Introduzione ai Thyristors di Turno di Cancello nella trasmissione HVDC

I sistemi di trasmissione HVDC (High Tension Direct Current) servono come spina dorsale del trasferimento di energia elettrica a lunga distanza moderno, consentendo un'efficace interconnessione tra le griglie asincroni e l'integrazione di fonti rinnovabili remote.

Che cosa è un GTO e perché si occupa di HVDC?

A Gate Turn-Off Thyristor è un dispositivo semiconduttore a tre tempi che può essere acceso da un impulso di cancello e, in modo cruciale, spento applicando una corrente di cancello negativa. Questa capacità di modulazione completa distingue GTO da tiristori standard, che si basano sulla corrente principale del circuito per commutare fuori.

Topologie del convertitore HVDC basato su GTO

L'integrazione dei GTO nei sistemi HVDC si basa su specifiche configurazioni di convertitori che sfruttano la loro capacità di spegnimento. Le due topologie più comuni sono il convertitore di tensione a due livelli e il convertitore modulare multilivello (MMC). Mentre il MMC è diventato dominante nei progetti HVDC moderni a causa della sua scalabilità e della bassa distorsione armonica, i convertitori a due livelli basati su GTO rimangono in funzione nelle installazioni più vecchie e in alcune applicazioni di nicchia.

Convertitori di tensione-source a due livelli con GTO

In un VSC di due livelli, ogni gamba di fase consiste in una connessione di serie di GTO (spesso con diodi antiparallele) per formare una valvola di commutazione. Il bus DC è mantenuto a una tensione costante, e l'uscita AC è un'onda quadrata con due livelli di tensione (+Vdc e -Vdc) che utilizza tecniche PWM, il convertitore sintetizza una forma d'onda AC sinusoidale con la tensione piena controllata e la fase di rotazione.

Convertitori modulari multilivello e GTO

In base a HVDC, i progetti si mettono in scala a tensioni e valutazioni di potenza più elevate, il convertitore modulare multilivello (MMC) è diventato la scelta preferita.

Considerazioni di progettazione per sistemi HVDC basati su GTO

L'implementazione di GTO in un sistema HVDC richiede un'attenta attenzione al design elettrico, termico e meccanico per garantire un funzionamento affidabile nel corso di decenni di servizio.

Gate Drive e progettazione del circuito di Snubber

L'unità di azionamento del cancello (GDU) per un GTO deve fornire una corrente di picco elevata (centri di ampere) per accendere il dispositivo rapidamente e, più criticamente, un impulso di corrente inversa per spegnerlo. Il processo di spegnimento è particolarmente esigente: il GDU deve estrarre una corrente di cancello negativa che è tipicamente di un quinto a un terzo della corrente di anodo.

Gestione termica

I GTO dissipano il calore sostanziale durante il passaggio e la conduzione, con temperature di giunzione che spesso raggiungono i 125°C sotto carico. La gestione termica efficace è fondamentale per prevenire l'insufficienza del dispositivo. I grandi dissipatori di calore in alluminio o rame sono bulloniati direttamente al pacchetto GTO, e il raffreddamento forzato dell'aria o del liquido è impiegato per rimuovere il calore.

Condivisione e protezione della tensione

Quando più GTO sono collegati in serie per bloccare alte tensioni DC, lievi variazioni nella corrente di dispersione e nel tempo di spegnimento possono causare distribuzione di tensione irregolare. La condivisione di tensione statica è raggiunta mettendo resistenze ad alto valore in parallelo con ogni dispositivo, mentre la condivisione dinamica durante il passaggio è gestita da reti di snubber RC. La protezione da sovratensione include varistori, diodi di rottura (no anche come dispositivi di crowbar) e circuiti attivi

Strategie di controllo per convertitori HVDC basati su GTO

Il controllo preciso della gating dei GTO consente tecniche di modulazione e regolazione avanzate che ottimizzano il trasferimento di potenza e la stabilità della griglia. Il sistema di controllo deve generare impulsi di cancello con tempi precisi, tipicamente sincronizzati alla fase della griglia AC attraverso loop bloccati in fase (PLL).

Tecniche di modulazione della larghezza di impulso

L'eliminazione armonica selettiva (SHE) PWM è comunemente usata con VSC basati su GTO per ridurre al minimo le armoniche, riducendo le perdite di commutazione. In SHE, gli angoli di commutazione sono precalcolati per eliminare le armonie specifiche all'uscita del convertitore. In alternativa, l'efficienza del vettore spaziale (SVM) fornisce un migliore utilizzo della tensione degli autobus DC ed è adatta per l'implementazione digitale.

Controllo di potenza attivo e reattivo

Variando l'ampiezza e l'angolo di fase della tensione di uscita del convertitore rispetto alla griglia, la potenza attiva e reattiva può essere controllata in modo indipendente. Questa capacità è un vantaggio chiave di VSC-HVDC su LCC-HVDC. Il sistema di controllo comprende un loop di corrente interno che regola le correnti dq-assie (attive e reattive) e un loop esterno che controlla la tensione DC o il flusso di potenza attiva.

Supporto per la rimozione e la presa di posizione

I moderni codici a griglia richiedono che i sistemi HVDC rimangano connessi durante i sag di tensione e forniscano un'iniezione di corrente reattiva per supportare la rete. I convertitori basati su GTO possono raggiungere questo risultato perché sono autocommutati. Il sistema di controllo deve rilevare la condizione di guasto, ridurre il flusso di potenza attivo (che potrebbe essere limitato dalla capacità di corrente corrente continua) e iniettare la corrente reattiva entro i millisecondi.

Sfide di attuazione e strategie di mitigazione

Nonostante i loro vantaggi, i GTO presentano diversi ostacoli di implementazione che gli ingegneri devono superare.

Complesso di unità di cancello

Il circuito di azionamento del cancello per un GTO è molto più complesso di quello di un tiristor o IGBT. L'alto requisito di corrente di spegnimento richiede un percorso di azionamento a cancello ad alta efficienza, ad alta energia. L'isolamento fibra ottica è necessario per trasmettere i segnali di cancello al potenziale ad alta tensione di ogni dispositivo. L'alimentazione del cancello deve essere derivata dal bus DC o da una fonte ausiliaria, aggiungendo costi e conta componenti.

Interruttore di perdite ed efficienza

I GTO presentano perdite di commutazione relativamente elevate, soprattutto durante il periodo di spegnimento prolungato. La corrente di coda – una corrente residua che scorre dopo l'impulso di spegnimento principale – contribuisce a una significativa dissipazione di potenza. Per questo motivo, GTOs tipicamente operano a frequenze di commutazione inferiori a IGBT. I progettisti di sistema devono eseguire un'analisi dettagliata di perdita, spesso utilizzando strumenti di simulazione elettro-termale, per garantire che il sistema di raffreddamento può gestire le perdite più basse del sistema di livello di livello di GDC-90-90 GBC.

Considerazioni sui costi

I moduli GTO sono costosi a causa della grande area di wafer di silicio e del processo di produzione complesso. Tuttavia, per applicazioni ad alta corrente (sopra 2 kA per dispositivo), GTO può essere più economico che parallelo multi IGBTs. Il costo totale del sistema include non solo i semiconduttori, ma anche le unità di cancello, snubbers, raffreddamento e controllo.

Confronto con IGBT e IGCT

Il paesaggio dei semiconduttori ad alta potenza si è evoluto in modo significativo dal momento che gli GTO sono stati introdotti negli anni '80. Oggi, le principali alternative sono IGBT (e le loro versioni di press-pack) e IGCT. Capire i trade-off aiuta gli ingegneri a scegliere il miglior dispositivo per una specifica applicazione HVDC.

IGBT vs. GTO

I GSC-HVDC isolati offrono un'elevata tecnologia di accensione (GTO) che supera i GSC-HVDC negli ultimi due decenni, in gran parte grazie alla loro più semplice unità di atterraggio (tensione controllata contro corrente controllata), alle frequenze di commutazione più elevate e alla facilità di connessione parallela.

IGCT vs. GTO

Il Thyristor (IGCT) è un ibrido che combina la perdita di basso rendimento di un tiristor con la capacità di interruttore duro di un transistor. Un IGCT integra la die GTO con un circuito di azionamento a bassa induzione di un singolo pacchetto, con conseguente più veloce spegnimento e minori perdite di commutazione di un GTO convenzionale.

Applicazioni reali e studi di casi

Per comprendere l'attuazione pratica dei GTO in HVDC, è utile esaminare progetti notevoli.

Gotland HVDC Light (1997)

Uno dei primi progetti VSC-HVDC, il collegamento Gotland HVDC in Svezia, ha usato IGBTs, ma molti progetti successivi nei primi anni 2000 ha adottato GTO per il loro più alto grado di tensione. Il ABB (ora Hitachi Energy) piattaforme di convertitore basate su GTO alimentate diversi collegamenti back-to-back e il funzionamento del vento offshore.

Shandong HVDC Test Project (2018)

In Cina, la State Grid Corporation of China ha testato una stazione ibrida di convertitori LCC-VSC che incorpora VSC basati su GTO per la compensazione di potenza reattiva. Il progetto ha convalidato con successo l'uso di GTO in combinazione con l'LCC basato su tiristor per migliorare la regolazione della tensione durante i difetti. I risultati sono stati pubblicati nel IEEE Transazioni sulla consegna di potenza.

Tendenze future nella tecnologia GTO per HVDC

Sebbene non siano stati annunciati recentemente nuovi progetti HVDC basati su GTO, la ricerca continua mira a migliorare le prestazioni del GTO e ad estendere la loro durata operativa.

Carburo di Silicio (SiC) GTO

I dispositivi in carburo di silicio promettono perdite di commutazione inferiori e un funzionamento a temperatura più elevata. I GTO di prototipo con tensioni di rottura superiori a 10 kV sono stati dimostrati in ambienti di laboratorio. Se la commercializzazione riesce, i GTO di SiC potrebbero competere con i IGBT di silicio in termini di frequenza mantenendo perdite di conduzione basse, potenzialmente rivitalizzando l'interesse nei convertitori basati su GTO per la trasmissione DC ad alta tensione.

Sistemi di raffreddamento avanzati

Le nuove tecnologie di raffreddamento, come il raffreddamento a due fasi e i dissipatori di calore a microcanale, possono ridurre la resistenza termica e consentire una maggiore densità di potenza, studiando soluzioni per le valvole GTO esistenti per potenziare la loro capacità senza sostituire l'intera stazione di conversione.

Manutenzione digitale Twin e Predictive

Grazie alla regolazione della temperatura di giunzione, alle tensioni di commutazione e alle correnti, gli operatori possono prevedere la degradazione del dispositivo e la manutenzione del programma in modo proattivo.

Conclusioni

I nuovi sistemi di controllo HTO hanno svolto un ruolo fondamentale nell'evoluzione della trasmissione VSC-HVDC. La loro capacità di commutare alte tensioni e correnti con la piena controllabilità ha permesso lo sviluppo di convertitori autocommutati che hanno rivoluzionato il trasferimento di energia a lunga distanza e l'integrazione della rete.