Introduzione ai Thyristors nell'energia rinnovabile

I sistemi solari fotovoltaici (PV) e le turbine eoliche e i sistemi di stoccaggio della batteria richiedono tutti dei robusti interruttori per convertire, regolare e condizionare l'energia elettrica. Tra questi dispositivi, i tiristori hanno mantenuto un ruolo cruciale per decenni, in particolare nelle applicazioni ad alta potenza.

Mentre i moderni dispositivi come IGBT e MOSFET dominano i convertitori di potenza inferiore, i tiristori rimangono insostituibili nei più alti livelli di potenza, come fattorie solari su scala di utilità, interconnessioni del parco eolico e collegamenti diretti ad alta tensione (HVDC) di trasmissione.

Cosa sono i Thyristors?

Struttura di base e funzionamento

Un tiristor è un dispositivo semiconduttore a quattro strati (PNPN) che agisce come un interruttore di chiusura. Può essere acceso applicando un piccolo impulso corrente al suo terminale di gate quando l'anodo è positivo rispetto al catodo. Una volta attivato, il dispositivo entra in uno stato di conduzione e rimane bloccato su anche se il segnale di cancello viene rimosso. L'unico modo per spegnerlo completamente è quello di ridurre la corrente

Il tiristor più comune è il rettificatore controllato dal silicio (SCR). I SCR sono disponibili in valutazioni da pochi ampere a migliaia di ampere e da decine di volt a molti kilovolt. Altre varianti includono il tiristor di accensione del cancello (GTO), che può essere spento da un impulso negativo del cancello; il tiristor integrato (IGCT); e la tua variante di MOSM controllati

Caratteristiche elettriche chiave

I parametri importanti per le applicazioni di energia rinnovabile includono la tensione di blocco (VDRM]), la corrente di corrente di on-state (I]T(RMS)), la capacità di corrente di sovratensione (ITSM]), e i valori di/d e dv/d

Applicazioni nei sistemi di energia rinnovabile

I Thyristors sono distribuiti in più domini di energia rinnovabile, la loro capacità di gestire l'alta potenza con perdite minime li rende ideali per attività che non richiedono un commutazione estremamente veloce, come commutazione della linea 50/60 Hz, avvio morbido dei trasformatori e regolazione del collegamento DC.

Sistemi fotovoltaici solari

Nelle centrali fotovoltaiche a grande scala, i tiristori appaiono in diversi blocchi sottosistema:

  • DC-to-DC converter[[]] per il massimo monitoraggio dei punti di potenza (MPPT) di stringhe ad alta tensione. Mentre i moderni convertitori MPPT spesso utilizzano IGBT, alcuni progetti impiegano SCR per l'isolamento e la robustezza in inverter centrali multi-megawatt.
  • Schemi di uscita inverter[] dove SCR formano gli elementi di commutazione di un inverter linea-commutato. Questi inverter si affidano alla tensione della rete AC per spegnere i tiristori naturalmente ogni mezzo ciclo (comutazione naturale).
  • Circuiti di protezione[] come circuiti di crowbar che utilizzano i tiristori per cortocircuitare le correnti di guasto, proteggendo i componenti a valle da eventi di sovratensione durante i disturbi della griglia.

I Thyristors appaiono anche in controller di carica solare[ per le banche di batterie off-grid, dove regolano il flusso corrente da pannelli fotovoltaici a batterie, impedendo sovraccarico e corrente inversa di notte.

Sistemi di energia eolica

Le turbine eoliche, specialmente quelle a doppia alimentazione (DFIG), incorporano i tiritori nei convertitori rotore-lato e nei convertitori a linea-lato. Il circuito del rotore gestisce circa il 30% della potenza del generatore, permettendo convertitori di frequenza a scala parziale.

Sistemi di stoccaggio dell'energia

I sistemi di stoccaggio dell'energia della batteria (BESS) si basano su inverter bidirezionali che possono caricare e scaricare. I tiristori sono trovati nell'unità di condizionamento AC-side] di BESS su larga scala, in particolare quelli che operano a medie condizioni di tensione (ad esempio, 4.16 kV o 13,8 kV).

Trasmissione diretta ad alta tensione (HVDC)

I Thyristors sono la spina dorsale dei sistemi HVDC, che collegano fonti di energia rinnovabili remote, come le centrali eoliche offshore o quelle solari desertiche, ai centri di carico. Convertitore commutato (LCC) HVDC utilizza valvole di tiro ad alta potenza (spesso serie) per convertire AC in DC e indietro. Questi sistemi possono trasmettere gigawatt di potenza su migliaia di chilometri con flussi inferiori rispetto alla valvola di trasmissione AC.

Ruolo in inverter solari

Topologie per fotovoltaico solare

Gli inverter solari rientrano in tre categorie principali: inverter di stringhe (fino a ~150 kW), inverter centrali (100 kW a diversi MW), e microinverter ([<1 kW). Thyristors are most relevant in inverter centrale, dove i livelli di tensione superano 1.000 VDC e i rating di potenza raggiungono più megawatt.

In un inverter linea-commutato, la tensione della rete AC fornisce la tensione di commutazione per spegnere il tiristor in uscita. Questa commutazione naturale elimina la necessità di circuiti ausiliari di spegnimento, riducendo il conteggio dei componenti e il costo. Tuttavia, inverter linea-commutati consumano la potenza reattiva (fattore di carica di taglio) e generano significative armoniche a basso ordine.

Inverter autocommutati con i Thyristors

Per applicazioni off-grid o deboli-grid, gli inverter autocommutati sono necessari perché non esiste tensione di griglia per spegnere i tiristori. Qui, forzato commutazione] circuiti sono aggiunti: un condensatore ausiliario e induttore creano un impulso corrente che estingue i principali siti di tiristor.

Topologie ibride e tendenze moderne

Gli inverter centrali moderni usano sempre più gli inverter di tensione basati su GIG (VSI) per una migliore qualità di potenza e risposta dinamica. Tuttavia, i tiristori occupano ancora una nicchia nel DC-to-DC stadio] (ad esempio, in convertitori di corrente dual-attivo) e in [FMF4]

Vantaggi e limitazioni dei Thyristors

Vantaggi

  • Alta gestione dell'energia[[]: I Thyristors possono bloccare migliaia di volt e condurre migliaia di amplificatori con una caduta di tensione in avanti di solo circa 1-2 V. Questo li rende estremamente efficienti nelle applicazioni ad alta corrente.
  • Perdite di conduzione molto basse[[]: Una volta bloccata, la tensione in stato è inferiore a quella di un IGBT o MOSFET di potenza di una valutazione simile, migliorando l'efficienza complessiva del sistema.
  • Eccellente sovratensione resiste[: I Thyristors possono sopravvivere a correnti di sovratensione fino a 10 volte la loro corrente nominale per alcuni cicli, che è fondamentale per il passaggio di guasto della griglia.
  • Costo efficace[[]: Per valutazioni superiori a 1.000 V e 500 A, i tiristori sono significativamente meno costosi per ampli rispetto ai moduli IGBT.
  • Robustibilità[[]: I Thyristors sono meno suscettibili di scarica elettrostatica e di picco di tensione rispetto ai dispositivi isolati da cancello, semplificando il confezionamento e la protezione.

Limitazioni

  • Nessun cancello di riaccensione[[]: I SCR standard non possono essere spenti dal cancello; si basano sulle condizioni del circuito per commutare.
  • Frequenza di commutazione limitata[[]: I Thyristors sono generalmente limitati a meno di 2 kHz a causa di perdite di tempo di rientro e di recupero.
  • Consumi di potenza reattivi[]: Gli inverter commutati in linea operano sempre con un fattore di potenza in ritardo, che richiede apparecchiature di compensazione reattiva dell'energia.
  • Perdite di commutazione più elevate[[]: I circuiti di commutazione forzati necessari per inverter autocommutati aggiungono perdite e complessità.

Prospettive future

Tecnologie avanzate del Thyristor

I trasformatori di silicio possono operare a temperature superiori a 300 °C e a velocità di interruzione di corrente media.

All'interno della tecnologia di silicio, il tiristor integrato a cancello (IGCT)[[] è emerso come scelta leader per inverter da 2-10 MW. IGCT combinano la bassa tensione di conduzione di un tiristor con la capacità di turn-off di un IGBT, utilizzando un driver di cancello a bassa induttanza per estrarre rapidamente i vettori impiegano MGB.

Controllo digitale e integrazione della griglia

I processori di segnale digitali avanzati e gli array di gate programmabili sul campo (FPGA) hanno abilitato algoritmi di controllo predittivi[] per i convertitori basati su tiristor. Questi controller ottimizzano gli angoli di cottura in tempo reale per minimizzare le armoniche, migliorare il fattore di potenza e supportare la stabilità della griglia durante le oscillazioni di tensione.

L'architettura modulare multilivello convertitore (MMC), già dominante in HVDC, sta cominciando a penetrare il mercato dell'inverter solare e del vento.

Integrazione con stoccaggio dell'energia e idrogeno

I tiristori permettono anche applicazioni emergenti come ]power-to-gas e elettrolisi a idrogeno verde. Gli elettrolizzatori per la produzione di idrogeno richiedono grandi correnti DC (10–50 kA) a bassa efficienza (1–2 V per cella).

Conclusioni

I Thyristors sono lontani dal panorama delle energie rinnovabili. Mentre IGBT e MOSFET hanno catturato segmenti inverter a bassa potenza, i tiristori continuano a dominare i livelli di potenza più elevati grazie alla loro combinazione ineguagliabile di blocco di tensione, al trasporto corrente e alla robustezza.

Per ulteriori informazioni sulle applicazioni di tiristor nell'elettronica di potenza, fare riferimento alla [IEE Power Electronics Society recensione di dispositivi semiconduttori ad alta potenza[], la ] Guida NREL alle tecnologie di inverter solare[, e documentazione HVDC thyFristor di HVDC [5]