Введение

Стабильность энергосистемы является краеугольным камнем надёжной подачи электроэнергии.По мере интеграции сеток возобновляемых источников энергии, линий HVDC и динамических нагрузок растут требования к силовым электронным компонентам. Среди них тиристор остаётся фундаментальным строительным блоком для переключения и управления большой мощностью. Скорость, с которой тиристор переходит между проводящим и блокирующим состояниями, наряду с его динамическими переключающими характеристиками, напрямую определяет, насколько эффективно энергосистема может ослаблять помехи, поддерживать профили напряжения и предотвращать каскадные сбои. Понимание этих связей необходимо инженерам, проектирующим системы передачи и распределения следующего поколения.

Основы работы и переключения Thyristor

Тиристор представляет собой четырехслойное трехпереходное полупроводниковое устройство, которое действует как бистабильный переключатель. В его переднем блокировочном состоянии устройство имеет высокое импеданс. Когда сигнал затвора прикладывается с достаточным током, тиристор защелкивается в проводимость и остается включенным до тех пор, пока анодный ток не упадет ниже порога удержания. Переход от выключения к включению не является мгновенным; он включает в себя процесс включения, характеризующийся распространением плазмы по кремниевой пластине. Аналогично, выключение требует, чтобы ток был вынужден к нулю и обратное напряжение поддерживалось в течение достаточного времени, чтобы позволить рекомбинацию носителя.

Скорость этих переходов количественно определяется временем включения (t] на ) и временем выключения (tq). В времени включения обычно преобладает задержка между импульсом затвора и началом проводимости (время задержки) плюс время подъема анодного тока. Время выключения включает время обратного восстановления и период восстановления затвора. Более быстрый включение уменьшает потери переключения и позволяет более высокие рабочие частоты, в то время как более короткое время выключения позволяет устройству блокировать переднее напряжение раньше, что имеет решающее значение в таких приложениях, как преобразователи источника напряжения и принудительно коммутированные схемы.

Ключевые параметры переключения и их определения

Помимо простого времени, несколько параметров определяют надежность переключения тиристора:

  • dv/dt-возможность — максимальная скорость повышения переднего напряжения, которую устройство может выдержать без непреднамеренного включения.Превышение этого рейтинга может вызвать ложную проводимость, приводя к сбоям коммутации или сверхтоку.
  • di/dt-возможность — максимальная скорость повышения анодного тока при включении.Высокий ди/dt может вызвать локализованное нагревание и повредить соединение, если не ограничено схемами снуббера или последовательной индуктивностью.
  • Поворот на убыток (E] на ) — энергия, рассеиваемая во время переходного периода переключения, которая увеличивается с более длительным временем включения и более высокими токами.
  • Потери при выключении (E]off) — энергия, рассеиваемая в течение интервала восстановления.Быстрый выключатель уменьшает эту потерю, но может потребовать более агрессивной конструкции снуббера.
  • Обратный заряд восстановления (Qrr) — хранящийся заряд, который должен быть удален во время обратного восстановления, влияя на время выключения и величину тока обратного восстановления.

Эти параметры взаимодействуют с импедансом энергосистемы, алгоритмами управления и схемами защиты.Выбор тиристора с соответствующими рейтингами dv/dt и di/dt для конкретного приложения так же важен, как и указание его рейтингов напряжения и тока.

Влияние на стабильность энергосистемы

Стабильность энергосистемы охватывает три широкие категории: устойчивость под углом вращения ротора (переходная), стабильность напряжения и стабильность малых сигналов (колебательная).

Переходная стабильность

Переходная стабильность включает в себя способность синхронных генераторов поддерживать синхронность после больших возмущений, таких как неисправности, линейные поездки или потеря генерации. Быстродействующие тиристорные элементы управления в таких устройствах, как статические VAR-компенсаторы (SVC) и тиристор-контролируемые последовательные конденсаторы (TCSCs) могут вводить или поглощать реактивную мощность в течение нескольких миллисекунд. Тиристор с коротким временем включения позволяет SVC реагировать до того, как угол поворота ротора генератора расходится слишком далеко, тем самым улучшая запас стабильности первого качения. И наоборот, медленно переключающийся тиристор вводит задержку, которая может позволить распространению возмущения, уменьшая крутящий момент демпфирования и увеличивая риск потери синхронизма.

В системах HVDC скорость переключения тиристорных клапанов определяет способность коммутировать ток между мостами преобразователя. Более быстрое выключение позволяет работать при более высоких углах стрельбы и уменьшенных сбоях коммутации, что особенно важно во время сбоев системы переменного тока при подавлении напряжения. Исследование, опубликованное в IEEE Транзакции на доставке электроэнергии , показало, что сокращение времени выключения тиристора на 20% улучшило критическое время очистки многомашинной системы HVDC-взаимосвязанной примерно на 12%.

Стабильность напряжения

Стабильность напряжения касается способности энергетической системы поддерживать устойчивые, приемлемые напряжения на всех шинах в нормальных условиях и после того, как они подвергаются возмущению. Компенсаторы реактивной мощности на основе тиристора развернуты для регулирования напряжения путем управления углом стрельбы тиристоров. Динамическая реакция компенсатора напрямую связана со скоростью переключения тиристора. Быстрый включение и выключение позволяет компенсатору вводить или поглощать реактивную мощность со скоростью, которая может противодействовать падениям напряжения, вызванным запуском двигателя, отказом от нагрузки или задержками трансформатора, изменяющего кран.

Практическим примером является использование конденсаторов Thyristor-S (закрученных) (TSCs). Каждый модуль TSC состоит из конденсатора последовательно с двунаправленным тиристорным переключателем. Чтобы минимизировать переходные процессы, тиристоры должны переключаться в тот момент, когда напряжение на переключателе равно нулю. Точное время - порядка микросекунд - требует драйвера затвора, который может доставлять импульсы высокого тока с низким джиттером. Если включение тиристора задерживается или неравномерно между фазами, результирующий ток включения может вызвать затухание напряжения и гармоническое искажение, ухудшая качество напряжения для чувствительных нагрузок. Это явление хорошо документировано в руководстве по применению переключения шунтирующего конденсатора.

Стабильность малых сигналов и демпфирование колебательных колебаний

Стабильность малых сигналов касается способности энергетической системы влажного колебания, возникающие из электромеханических режимов генераторов (обычно в диапазоне от 0,2 до 2 Гц). Стабилизаторы системы питания (PSS) и дополнительные регуляторы демпфирования на звеньях SVC и HVDC полагаются на модуляцию угла тиристорной стрельбы для получения крутящего момента демпфирования. ширина полосы модуляции ограничена скоростью переключения тиристорных клапанов. Высокоскоростной тиристор (время поворота < 1 мкс) может поддерживать частоты модуляции до нескольких сотен герц, что более чем достаточно для демпфирования межзоновых режимов. Однако, если время выключения тиристора является длительным по отношению к периоду модуляции, выход компенсатора будет демонстрировать фазовое отставание, которое может уменьшить или даже обратить вспять эффект демпфирования.

Исследователи показали, что фазовое отставание, введенное временем выключения 100 мкс в 12-импульсном преобразователе HVDC, может ухудшить вклад крутящего момента демпфирования до 5 градусов при 1 Гц. Хотя это может показаться небольшим, оно может быть значительным в сочетании с другими задержками в цикле управления (фильтрация датчика, задержка связи, время цикла процессора). Поэтому точное моделирование динамики переключения тиристора имеет важное значение для настройки контроллеров демпфирования, а моделирование аппаратного обеспечения в цикле все чаще используется для захвата эффектов уровня устройства.

Применение в современных энергетических системах

Влияние скорости тиристора и характеристик переключения наиболее очевидно в приложениях, где требуется быстрый и точный контроль высокой мощности.

Трансмиссия HVDC

Линейно-коммутированный преобразователь (LCC) HVDC системы используют тиристорные клапаны, рассчитанные на напряжения до 800 кВ и токи нескольких килоамперов. Время выключения этих тиристоров определяет минимальный угол вымирания, необходимый для надежной коммутации. Более короткое время выключения позволяет работать при более низком угле вымирания, что улучшает коэффициент мощности и снижает реактивное потребление энергии. Современные тиристоры LCC с временем выключения в диапазоне 50-150 мкс позволили более высокую передачу мощности и более длинные кабели постоянного тока. Например, система ABB HVDC Light® (теперь HVDC Plus) использует изолированные-воротные биполярные транзисторы (IGBTs), но для передачи сыпучих вентиляционных сигналов (обычно выше 1 ГВт), тиристоры остаются рабочей лошадкой, и производители продолжают совершенствовать характеристики переключения для уменьшения площади и потерь преобразователя.

Гибкие системы передачи переменного тока (FACTS)

Устройства FACTS, такие как Static Var Compensator (SVC), Thyristor-Controlled Series Capacitor (TCSC) и Static Synchronous Compensator (STATCOM), зависят от тиристорных клапанов для быстрого управления реактивной мощностью. В TCSC тиристор-контролируемый реактор параллельно с конденсатором образует переменное импеданс. Скорость, с которой тиристор может быть спровоцирован для изменения угла проводимости, напрямую влияет на переходную реакцию линейного импеданса. Во время неисправности TCSC может быть переключен в блокирующий режим для защиты конденсатора. Оценка напряжения тиристора в dv/dt диктует напряжение напряжения во время этого перехода. Современные установки TCSC, такие как установки на бразильском соединении Север-Юг, используют тиристоры с высокой устойчивостью к dv/dt, чтобы выдерживать тяжелые переходы, которые происходят во время очистки от неисправности.

Другим ключевым применением является компенсатор статических синхронных серий (SSSC), который использует преобразователь источника напряжения (VSC) для впрыска регулируемого напряжения последовательно с линией. В то время как многие VSC теперь используют IGBT, некоторые мощные конструкции SSSC по-прежнему используют тиристоры с принудительной коммутацией цепей. Скорость выключения основных тиристоров определяет максимальную достижимую частоту переключения, что, в свою очередь, ограничивает гармоническое содержание впрыскиваемого напряжения. Более быстрые тиристоры уменьшают размер выходных фильтров и улучшают динамическую реакцию компенсатора.

Моторные приводы и промышленные применения

В крупных промышленных приводах (например, цементных мельницах, шахтных подъемниках, судовых двигателях) для управления скоростью и крутящим моментом используются циклоконверторы на основе тиристора и коммутированные инверторы (LCI). Скорость переключения тиристора регулирует диапазон выходных частот и плавность производства крутящего момента. Более быстрое время выключения позволяет более высокие выходные частоты (до 20 Гц в LCI) и уменьшает пульсации крутящего момента, которые могут возбуждать механические резонансы в приводном поезде. Кроме того, ди / дт рейтинг тиристора должен быть достаточным для обработки высокого тока впрыска во время коммутации. Производители часто предоставляют подробные примечания о применении конструкции снуббера для поддержания ди / дт в безопасных пределах при минимизации потерь.

Проблемы и стратегии смягчения

Несмотря на свои преимущества, высокоскоростные тиристоры представляют несколько инженерных задач:

  • Электромагнитные помехи (EMI): Быстро переключающиеся края генерируют высокочастотные гармоники, которые могут соединяться в управляющие кабели и системы связи.Смягчение включает в себя тщательную компоновку цепей привода ворот, экранирование и использование dv/dt фильтров на стороне переменного тока.
  • Тепловое управление: Более высокие скорости переключения могут увеличить частоту событий включения и выключения, повышая общие потери переключения.Необходимы передовые методы охлаждения, такие как принудительное воздушное, жидкостное охлаждение или системы тепловых труб, особенно в компактных клапанных узлах.
  • Стоимость : Быстро переключающиеся тиристоры часто требуют более сложных производственных процессов (например, платинового допинга, нейтронного облучения для пожизненного контроля) и более жесткого контроля процесса, что приводит к увеличению стоимости единицы.
  • Усложнение схемы управления : Водители ворот должны доставлять импульсы с высоким током с очень низким джиттером и быстрым временем подъема. Требования к изоляции (например, с использованием оптических волокон или магнитных соединителей) добавляют сложность и стоимость. Неспособность поддерживать точное время может привести к осечку и повреждению оборудования.
  • Сбой коммутации в инверторах: В инверторах LCC HVDC, если время выключения тиристора недостаточно, устройство может не восстановить блокировку до следующей коммутации, что приводит к отказу коммутации, который может разрушить напряжение постоянного тока. Избыточные уровни тиристора и консервативные настройки угла вымирания используются для снижения риска, но более быстрое выключение напрямую уменьшает требуемый запас.

Для решения этих проблем инженеры применяют системный подход. Схемы Snubber ограничивают уровни dv/dt и di/dt до безопасных уровней за счет дополнительных потерь. Активные элементы управления приводом затвора могут формировать ток затвора для оптимизации переходных процессов включения и выключения. Кроме того, цифровые платформы управления с периодами субмикросекундного цикла позволяют прогнозировать алгоритмы стрельбы, которые адаптируются к изменяющимся условиям системы, тем самым компенсируя задержки на уровне устройства.

Будущие тенденции

Эволюция технологии силовых полупроводников продолжает расширять границы скорости тиристора. Устройства на основе кремния были усовершенствованы для достижения времени выключения ниже 30 мкс в высоковольтных тиристорах (рейтинг 8 кВ и выше). Однако широкополосные материалы, такие как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN), предлагают еще более быстрое переключение. тиристоры SiC были продемонстрированы с временем включения менее 50 нс и способны блокировать более 10 кВ. Хотя все еще на стадии исследований и ранней коммерциализации, эти устройства обещают включить преобразователи мощности с более высокой эффективностью и меньшими пассивными компонентами. Например, 15-кВ SiC тиристор может использоваться в конвертере постоянного тока среднего напряжения для оффшорных ветровых электростанций, значительно уменьшая размер преобразователя станции.

Еще одна тенденция - интеграция тиристоров с цифровым интеллектом. Упакованные модули теперь включают драйверы ворот, датчики температуры и логику обнаружения неисправностей, которые могут связываться с центральным контроллером через волоконно-оптические линии. Это позволяет в режиме реального времени контролировать скорость переключения и здоровье, обеспечивая обслуживание на основе условий и адаптивные стратегии управления.

«По мере того, как энергетические системы будут развиваться в направлении большей гибкости и более высокого проникновения возобновляемых источников энергии, скорость переключения тиристоров останется критическим параметром для обеспечения как переходной, так и устойчивой стабильности. Выбор технологии устройства должен основываться на всестороннем понимании динамических требований системы, а не только на рейтингах устойчивого состояния». — Адаптировано из технической брошюры 799 CIGRE о производительности преобразователя HVDC.

Заключение

Скорость и характеристики переключения тиристоров не являются простыми деталями уровня устройства; они являются основой стабильности современных энергетических систем. От демпфирования межзоновых колебаний в больших сетях переменного тока до обеспечения надежной коммутации в каналах HVDC способность этих полупроводников быстро и предсказуемо переходить между блокирующими и проводящими состояниями лежит в основе эффективной производительности электроники большой мощности. Инженеры должны тщательно соответствовать тиристорным параметрам - времени включения, времени выключения, dv / dt, di / dt - динамике системы, которую они проектируют. По мере того, как устройства с широким диапазоном созревают и системы управления становятся быстрее, влияние переключения тиристора будет только расти, обеспечивая более устойчивые, эффективные и компактные сети передачи и распределения энергии.

Для дальнейшего чтения по соображениям дизайна для систем FACTS и HVDC на основе тиристора обратитесь к IEEE Транзакциям по доставке электроэнергии и руководствам по применению, опубликованным ABB HVDC и Siemens Energy .