Применение тиристоров в системах возобновляемой энергии и солнечных инверторах

Введение в тиристоры в возобновляемой энергетике

Глобальный переход на возобновляемые источники энергии зависит от эффективной силовой электроники. Солнечные фотоэлектрические (PV) массивы, ветровые турбины и системы хранения аккумуляторов требуют надежных полупроводниковых переключателей для преобразования, регулирования и кондиционирования электроэнергии. Среди этих устройств тиристоры сохраняют решающую роль в течение десятилетий, особенно в приложениях с высокой мощностью. В отличие от транзисторов, тиристоры предназначены для обработки экстремальных напряжений и токов, предлагая низкое перепад напряжения, что делает их идеальными для этапов преобразования энергии в возобновляемых системах. В солнечных инверторах, например, тиристоры обеспечивают сырую переключающую мощность, необходимую для преобразования переменной мощности постоянного тока из панелей в стабильное электричество переменного тока, которое отвечает требованиям энергосистемы. Их прочность, надежность и экономичность продолжают делать их предпочтительным выбором в установках мегаваттного масштаба.

В то время как современные устройства, такие как IGBT и MOSFET, доминируют в преобразователях с более низкой мощностью, тиристоры остаются незаменимыми в самых высоких уровнях мощности, таких как солнечные фермы коммунального масштаба, соединения ветровых парков и линии передачи высокого напряжения постоянного тока (HVDC). Понимание уникальных характеристик тиристоров помогает инженерам выбирать правильную топологию для каждого приложения возобновляемых источников энергии, балансируя эффективность, скорость переключения и стоимость системы.

Что такое тиристоры?

Основная структура и операция

Тиристор представляет собой четырехслойное трехконтактное полупроводниковое устройство (PNPN), которое действует как защелкательный переключатель. Его можно включить, применив небольшой импульс тока к его затворному терминалу, когда анод положителен по отношению к катоду. После запуска устройство входит в проводящее состояние и остается запертым, даже если сигнал затвора удален. Единственный способ выключить его - уменьшить анодный ток ниже заданного удерживающего тока (IH) или обратить вспять устройство. Это поведение делает тиристоры стабильными - они имеют два стабильных состояния: полностью выключены (блокировка) и полностью включены (проводящая).

Наиболее распространенным тиристором является кремниевый выпрямитель (SCR). SCR доступны в рейтингах от нескольких ампер до тысяч ампер и от десятков вольт до многих киловольт. Другие варианты включают в себя тиристор выключения ворот (GTO), который может быть выключен отрицательным импульсом ворот; интегрированный тиристор с коммутацией ворот (IGCT); и тиристор с управлением MOS (MCT). Каждый вариант предлагает компромиссы между скоростью переключения, потерями проводимости и сложностью привода.

Ключевые электрические характеристики

Важные параметры для приложений возобновляемых источников энергии включают блокирующее напряжение (V]DRM), ток в состоянии (I]T(RMS)), способность тока перенапряжения (I]TSM, а также ди/дт и dv/dt. Тиристоры превосходят в средах с высоким коэффициентом замыкания: они могут выдерживать токи короткого замыкания, многократно превышающие их номинальный ток, что ценно при работе с инверторами. Их типичные частотные диапазоны переключения от 50 Гц до нескольких кГц, что достаточно для линейно-коммутированных инверторов и фазово-управляемых преобразователей, используемых в системах с сетевыми связями.

Применение в системах возобновляемой энергетики

Их способность обрабатывать высокую мощность с минимальными потерями делает их идеальными для задач, которые не требуют чрезвычайно быстрого переключения - например, коммутация линии 50/60 Гц, мягкий запуск трансформаторов и регулирование постоянного тока.

Солнечные фотоэлектрические системы

В крупномасштабных солнечных фотоэлектрических установках тиристоры появляются в нескольких подсистемных блоках:

Тиристоры также появляются в контроллерах солнечного заряда для автономных аккумуляторных батарей, где они регулируют поток тока от фотоэлектрических панелей к батареям, предотвращая перезарядку и обратный ток ночью.

Ветровые энергетические системы

Ветровые турбины, особенно двухкормовые индукционные генераторы (DFIG), включают тиристоры в свои роторные преобразователи и линейные преобразователи. Схема ротора обрабатывает около 30% мощности генератора, позволяя преобразователи частоты частичного масштаба. Выпрямители переменного тока на основе тиристора (шести- или двенадцати-импульсные схемы) преобразуют ток ротора переменной частоты в линию постоянного тока. На стороне сетки тиристоры могут использоваться на стадии инвертора для синхронизации с фиксированной частотой сетки. Более крупные турбины с прямым приводом с полноприводными преобразователями часто используют IGBT для ступеней преобразователя, но тиристоры остаются во вспомогательных системах — например, в блоках питания управления шагом турбины или в цепях разряда тормозного резистора.

Системы хранения энергии

Системы накопления энергии в батареях (BESS) полагаются на двунаправленные инверторы, которые могут заряжаться и разряжаться. Тиристоры находятся в блоке кондиционирования на стороне АС АСС на стороне БЕСС, особенно те, которые работают при среднем напряжении (например, 4,16 кВ или 13,8 кВ). Здесь тиристорные клапаны обеспечивают переходы с мягким переключением и уменьшают гармонические искажения посредством фазового управления. Они также появляются в защите на стороне DC в качестве твердотельных выключателей, которые могут изолировать банки батарей в миллисекундах во время условий неисправности.

Высоковольтный постоянный ток (HVDC)

Тиристоры являются основой систем HVDC, которые соединяют удаленные возобновляемые источники энергии, такие как морские ветряные электростанции или пустынные солнечные электростанции, для загрузки центров. Линейный коммутированный преобразователь (LCC) HVDC использует мощные тиристорные клапаны (часто соединенные последовательно стеками) для преобразования переменного тока в постоянный ток и обратно. Эти системы могут передавать гигаватты мощности на тысячи километров с меньшими потерями, чем передача переменного тока. Развитие тиристорных клапанных сборок с номинальными значениями до 800 кВ и выше позволило росту суперсетей, которые интегрируют континентальные потоки возобновляемой энергии.

Роль солнечных инверторов

Инверторные топологии для солнечных фотоэлектрических систем

Солнечные инверторы делятся на три основные категории: струнные инверторы (до ~ 150 кВт), центральные инверторы (от 100 кВт до нескольких МВт) и микроинверторы (от 100 кВт до нескольких МВт), где уровни напряжения превышают 1000 VDC, а номинальная мощность достигает нескольких мегаватт. Классическая топология представляет собой трехфазный линейно-коммутированный инвертор (также называемый тиристорным инвертором), который использует шесть SCR в конфигурации моста. Эта топология проста, прочная и проверена на практике в течение десятилетий.

В линейно-коммутируемом инверторе напряжение сетки переменного тока обеспечивает коммутационное напряжение для выключения исходящего тиристора. Эта естественная коммутация устраняет необходимость в вспомогательной схеме выключения, уменьшая количество компонентов и стоимость. Однако линейно-коммутированные инверторы потребляют реактивную мощность (фактор зависания мощности) и генерируют значительные гармоники низкого порядка. Для смягчения этих проблем инверторы часто включают трансформаторы с фазовым переключением (12-импульсные или 24-импульсные конфигурации) и пассивные фильтры.

Самокоммутированные инверторы с тиристорами

Для внесетевых или слабосетевых приложений требуются самокоммутированные инверторы, поскольку для отключения тиристоров не существует напряжения сетки. Здесь добавляются схемы принудительной коммутации: вспомогательный конденсатор и индуктор создают импульс тока, который гасит основной тиристор. Этот подход увеличивает сложность и стоимость, поэтому разработчики инверторов часто переходят на IGBT или MOSFET для автономных систем с низким энергопотреблением. Тем не менее для крупных автономных солнечных ферм (например, в удаленных майнинговых площадках) самокоммутированные инверторы на основе тиристора остаются жизнеспособными из-за их надежности и способности справляться с тяжелыми перегрузками.

Гибридные топологии и современные тенденции

Современные центральные инверторы все чаще используют инверторы на основе напряжения (VSI) для лучшего качества питания и динамического отклика. Однако тиристоры по-прежнему занимают нишу на стадии DC-to-DC (например, в двухактивных мостовых преобразователях) и в твердотельных трансформаторах , которые могут заменить традиционные линейно-частотные трансформаторы в солнечных инверторах следующего поколения. Кроме того, многоуровневые инверторные архитектуры, такие как нейтрально-точечные зажимные (NPC) и каскадные H-мосты, иногда используют тиристоры в качестве основных переключающих элементов в самых высоких уровнях напряжения, извлекая выгоду из их низких потерь проводимости.

Преимущества и ограничения тиристоров

Преимущества

  • Высокое энергопотребление: Тиристоры могут блокировать тысячи вольт и проводить тысячи ампер с перепадом напряжения только около 1-2 В. Это делает их чрезвычайно эффективными в высокоточных приложениях.
  • Низкие потери проводимости: После защелкивания напряжение в состоянии ниже, чем у IGBT или силового MOSFET аналогичного рейтинга, что повышает общую эффективность системы.
  • Превосходный всплеск выдерживает : Тиристоры могут выдержать ток всплесков до 10 раз их номинальный ток в течение нескольких циклов, что имеет решающее значение для сетки сбоя проезда.
  • Стоимость:]: Для рейтингов выше 1000 В и 500 А тиристоры значительно дешевле на усилитель, чем модули IGBT.
  • Рыбкость: Тиристоры менее восприимчивы к электростатическому разряду и всплескам напряжения, чем устройства с изоляцией затвора, что упрощает упаковку и защиту.

Ограничения

  • Никакого выключения ворот: Стандартные SCR не могут быть выключены воротами; они полагаются на условия схемы для коммутации. Это усложняет управление в самокоммутируемых топологиях.
  • Ограниченная частота переключения: Тиристоры обычно ограничены ниже 2 кГц из-за потерь времени выключения и восстановления. Современные ГТО и ИГКТ могут достигать нескольких кГц, но все же отстают от IGBT (до 20 кГц).
  • Реактивное энергопотребление: Линейно-коммутированные инверторы всегда работают с отставающим коэффициентом мощности, требуя оборудования для компенсации реактивной мощности.
  • Более высокие потери коммутации: Принудительные схемы коммутации, необходимые для самокоммутируемых инверторов, добавляют потери и сложность.

Будущие перспективы

Передовые технологии Thyristor

Исследования полупроводников с широким диапазоном пропускания (карбид кремния - SiC и нитрид галлия - GaN) произвели тиристорные устройства: SiC gate turn-off thyristor (GTO) и SiC PiN diode. SiC тиристоры могут работать при температурах, превышающих 300 °C, и блокировать напряжения выше 15 кВ, что делает их идеальными для будущих твердотельных трансформаторов и инверторов среднего напряжения. Снижение потерь переключения тиристоров SiC (<1% кремниевых эквивалентов) может позволить инвертору работать на частотах в несколько килогерц даже на уровнях нескольких мегаватт.

В кремниевой технологии интегрированный коммутированный тиристор (IGCT) стал ведущим выбором для инверторов мощностью 2-10 МВт. IGCT сочетают низкое напряжение проводимости тиристора с возможностью выключения IGBT, используя драйвер с низкой индуктивностью затвора для быстрого извлечения носителей. Многие коммерческие преобразователи ветряных турбин (> 3 МВт) теперь используют стеки IGCT, потому что они обеспечивают более высокую эффективность и плотность мощности, чем конструкции на основе IGBT.

Цифровой контроль и интеграция сетки

Передовые цифровые сигнальные процессоры и программируемые на полевых условиях затворные массивы (FPGA) позволили алгоритмам управления на основе тиристора. Эти контроллеры оптимизируют углы стрельбы в режиме реального времени, чтобы минимизировать гармоники, улучшить коэффициент мощности и поддерживать стабильность сетки во время перепадов напряжения. По мере увеличения проникновения возобновляемых источников такое точное управление будет иметь важное значение для поддержания частоты и напряжения сетки в приемлемых пределах.

Модульная многоуровневая преобразовательная архитектура (MMC), уже доминирующая в HVDC, начинает проникать на рынок солнечных и ветровых инверторов. MMC используют сотни субмодулей, каждый из которых содержит полумост (обычно с IGBT). Однако исследователи разрабатывают гибридные субмодули, которые заменяют тиристоры на нижние переключатели для снижения потерь проводимости. Ранние результаты показывают повышение эффективности 0,5-1 % в полномощных преобразователях - значительный прирост в масштабе полезности.

Интеграция с хранением энергии и водорода

Тиристоры также позволяют создавать новые приложения, такие как мощность-газ и . Электролизеры для производства водорода требуют больших токов постоянного тока (10-50 кА) при низком напряжении (1-2 В на ячейку). Выпрямители на основе тиристора (иногда называемые хиперами или электрохимическими выпрямителями) обеспечивают самую высокую эффективность для этого преобразования, с общей эффективностью системы, превышающей 98%. Поскольку зеленый водород становится ключевым фактором длительного хранения возобновляемой энергии, технология тиристора будет лежать в основе электрической инфраструктуры электролизеров.

Заключение

Тиристоры далеко не устарели в ландшафте возобновляемых источников энергии. В то время как IGBT и MOSFET захватили сегменты инверторов с более низкой мощностью, тиристоры продолжают доминировать на самых высоких уровнях мощности из-за их непревзойденной комбинации блокировки напряжения, переноса тока и прочности. От солнечных инверторов и преобразователей ветряных турбин в масштабе коммунальных услуг до передачи HVDC и водородного электролиза тиристоры обеспечивают проверенное, экономически эффективное решение для преобразования и управления возобновляемой энергией. Текущие инновации в тиристорах SiC, IGCT и передовом цифровом контроле расширяют свою производительность, гарантируя, что силовая электроника на основе тиристора будет играть жизненно важную роль в глобальном переходе к устойчивой энергии на десятилетия вперед.

Для дальнейшего чтения о применениях тиристора в силовой электронике обратитесь к обзору Общества электроники IEEE о мощных полупроводниковых устройствах , руководству NREL по технологиям солнечных инверторов и документации тиристорного клапана HVDC Hitachi Energy .