מבוא ל- Gate Turn-Off Thyristors in HVDC Transmission

מערכות שידור ישירות של וולט (HVDC) משמשות כעמוד השדרה של העברת חשמל למרחקים ארוכים, המאפשרות קישוריות יעילה בין רשתות סינכרוניות ושילוב של מקורות אנרגיה מתחדשת מרחוק.בלב של רבים ממירים רבים של מתח (VSC) מבוסס HVDC הוא מערכת ההפעלה GTO-התקן שלך (GTO), מכשיר מוליכים למחצה המציע שליטה בסיסית בהשוואה ל-HCC שלך להמשיך לפתח את מערכת ההפעלה הגבוהה (GTOS) שלך (GTO-C) משולבת (GTO-DIS) אשר פועלת באופן קבוע (GTO) סטנדרטיתפעול התקנים מתקדמים) ו-C) שלך (GTO-HTO-C) אשר כוללת גם כן, כולל התקנים מתקדמים (GTO-HTOSTERCRM) ו-Comtrotexitated Controls) ו-Comtrotexitated Control Server) ו-Comtextexitated HP (GTO-Comtexate Advanced Active Your Standards) ו-Computer (GTO-Computer (GTO-Computer (GTO-ComtexitOS) אשר פועלת עם התקנים מתקדמים) אשר כוללת מערכת ההפעלה שלך, כולל התקנים מתקדמים) אשר כוללת את מערכת GTO-Computer

מה זה GTO ולמה זה משנה עבור HVDC?

מכשיר מוליכים למחצה של שער (Sle-Off Thyristor) הוא מכשיר תלת-טווח שניתן להפעיל על ידי הדופק השער, ובאופן מכריע, כבוי על ידי יישום זרם שער שלילי.זה יכולת תפנית מלאה להבחין GTOs מ- Thyristors סטנדרטי, אשר מסתמכת על המעגל הראשי כדי להפחית את יכולות הדופק של HVDC, תכונות אלה מבטלות את הצורך עבור מעגלים חיצוניים, ומאפשרות ל- VSC פעיל כדי לשפר את יכולת הפעלה של 4VTO כדי לטפל באופן עצמאי.

GTO-מבוסס HVDC Converter topologies

השילוב של GTOs לתוך מערכות HVDC מבוסס על הגדרות ממיר ספציפיות המנצלות את יכולת ההמראה שלהם.שני ההתנצלות הנפוצים ביותר הם ממירת המתח שני ברמה גבוהה והממיר מודולרי רב-דרג (MMC) בעוד MMC הפכה דומיננטית בפרויקטים מודרניים HVDC בשל ההיקף שלה ועיוותים הרמוניים נמוכים, GTO- 2 ממירים המבוססים על רמה גבוהה נשארות ביישומים מסוימים ונישה.

שני מקורות לולטוג-מקור: Converters with GTOs

ב-VSC ברמת שני, כל רגל שלב מורכבת מחיבור סדרה של GTOs (לעתים קרובות עם הפסדים דומים) כדי ליצור שסתום מעבר.האוטובוס DC נשמר במתח קבוע, והתפוקה AC היא גל מרובע עם שתי רמות שיתוף מתח (+Vdc ו -Vdc) על ידי שימוש בטכניקות PWM, הממיר מסונתזת גל ACoid עם שלב מבוקר ו- CTO דורשות לחץ חזק כל כך של CvDVDVDVDVDVDVDVDVDVDVDVDVDVDVDVDVDVDVDVDVDVDVDVDVDVDVDVDROL.

ממירים מודולריים ו- GTOs

בעוד HVDC פרויקטים בקנה מידה גבוה מתחים ודירוגי חשמל, הממיר מודולרי רב-דרגתי (MMC) הפך לבחירה המועדפת. ב- MMC, כל שלב מורכב ממספר תת-ממדיות, כל אחד המכיל GTO (או שבבים אחרים) ו- CTO אחרים מציג את רמות בקרת ה- GTO גבוהות יותר, עם שינוי מספר תת-ממדי של המשתנים שהוכנסו לתוך הנתיב הנוכחי, המרמיר יכול ליצור גל ACDTO עם רמות הפעלה פשוטות יותר של תאים חדשים של תאים מתקדמים יותר.

דרישות עבור GTO-מבוסס HVDC Systems

יישום GTOs במערכת HVDC דורש תשומת לב זהירה לתכנון חשמלי, תרמי ומכני כדי להבטיח הפעלה אמינה לאורך עשרות שנים של שירות.הסעיפים הבאים מכנים את הגורמים להנדסה מפתח שיש לטפל בהם.

שער כונן ו-Subber Circle Design

יחידת כונן השער (GDU) עבור GTO חייב לספק זרם שיא גבוה (hundreds של אספרסים) כדי להפעיל את המכשיר במהירות, ביקורתיות יותר, הדופק הנוכחי הפוך כדי לכבות אותו.תהליך ההמראה הוא תובעני במיוחד: GDU חייב להוציא באופן משמעותי שער שלילי כי הוא בדרך כלל אחד-fifth שליש של זרם השבר דורש חיבורים נמוכים ו-Ficrecontance לכדי לחץ אווירי, אשר יכול להבטיח את השינויים המהירים.

ניהול ארס

GTOs dissipate חום משמעותי במהלך המעבר והתנהלות, עם טמפרטורות צומת לעתים קרובות להגיע 125 מעלות C תחת עומס מלא. ניהול תרמי יעיל הוא קריטי למנוע כשל מכשיר. אלומיניום גדול או כיור חום נחושת הם תקועים ישירות החבילה GTO, ואוויר מאולץ או קירור נוזל מועסק כדי להסיר את המכסה חיוני של חום.

שיתוף והגנה

כאשר מספר GTOs מחוברים בסדרה כדי לחסום מתחים DC גבוה, וריאציות קלות בדלפות נוכחית והפך הזמן יכול לגרום הפצה מתח לא אחידה. שיתוף מתח סטטי מושג על ידי הצבת מתנגדים בעלי ערך גבוה במקביל עם כל מכשיר, בעוד שיתוף דינמי במהלך מעבר מנוהל על ידי רשתות RC snubber. Overvoltage הגנה כולל varistors, breakodes dis (הידוע גם כמכשירי לחץ קצר), אם מהפך את ה-Ricer מאובטח על גבי מעגלים קצרים.

אסטרטגיות שליטה עבור GTO-מבוסס HVDC Converters

השליטה המדויקת של GTOs מאפשרת שיטות מתקדמות ותקנות אשר מייעלות העברת חשמל ויציבות רשת.מערכת הבקרה חייבת ליצור דופקים שער עם תזמון מדויק, בדרך כלל מסונכרן לשלב רשת AC באמצעות לולאות נעולות בשלב (PLLs).

טכניקת ה-Moll-Width Modulation

חיסול הרמוני (SHE) PWM נפוץ עם VSC מבוסס GTO למזער הרמוניות מסדר נמוך תוך צמצום אובדן מעבר.ב-SHE, זווית המעבר הם preculaed כדי לחסל את הפגיעות ספציפיות בפלט הממיר. לחלופין, חלל-vectorulation (SVM) מספק ניצול טוב יותר של מתח אוטובוס DC והוא מתאים לתפקוד דיגיטלי עבור מעבר נמוך - בדרך כלל יש לשמור על יעילות בין 2 ל-ידי GTO-ידי ניהול יעיל 1 ל-ידי ניהול יעיל.

בקרת כוח פעילה ופעילה

על ידי שינוי זווית הפלט והשלב של מתח התפוקה הממיר יחסית לרשת, כוח פעיל ותגובה יכול להיות נשלט באופן עצמאי.יכולת זו היא יתרון מפתח של VSC-HVDC על LCC-HVDC. מערכת הבקרה כוללת לולאה נוכחית פנימית אשר מסדירת את זרם Dq-axis (ופעיל) וחיצונית כי בקרה DC או פעיל של תפקודים (ת) הם סימולציה נמוכה יותר (ת) כמו תפקודים מתקדמים) ללא תפקודים מתקדמים (DLCD.

Fault Ride- Through ו- Grid Support

קודים ברשת מודרנית דורשים מערכות HVDC להישאר מחובר במהלך מתחים ו לספק הזריקה נוכחית תגובתית לתמוך ברשת.GTO מבוססי ממירים יכול להשיג זאת כי הם מועצמית.מערכת הבקרה חייבת לזהות את מצב השבר, להפחית את זרימת הכוח הפעילה (אשר עשוי להיות מוגבל על ידי יכולת ה- DC), ולהזריק זרם פעיל בתוך מ"מ שניות.

יישום אתגרים ואסטרטגיות מייגציה

למרות היתרונות שלהם, GTOs להציג כמה מכשולים יישום כי מהנדסים חייבים להתגבר.

מכלול השער

המעגל של כונן השער עבור GTO הוא הרבה יותר מורכב מזה של מסטר או IGBT. הדרישה הנוכחית של התורם גבוהה דורש זרם נמוך, דלת הנעה גבוהה של שער אנרגיה גבוהה כונן נתיב.בידוד סיבי אופטי הוא הכרחי להעביר אותות שער לפוטנציאל גבוה של פתרונות גבוהה של כל מכשיר.השער אספקת הכוח חייב להיות נגזר מן ה- DC או מקור עזר, עלות הוספת רכיב דיגיטלי נייד, אך עדיין בנוי עם כמה בעיות אלקטרו-ג'בייט של נהגים מודרניים.

החלפת הפסדים ויציבות

GTOs להפגין הפסדים גבוהים יחסית, במיוחד במהלך תקופת התפנית המורחבת. זרם הזנב הנוכחי - זרם חיזר כי זורם לאחר הדופק הראשי של תפנית-off - מסתכם לניתוק משמעותי של כוח. מסיבה זו, GTOs בדרך כלל לפעול להחליף תדרים נמוכים יותר מאשר IGBTs. מעצבי מערכת חייב לבצע ניתוח אובדן מפורט, לעתים קרובות באמצעות כלי סימולציה אלקטרו-רמימי, כדי להבטיח כי מערכת קירור יכול בדרך כלל להתמודד עם שינויים נמוכה יותר מאשר IGBT.

שיקולים

מודולים GTO עצמם יקרים בשל אזור סיליקון גדול תהליך ייצור מורכב.עם זאת, עבור יישומים נוכחיים גבוהים מאוד (מעל 2 kA לכל מכשיר), GTOs יכול להיות יותר כלכלי מאשר במקביל מספר IGBTs. העלות הכוללת מערכת כוללת לא רק את המוליכים למחצה אלא גם את הכוננים, נחירות, קירור, ושליטה. כאשר מוקרן על פני החיים של 30 שנים, HDC יכול להיות מורכב במיוחד אם הדחף הראשי של מערכות GTO, במיוחד.

השוואה עם IGBTs ו- IGCTs

הנוף של מוליכים למחצה בעוצמה גבוהה התפתח באופן משמעותי מאז GTOs הוצגו לראשונה בשנות ה-80.היום, החלופות העיקריות הן IGBTs (וגרסאות ה- Press-pack שלהם) ו- IGCTs.הבנת הבורסות מסייע למהנדסים לבחור את המכשיר הטוב ביותר עבור יישום HVDC ספציפי.

IGBT לעומת GTO

Insulated Gate Biקוט טרנזיסטורים (IGBTs) שלטו VSC-HVDC בשני העשורים האחרונים, בעיקר בשל כונן השער הפשוט שלהם (מבוקר מבוקר מול שליטה נוכחית), תדרי מעבר גבוהים יותר, וקלות של חיבור מקבילה.IGBTs גם תכונה שטח תפעולי רחב וקצר-circuit לעמוד בפני יכולת.

IGCT לעומת GTO

ה-Integrated Gate Commutated Thyristor (IGCT) הוא היברידי המשלב את אובדן ההתנהלות הנמוכה של המקטור עם יכולת מכושפת קשה של transistor. An IGCT משלב את GTO למות עם מעגל צפיפות נמוכה של שער ההנעה של ה- HVT במיוחד עבור חבילה אחת, וכתוצאה מכך שינויים מהירים יותר והפסדים נמוכים יותר מאשר GTO IGCT הקונבנציונאלי החליפו יצרנים מתקדמים יותר, כי הם מציעים תכונות IGHD.

יישומים אמיתיים ומקריות

כדי להבין את היישום המעשי של GTOs ב HVDC, זה שימושי לבחון פרויקטים בולטים.

Gotland HVDC Light (1997)

אחד הפרויקטים המוקדמים ביותר של VSC-HVDC, הקישור של Gotland HVDC בשוודיה, השתמש ב- IGBTs, אך פרויקטים רבים לאחר מכן בתחילת שנות ה- 2000 אימצו GTOs בשל דירוג המתח הגבוה שלהם.TheFLT:0ABB (כיום Hitachi Energy) FLT:1 GTO-HTO-based Converter מופעל מספר קישורים אחוריים ורוח offshore 2002, עבור חיבורים לטווח ארוך של מערכת CVS (RIC) מאז CV ארוך (Long Defs) החל מ-C ארוך-CDC) עם מערכת ההפעלה CVRVRIC-CDC, החל מ-RICV ארוך, החל מ-301, החל מ-R.

פרויקט הניסוי של שאנדונג HVDC (2018)

בסין, החברה הממשלתית של סין בחנו תחנת המרת LCC-VSC היברידית המשלבת VSC מבוססי GTO לתגמולי כוח תגובתי.הפרויקט אישר בהצלחה את השימוש ב- GTO בשילוב עם ה-LCC המבוסס על Thyristor כדי לשפר את הרגולציה של מתח במהלך תקלות.

מגמות עתידיות בטכנולוגיית GTO עבור HVDC

אף על פי שלא הוכרזו פרויקטים חדשים מבוססי GTO, מחקרים שוטפים נועדו לשפר את ביצועי GTO ולהרחיב את חייהם התפעוליים.

Silicon Carbide (SiC) GTOs

מכשירי קרבידה הסיליקון מבטיחים הפסדים נמוכים יותר והפעלה טמפרטורה גבוהה יותר. Prototype SiC GTOs עם מתחים התמוטטות מעל 10 kV הוכחו בהגדרות מעבדה.אם המסחר יצליח, SiC GTOs יכול להתחרות עם IGBT במונחים של תדירות תוך שמירה על הפסדים התנהגות נמוכה, פוטנציאל חיזוק ריבית בממירים המבוססים על GTO עבור שידור אולטרה גבוה DC.

מערכות קירור מתקדמות

טכנולוגיות קירור חדשות, כגון קירור דו-phase ושקעי חום מיקרו-ערוציים, יכולות להפחית את ההתנגדות התרמית ולאפשר צפיפות כוח גבוהה יותר.פתרונות אלה נחקרים עבור שסתום GTO קיימים כדי לשדרג את יכולתם מבלי להחליף את תחנת הממיר כולה.

אלקטרוניקה דיגיטלית ותחזוקה חיזוי

הפריסה של חיישני סיבים אופטיים וניתוח נתונים מאפשרת ניטור מצב של שסתום GTO.על ידי מעקב אחר טמפרטורת הצומת, החלפת מתחים, וזרמים, מפעילי יכולים לחזות את ההידרדרות של המכשיר ואת לוח הזמנים תחזוקה באופן יזום. גישה זו מפחיתה את תעלולים כפוי ומרחיבת את חיי הרכיב.

מסקנה

שער Turn-Off Thyristors שיחק תפקיד יסוד באבולוציה של השידור VSC-HVDC.היכולת שלהם להחליף מתחים גבוהים וזרמים עם יכולת שליטה מלאה אפשרה לפיתוח של ממרים בעלי מודעות עצמית אשר מהפכה העברת כוח למרחקים ארוכים ושילוב רשתי רשת.למרות IGBTs ו- IGCTs יש בעיקר GTO בפרויקטים חדשים, GTO נשאר מוערך על ידי פונקציות מתקדמות של פונקציות מחקר רחבות מאוד.