Thyristors in Wind Power: The Semiconductor Backbone of Grid-Connected Inverters

אנרגיית הרוח הפכה אבן הפינה של המעבר העולמי לאנרגיה מתחדשת, המספקת נתח הולך וגובר של חשמל לרשתות ברחבי העולם.בלב של כל טורבינות רוח מודרנית היא מערכת המרת חשמל - הרשת המחוברת לרשת.מערכת קריטית זו משנה את דירוגי ה- ⁇ - ⁇ , משתנה-voltage-voltage הנוכחי (AC) המיוצר על ידי גנרטור לתוך רשת יציבה, מסונכרן רשת, בעוד ש-AC-APTSTS הוא עדיין תלוי בתכונות חיוניות עבור תכונות גבוהות יותר, במיוחד, או פונקציות גבוהות יותר, במיוחד, IFristristrevSTFristreative, במיוחד, תכונות חיוניות, במיוחד, תכונות חיוניות, במיוחד, כולל תכונות חיוניות, תכונות חיוניות, במיוחד, תכונות חיוניות, או פונקציות גבוהות יותר, תכונות חיוניות, תכונות חיוניות, תכונות אלה.

הבנת מטרותיך

Thyristor הוא ארבעה שכבות, שלושה מוליכים למחצה של צום שפועל כמו מתג דו-פעף.יש לו שלושה מסופים: aode, Cathode, ושער.בניגוד לטרטור, אשר יכול להיות כבוי על ידי הסרת כונן הבסיס, aristor, פעם מופעלת להתנהלות על ידי דופק שער, נשאר חתך על-ארצי כמו הערך הקטן ביותר של ה-Switch הוא מסוגל להיות משולב עם הגרסאות הנוכחיות שלך.

במערכות כוח הרוח, היכולת לחסום מתחים הפוך גבוהים ולנהל אלפי אספרסים הופך את שלך אידיאלי עבור שלב המחודש, מעגלים הגנה crowbar, ואפילו את השלב inouter בחלק topogies.פשטות שלהם וניגודיות עם מכשירים מורכבים יותר, המציע אמינות בסביבה תרמית מכנית של תא טורבינות רוח.

תפקיד הכמרים ב- Wind Power Inverters

מופנמים המחוברים לרשתות רוח מגיעים בשני ארכיטקטורות עיקריות: מופנים של מתח (VSI) ו-Intverters (CSI) ב-VI, השולטים בעיצובים מודרניים, השחקים משמשים לעתים רחוקות כמרכיבים העיקריים של מעבר כי הם חסרים יכולת תיקון עצמי.

מקור נוכחי (CSI) topologies

ב- CSI, הקישור DC הוא אינדוקטור גדול השומר על זרם קבוע. Thyristors מתאימים באופן טבעי לטופולוגיה זו כי הם יכולים לנוע באופן טבעי כאשר מתח צד AC הפוך, והם מטפלים בקישור DC גבוה הנוכחי ביעילות. . . . . . . .C. רוחות CSI לעתים קרובות להשתמש יעילות סימטרית של קודר (SGCTs) או IGCTs כדי להשיג את התדירות הנדרשת כדי לשמור על עלויות נמוכות יותר, בעוד שעדיין לאטום את הפחתת עלויות הפחתת ה- Icuams.

קו-Commutated Thyristor Inverters

עבור חוות רוח גדולות מאוד מחובר מתחי שידור (בדרך כלל מעל 100 MW), קו קו-מוגדר ממירים (LCC) משמשים שידור ישיר זרם גבוה (HVDC) מדגישה את התצורה הזו, שסתום thyristor - סדרה של 8.5-SHCRs-, תצורת ה- AC-VDC גבוהה ביותר, יחד עם CVFUSD הנוכחית, עם כוח עליון, CVFD.

הגנה וחוגים עזר

אפילו בטורבינות רוח מבוססות VSI, Thyristors משמשים נרחב במעגלים crowbar. במהלך תקלות רשת או חתונות חמורים, crowbar יכול קצר-circuit הקישור DC, להסיט אנרגיה הרחק מ IGBTs רגישים ומניעת הרס.היכולת של Thyristor לטפל בזרמים גבוהים עבור כמה מילימטרים ללא נזקי שנייה זה גורם בהדרגה לתפקוד סטטי של Ipreams (IFretras) או Ipreams) באופן איטי יותר, לפעמים, אם כי הם לעתים קרובות, אם כי הם מספקים תמיכה סטטית (ITreatives) או Ipretras) באופן איטי יותר, אם כי הם לעתים קרובות, אם כי הם לעתים קרובות, באופן איטי יותר, אם כי הם לספק תמיכה סטטית כוח , או Ipretras) באופן איטי יותר, או Ipretras (RRATreams) על ידי , אם כי הם לעתים קרובות, באופן איטי יותר, אם כי הם לעתים קרובות, כי הם מופעלת כוח על ידי ⁇ reams) על ידי ⁇ reams) על ידי ⁇ retras.

גריידי SynSyncization ו-Switching

Thyristors משמשים גם בכוכבים רכים עבור גנרטורים רוח. at Startup, פלט הגנרטור מחובר לרשת באמצעות בקר מתח מבוסס על thyristor אשר בהדרגה מרומם את המתח, צמצום הלחץ הנוכחי והמכני. אלה כוכבי רך משתמשים בקרת הזווית הרכה בשלב כדי לסנכרון חלקה את הפלט עם הרשת לפני סגירת הקשר הראשי. בעוד כוכב רך הם פחות קבועים עם טורבינות או יותר פתוח יותר (שם הם עדיין לתקן את עצמם בעיצובים חלקית) עם טורבינות חלקה יותר נפוץ יותר).

יתרונות של Thyristors in Wind Power Systems

Thyristors מציעים כמה יתרונות ברורים המבטיחים את המשך השימוש שלהם במכשפי רוח וציוד מקושר:

  • (FLT:0) מתח גבוה ויכולת נוכחית: FLT:1ir השליחים יכולים לחסום עד 8.5 kV ולנהל מעל 5,000 A, עם ערימה סדרה המאפשרת אפילו מתחים גבוהים יותר.זה מאפשר חיבור ישיר לרשתות בינוניות (MV) ללא שינויים בשלבי צעד במקרים מסוימים, צמצום עלויות המערכת הכוללות.
  • (FLT:0)Low on-state ירידה: FIRLT:1) פעם לחטוך, מקטור מציג ירידה מתח נמוך מאוד קדימה מתח (כ 1-2 V), כלומר הפסדי התנהגות הם מינימליים בהשוואה IGBTs או MOSFET, במיוחד בזרמים גבוהים.זה מתורגם ליעילות גבוהה יותר ביישומים שבהם המכשיר הוא על רוב המחזור, כגון גשרים של HVDC או שידור.
  • (FLT:0) טיפול נוכחי: FLT:1 Thyristors יכולים לעמוד בזרמים קיצוניים (עד 10 פעמים הנוכחים בדירוג שלהם) למשך זמן קצר, מה שהופך אותם אידיאליים עבור מעגלים הגנה וטיפול תקלות.
  • (FLT:0) יעילות: FLT:1hil עבור יישומים בעלי עוצמה גבוהה, Thyristors הם זולים משמעותית עבור אמפר מאשר IGBT או מכשירים אחרים לשחיקה עצמית. יתרון זה עלות בולט במיוחד בטורבינות מרובות-מאט ו HVDCer תחנות שבו מאות מכשירים משמשים.
  • (FLT:0) אמינות וארוכותיות: מזמורים 1) יש תיעוד מוכח של פעולה ארוכת שנים בסביבה תעשייתית קשה, כולל חוות רוח offshore דרישות הנסיעה שער פשוט יותר שלהם (רק דופק קצר כדי להפוך) וחוסר שכבת שער עדין תחמוצת שער תורמת לאינטנסיות שלהם.

היתרונות הללו הם בעלי ערך רב במשאבים בתעשייה כגון FLT:0 (המכונים "הטקטור של אינטונו" (Ifineon's Yourristor ApplicationnoteFLT:1), אשר מדגישים את תפקידם של השחקים באנרגיות אנרגיה מתחדשות ונהגים תעשייתיים.

אתגרים ומגבלות

למרות החוזקות שלהם, האריסטוקרטים מציגים אתגרים רבים שהמהנדסים חייבים להתמודד כאשר מעצבים את כוחות הרוח:

חוסר יכולת עצמית-Turn-Off Capability

לא ניתן לכבות את SCRs בסיסיים דרך השער.הם דורשים זרם הזעם ליפול מתחת לזרם ההחזקה - או באמצעות השהות הטבעית (בעיגולים AC) או ייבוש כפוי (במעגל DC) תוספת מורכבות והפסדים, מה שהופך את האריסטוקרטים הבסיסיים פחות מתאימים עבור ⁇ PWM inverters. GTOs ו- IGCTs כתובת זה על ידי המאפשרת הסרת שיער נשלט, אך עלות גבוהה יותר של כוח.

החלפת תדירות

אפילו אריסטוקרטים מתקדמים כמו IGCTs הם בדרך כלל מוגבל להחליף תדרים של כמה מאות הרץ עבור יישומים בעלי עוצמה גבוהה.זה הרבה יותר נמוך מאשר IGBTs, אשר יכול לעבור 1-10 kHz באותו טווח כוח.התדירות ההחלפה התחתונה מביאה בחשבון גבוה יותר בפלט, מסננים פסיביים גדולים ויקרים יותר כדי לעמוד בקודים ברשת (IE519, I1000).

משמעת הרמונית ופילטר צרכים

ממירים מגורשים קו-מוגדרים מייצרים נזק משמעותי – במיוחד ה-5, 7, 11 ו-13 הזמנות.ההרמוניה הללו עלולה לגרום להתחממות בהתמרנים, התערבות במערכות תקשורת, וחוסר יציבות אם לא מסונן כראוי. בעוד ש- 12-pulse וצורות pulse גבוהות יותר של פולוז, הם גם מגבירים את מספר הסובכים והמורכבות שלך, בניגוד ל-GB-I-Ty-T, אשר ניתן לסינון חומרים קריטיים יותר, עם רכיבים קטנים יותר, אשר עלולים יותר, עם חומרים קטנים יותר, עם תאים דרמטיים, אשר נמצאים תחת מגבלות על ידי תאים דרמטיים יותר, אשר נמצאים תחת מגבלות דרמטיות יותר, עם תאים דרמטיות יותר, עם תאים דרמטיות יותר, עם תאים קטנים יותר, אשר עלולים יותר, עם תאים דרמטיות יותר, עם תאים דרמטיים יותר, עם תאים דרמטיים יותר, עם תאים דרמטיים, עם תאים דרמטיים, אשר עלולים יותר, עם תאים דרמטיים יותר, עם תאים דרמטיים, עם תאים דרמטיים, אשר עלולים יותר, עם תאים דרמטיים יותר, עם תאים דרמטיים, עם תאים דרמטיים, עם תאים דרמטיים יותר, גבוה יותר, עם תאים דרמטיים, עם תאים דרמטיים יותר, עם תאים דרמטי

חידוש כוח

מונעים קו-מוגדרים לצרוך כוח תגובתי (גורם כוח מגרד) אלא אם כן מסופק פיצוי נוסף.זה דורש בנקים קיבולטור או STATCOMs, הוספת עלויות וטביעה. עבור קודים ברשת מודרנית הדורשים אפס או אפילו תמיכה כוח פעיל מוביל, מעכבי VSI מבוססי IGBT הם מעולים כי הם יכולים לשלוט באופן עצמאי כוח אמיתי וחדשני.

ניהול ארס

Thyristors ביישומים בעלי עוצמה גבוהה לייצר חום משמעותי, במיוחד במהלך ההתנהלות. קירור נכון - שימוש באוויר, קירור נוזלי או מערכות צינור חום - חיוני לשמור על טמפרטורות צומת מתחת ל-125 מעלות צלזיוס, בטורבינה רוח offshore, גישה תחזוקה מוגבלת, כך מערכות ניהול תרמי חייב להיות אמין מאוד ולא בטוח.

שילוב עם מודרני Semiconductors

עיצובים מודרניים של רוח להשתמש לעתים קרובות בהתנצלות היברידית המשלבת את האריסטוקרטים עם IGBTs או SiC MOSFET כדי למנף את החוזקות של כל אחד.לדוגמה, שלב מארגן יכול להשתמש במערכים עבור המרה AC / DC נמוכה, בעוד IGBT מבוסס על סימולציה ממוקדת PWM עבור חיבור רשת, ניהול אינטראקציה בין מכשירים אלה לבין לחץ נמוך יותר (Ricer) עבור סימולציה מהירה יותר (R) ו-ivance) הוא גם לחץ על ידי לחיצה על ידי לחיצה על ידי לחיצה על ידי סימולציה גבוהה סימולציה (R) ו- 2.

השוואה עם IGBTs: הסכם סחר אסטרטגי

בשוק אנרגיית הרוח, IGBTs לשלוט עבור טורבינות מדורגות מתחת 5MW, שבו החלפת תדירות, שליטה גמישות, ואת גודל המערכת הכוללת של החומר ביותר. עבור טורבינות מעל 5MW (במיוחד offshore), IGCTs ואת הממירים המבוססים על Thyristor להיות תחרותי עקב הפסדים התנהגות נמוך יותר ודירוגים נוכחיים גבוהים יותר.

Parameter Thyristor (IGCT) IGBT
Conduction loss Very low (~1 V drop) Moderate (Vce(sat) ~2–3 V)
Switching loss High (requires snubber) Low (soft switching)
Switching frequency Up to 1 kHz Up to 10 kHz
Voltage rating (single device) Up to 8.5 kV Up to 6.5 kV
Current rating (single device) Up to 5 kA Up to 3.6 kA
Gate drive power High (for turn-off in IGCT) Low
Cost per ampere Lower Higher

הבחירה בין המופנמים מבוססי-החגורה לבין IGBT מבוססת תלויה בדירוג טורבינות, מתח חיבור רשת, מגבלות הרמוניות וגישה תחזוקה.עבור טורבינות מרובות-megaוואט המחוברות באמצעות HVDC, אנשי חג המולד נשארים הבחירה הברורה (FLT:0U.S המחלקה למחקר אנרגיה FLT:1 מצביעה על כך שרוחות offshore מתרחבות לטורפות גדולות יותר, שלך נשאר הבחירה המעבדת לפתרונות מתקדמים כדי להמשיך לייעלים.

מגמות עתידיות ב- Thyristor ו-Inverter Technology for Wind Power

Silicon Carbide (SiC) וגאליום ניליד (GaN)

(המוליכים למחצה של פסגהפ נכנסים לחלל הרוח, בתחילה עבור עזרי טורבינות כוח נמוך ובסופו של דבר עבור המרה כוח הראשי. SiC MOSFET ו JFET יכולים לעבור מהר יותר מאשר IGBTs ועם הפסדים נמוכים יותר, אבל הדירוג הנוכחי שלהם (ב 2 kA עבור מכשירים בעלי מתח גבוה) מגביל אותם ל- 5MWs עבור רמות הכוח הגבוהות ביותר, אך הוא הוכיח את הדירוג הנוכחי שלהם לפחות 5 C2 C.

המקררים ההיברידיים

הדור הבא של חומרי הרוח סביר לשלב את חג המולדים, IGBTs, ואת SiC מכשירים אדריכלות היברידית.לדוגמה, מגרסטר מבוסס חג המולד יכול לספק יעילות גבוהה, בעוד קטן IGBT או SiCer מטפל יחידות ביטול הרמוני ובקרת כוח תגובתי (SiOS) במטרה ללכוד את הטוב ביותר של כל מכשיר: אובדן נמוך של IGBT או סיטראז'רטר (S) המשולבים של שער יחיד (T) כולל מתקנים מתקדמים)

תאומים דיגיטליים ותחזוקה חיזוי

בעוד הממירים המבוססים על Thyristor הופכים ליותר מתוחכם, הטכנולוגיה התאומה הדיגיטלית מוחלת על טמפרטורות צ'אט, לחזות עייפות על אופניים תרמיות, ואופטימיזציה של זוויתי ירי שער בזמן אמת.זה משפר את האמינות ומפחית זמן לא מתוכנן עבור טורבינות offshore, שבו עלויות תחזוקה גבוהות.

ממירים מתקדמים (MMC)

עבור HVDC- המחוברת חוות רוח, ממירים רב-דרגיים מודולריים (MMC) באמצעות חצי-גשר או תת-ממדיים ב- BVDC הם צוברים מתח. בעוד MMC בדרך כלל משתמש IGBTs, החוקרים חוקרים חוקרים חוקרים את תת-התתתתולים המבוססים על Thyristor המציעים הפסדים נמוכים ויעילות גבוהה יותר עבור רמות מתח גבוהות מאוד.

מסקנה

Thyristors אינם מהווים הפוגה של העבר בדור כוח הרוח; הם מתפתחים ונשארים חיוניים עבור כוח גבוה, בעלי יעילות המחובר לרשת, במיוחד טורבינות גדולות ו- HVDC שידורים.היכולת שלהם להתמודד עם מתח קיצוני ורמות נוכחיות עם הפסדים מינימליים התנהגותיים גורמים להם להיות תחליף יותר ויותר ב-SiGRicial Retrastosamsto-Crelimates, בעוד ש-Cremecremecremecrecrelimatesssssssssssssssssssssssto-Creto-Creto-Creamsssssss, ממשיך לפעול יותר ויותר ב-Crelimatesto-Reconstocrationstocrtocrtocracystocration in the הנוכחי, ממשיך לפעול על ידי פונקציות של חומרים מתקדמים יותר ויותר חיוני כדי להחליף את הביצועים של חומרים מתקדמים יותר ויותר פעיל יותר ויותר קריטיים של חומרים מתקדמים יותר ויותר ב-Retratocertcertrecon-R.

בעוד אנרגיית הרוח מתרחבת לעמוד במטרות של פחמן גלובלי, המחוקק הצנוע יישאר שותף שקט אך קריטי בהפיכת אנרגיית הרוח לחשמל הניתן להשגה לרשת.