de traction signifient que les OGT ont des modes de défaillance bien compris et des données de fiabilité prouvées, réduisant ainsi les risques pour les exploitants de parcs éoliens.
  • La conception de la stupéfiante simplifiée par rapport aux SCR: Parce que les GTO peuvent s'éteindre sous contrôle de porte, le circuit de stupéfiant doit seulement gérer l'énergie transitoire de mise en marche, pas la commutation complète du courant de charge, réduisant le nombre de composants et les pertes.

Défis et stratégies d ' atténuation

  • Cycle d'entraînement à barrières complexes:[ L'entraînement à barrières doit fournir une impulsion à courant élevé (jusqu'à 10% du courant d'anode) pendant le déclenchement, nécessitant de gros condensateurs de stockage et une mise en page soignée des PCB.
  • Pertes de commutation plus élevées que les IGBT:[ La queue de courant de coupure dans les GTO peut être longue, augmentant les pertes à des fréquences plus élevées. L'atténuation consiste à fonctionner à des fréquences de commutation plus basses (p. ex. 500 Hz) et à appliquer des topologies multiniveaux pour émuler des fréquences de commutation plus élevées et efficaces tout en maintenant les taux de commutation des appareils bas.
  • Nécessité pour des systèmes de refroidissement robustes:[ Les GTO dissipent une chaleur importante pendant la conduction et le changement. Les convertisseurs de turbines éoliennes utilisent souvent un refroidissement par air forcé avec de grands puits de chaleur ou des systèmes de refroidissement liquide.
  • Prime de coût initiale: Les modules GTO et leurs entraînements de porte spécialisés coûtent plus cher par ampère que les modules IGBT. Cependant, le coût au niveau du système peut être plus faible pour les turbines multi-MW parce que moins d'appareils et des dispositions plus simples en série/parallèle réduisent les coûts de balance des systèmes (barres de bus, interconnexions, boîtiers).
  • Le gain de sortie et la conception de la douille : Le gain de sortie typique (rapport du courant d'anode au courant de porte) est seulement de 3-5, ce qui signifie que la porte doit couler un grand courant inverse. Cela exige des circuits de dubrification pour limiter dv/dt pendant la dubraction et protéger le dispositif contre la seconde panne.

Systèmes de gestion et de refroidissement thermiques

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, liquidLe système de refroidissement doit être conçu pour traiter les conditions les plus défavorables, comme le fonctionnement à pleine puissance à une température ambiante de 50°C, tout en maintenant la température de jonction sous 125°C. Les capteurs de température intégrés dans le module permettent à la commande de la porte de réduire la fréquence de commutation ou de limiter le courant pendant la contrainte thermique.

Complexité du circuit de la promenade de la porte

L'unité de commande de porte d'un GTO doit fournir une impulsion de déclenchement à courant élevé (généralement 10-20 A) et une impulsion de déclenchement à courant élevé (jusqu'à plusieurs centaines d'ampères) avec une très faible inductance. Les lecteurs de porte modernes utilisent une banque de condensateurs locale chargée à une tension élevée (p. ex. 20 V pour le déclenchement et -15 V pour le déclenchement) et commutées par des IGBT rapides ou des MOSFET. L'entraînement de porte doit également fournir une isolation électrique, souvent par fibre optique, pour protéger l'électronique de commande à basse tension du côté haute tension.

Applications avancées de GTO dans les parcs éoliens modernes

Convertisseurs multiniveaux modulaires (MMC) avec GTO

Dans un MMC, chaque bras de phase est constitué de sous-modules multiples, contenant chacun un demi-pont (ou un pont complet) avec un condensateur. Les GTO peuvent être utilisés comme élément de commutation dans chaque sous-module, en particulier dans la variante connue sous le nom de MMC avec des sous-modules à ponts complets qui peuvent bloquer les défauts de courant continu. La haute tension de GTO permet à chaque sous-module de fonctionner à une tension plus élevée (p. ex., 6 kV DC), réduisant le nombre total de sous-modules nécessaires et simplifiant le système de contrôle. L'avantage principal est que le MMC est un contenu harmonique et une évolutivité intrinsèques qui correspondent bien à la haute puissance de l'OMT.

Amélioration des capacités de la conduite par défaut

Les convertisseurs GTO peuvent contribuer à améliorer la vitesse de rotation en raison de leur capacité de déclenchement rapide et de leur capacité à gérer des courants transitoires. Lors d'une défaillance de la grille, l'onduleur peut réduire instantanément l'injection de courant ou même se bloquer pour protéger les appareils. En utilisant des GTO avec des puissances de courant de surtension élevées (généralement 10× le courant nominal pendant 10 ms), le convertisseur peut parcourir des défauts graves sans circuits de crowbar. En outre, dans les convertisseurs bipolaires de source de tension (par exemple, en utilisant un module GTO symétrique), le convertisseur peut injecter du courant réactif pour soutenir la récupération de tension de la grille, répondant aux exigences les plus exigeantes du code de grille.

Tendances et orientations de la recherche

L'évolution de la technologie GTO se poursuit, avec une tendance particulière vers le Gate Commuted Thyristor (GCT), également connu sous le nom de Integrated Gate Commuted Thyristor (IGCT). L'IGCT combine un GTO avec un entraînement de porte optimisé intégré dans le paquet, obtenant une unité de prise de désactivation et éliminant les snubbers dans la plupart des applications. Les IGCT sont maintenant disponibles dans le commerce avec des cotes allant jusqu'à 4,5 kV et 4 kA, en changeant à des fréquences allant jusqu'à 5 kHz. Ils offrent les faibles pertes de conduction d'un thyristor avec la performance de commutation approchant de celle d'un IGBT. Pour les éoliennes, les IGCT sont particulièrement attrayants pour les convertisseurs à moyenne tension (2,3 kV à 6,6 kV) dans la gamme de 5-15 MW, où ils peuvent réduire la taille et le poids du système de 20-30% par rapport aux solutions IGBT.

Un autre domaine de recherche est l'utilisation de matériaux à large bande comme le carbure de silicium (SiC) dans des structures à haute tension semblables à celles du GTO. Des GTO SiC sont en cours de développement qui promettent un fonctionnement encore plus élevé de la température (température d'jonc jusqu'à 250°C) et des pertes de commutation plus faibles. Cependant, les GTO SiC sont toujours en phase de laboratoire, avec des défis dans la fabrication de dispositifs à grande surface et la gestion de la charge de porte élevée.

Enfin, des techniques numériques de maintenance à double et prédictive sont appliquées aux convertisseurs GTO dans les parcs éoliens. En surveillant les signaux d'entraînement à portail, les modèles de tension et les cycles thermiques, les opérateurs peuvent prévoir l'usure des appareils et le remplacement des calendriers pendant la maintenance prévue, évitant ainsi des temps d'arrêt coûteux et imprévus.

Conclusion

Les systèmes de conversion d'énergie basés sur les GTO demeurent une technologie pertinente et précieuse pour les grandes éoliennes, en particulier dans les segments multimégawatts et à moyenne tension. Leur capacité à gérer des tensions et des courants à haute fiabilité avérée en fait un choix fort pour les développeurs qui cherchent à maximiser la capture d'énergie tout en minimisant la complexité du système. Bien que les IGBT et les nouveaux appareils SiC continuent de gagner en popularité, les GTO (et leurs successeurs, les ICGT) ont des avantages distincts dans les niveaux d'énergie les plus élevés.

Pour plus de détails, voir l'article Wikipedia sur les thyristors de coupure de porte et le papier d'IEEE sur les convertisseurs à base de GTO pour les applications d'énergie éolienne