Внедрение Gtos для высокого напряжения Системы передачи постоянного тока (HVDC)

Введение в поворотные тиристоры в передаче HVDC

Системы передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC) служат основой современной передачи электроэнергии на большие расстояния, обеспечивая эффективное соединение между асинхронными сетями и интеграцией удаленных возобновляемых источников энергии. В основе многих систем HVDC на основе преобразователя с источником напряжения (VSC) лежит полупроводниковое устройство, которое обеспечивает превосходный контроль над потоком мощности по сравнению с обычными линейными коммутированными преобразователями (LCC), использующими стандартные тиристоры. В то время как более новые устройства, такие как биполярные транзисторы с изолированными воротами (IGBT) и интегрированные коммутированные тиристоры с воротами (IGCT), набрали силу, GTO остаются надежным и экономически эффективным решением для конкретных приложений с высокой мощностью. В этой статье рассматриваются фундаментальные принципы, соображения дизайна, стратегии управления и проблемы реализации, связанные с GTO в системах HVDC, а также перспективы новых тенденций и альтернативных технологий.

Что такое GTO и почему это важно для HVDC?

Тиристор с вентиляционным выключателем представляет собой трёхконцевое полупроводниковое устройство, которое может быть включено импульсом затвора и, что важно, выключено с помощью отрицательного тока затвора. Эта полная возможность выключения отличает ГТО от стандартных тиристоров, которые полагаются на ток основной цепи для коммутации. В приложениях HVDC эта функция устраняет необходимость в внешних коммутационных цепях, позволяя топологиям VSC самостоятельно управлять как активной, так и реактивной мощностью. ГТО могут обрабатывать напряжения до 6 кВ и токи, превышающие 4 кА, что делает их пригодными для требовательных условий высоковольтной среды передачи. Возможность переключения на частотах в несколько сотен герц позволяет использовать методы импульсно-широтной модуляции (PWM), которые улучшают качество мощности и снижают требования к гармонической фильтрации.

Топологии преобразователей HVDC на основе GTO

Интеграция ГТО в системы HVDC основана на конкретных конфигурациях преобразователей, которые используют их возможности выключения. Двумя наиболее распространенными топологиями являются двухуровневый преобразователь источника напряжения и многоуровневый модульный преобразователь (MMC). В то время как MMC стал доминирующим в современных проектах HVDC из-за его масштабируемости и низкого гармонического искажения, двухуровневые преобразователи на основе ГТО остаются в эксплуатации в старых установках и определенных нишевых приложениях.

Двухуровневые преобразователи напряжения-источника с GTO

В двухуровневой VSC каждая фазовая ножка состоит из последовательного соединения ГТО (часто с антипараллельными диодами) для формирования переключающего клапана. Шина постоянного тока поддерживается при постоянном напряжении, а выход переменного тока представляет собой квадратную волну с двумя уровнями напряжения (+Vdc и -Vdc). Используя методы PWM, преобразователь синтезирует синусоидальную форму волны переменного тока с контролируемой величиной и фазой. ГТО должны выдерживать полное напряжение постоянного тока при выключении, поэтому для достижения уровней HVDC 100-500 кВ необходима серия укладки устройств, для достижения уровней HVDC 100-500 кВ. Каждому ГТО требуется специальный блок привода затвора, который обеспечивает сложные схемы включения и выключения, а также схемы выключения для управления разделением напряжения и напряжением dv/dt. Двухуровневая топология относительно проста, но страдает от высоких потерь переключения и значительного гармонического содержания, что требует больших фильтров переменного тока.

Многоуровневые модульные преобразователи и GTO

По мере того, как проекты HVDC масштабируются до более высоких напряжений и рейтингов мощности, предпочтительным выбором стал многоуровневый модульный преобразователь (MMC). В MMC каждая фаза состоит из нескольких субмодулей, каждый из которых содержит GTO (или другой полупроводник) и конденсатор. Изменяя количество субмодулей, вставленных в токовый путь, преобразователь может генерировать ступенчатую форму волны переменного тока со многими уровнями напряжения. GTO в приложениях MMC работают при более низких частотах переключения на устройство, уменьшая потери переключения и позволяя более простые схемы привода затвора. Однако сложность балансировки напряжений конденсатора и координации сотен субмодулей вводит новые проблемы управления и защиты. Несмотря на растущее доминирование MMC на основе IGBT, некоторые производители разработали прототипы MMC на основе GTO для очень высоких уровней мощности (превышая 1 ГВт), где более высокая пропускная способность тока GTO является выгодной.

Проектирование систем HVDC на основе GTO

Внедрение ГТО в систему ВВДЦ требует тщательного внимания к электрической, тепловой и механической конструкции для обеспечения надежной работы в течение десятилетий эксплуатации. В следующих разделах излагаются ключевые инженерные факторы, которые необходимо учитывать.

Gate Drive и Snubber Circuit Design

Затворный приводной блок (GDU) для GTO должен доставлять высокий пиковый ток (сотни ампер), чтобы быстро включить устройство и, что более важно, импульс обратного тока, чтобы выключить его. Процесс выключения особенно требователен: GDU должен извлекать отрицательный ток затвора, который обычно составляет одну пятую до одной трети анодного тока. Это требует соединений с низкой индуктивностью и источника питания, способного обеспечить быструю передачу энергии. Схемы Snubber, состоящие из резисторов, конденсаторов и диодов, размещаются по всем GTO, чтобы ограничить повышение напряжения во время выключения и обеспечить равное распределение напряжения между устройствами, подключенными к серии. Конструкция snubber должна сбалансировать подавление dv / dt с рассеиванием энергии; неэффективные конструкции могут значительно снизить общую эффективность системы.

Термический менеджмент

ГТО рассеивают значительное тепло во время переключения и проводимости, при этом температура перехода часто достигает 125°C при полной нагрузке. Эффективное управление температурой имеет решающее значение для предотвращения отказа устройства. Большие алюминиевые или медные радиаторы прикреплены непосредственно к упаковке ГТО, а для удаления тепла используется принудительное охлаждение воздуха или жидкости. В мощных клапанных стеках распространены деионизированные системы водяного охлаждения с теплообменниками. Передовые материалы термоинтерфейса (TIM) снижают контактное сопротивление между устройством и теплоотводом. Инженеры также должны учитывать тепловые циклические эффекты, поскольку долгосрочное расширение и сокращение могут ухудшить связь между кремниевой матрицей и ее корпусом. Правильные спецификации крутящего момента и периодическое обслуживание необходимы для долговечности.

Совместное использование и защита напряжения

Когда несколько ГТО соединены последовательно для блокирования высоких напряжений постоянного тока, небольшие изменения тока утечки и времени выключения могут вызвать неравномерное распределение напряжения. Статическое разделение напряжения достигается путем размещения высокоценных резисторов параллельно с каждым устройством, в то время как динамическое разделение во время переключения управляется сетями RC snubber. Защита от перенапряжения включает варисторы, диоды переключения (также известные как ломбарные устройства) и активные зажимные цепи, которые включают ГТО, если напряжение превышает безопасный порог. Запалы быстрого действия и высокоскоростные выключатели на уровне преобразователя станции обеспечивают резервную защиту от неисправностей короткого замыкания.

Стратегии управления для GTO-базированных преобразователей HVDC

Точный контроль за прорезыванием ГТО позволяет использовать передовые методы модуляции и регулирования, которые оптимизируют передачу мощности и стабильность сетки. Система управления должна генерировать импульсы затвора с точным временем, обычно синхронизированные с фазой сети переменного тока через фазовые зацикленные петли (PLL).

Методы пульсовой модуляции

Селективная гармоническая ликвидация (SHE) PWM обычно используется с VSC на основе GTO для минимизации гармоник низкого порядка при одновременном снижении потерь коммутации. В SHE углы коммутации предварительно рассчитываются для устранения конкретных гармоний на выходе преобразователя. Альтернативно, пространственно-векторная модуляция (SVM) обеспечивает лучшее использование напряжения шины постоянного тока и подходит для цифровой реализации. Частота коммутации поддерживается на низком уровне - обычно между 250 Гц и 1 кГц - для поддержания потерь коммутации GTO в управляемых пределах. Для каждого проекта должен оцениваться компромисс между гармонической производительностью и эффективностью.

Активный и реактивный контроль мощности

Изменяя амплитуду и фазовый угол выходного напряжения преобразователя относительно сетки, активная и реактивная мощность может управляться независимо. Эта способность является ключевым преимуществом VSC-HVDC по сравнению с LCC-HVDC. Система управления содержит внутренний токовый цикл, который регулирует токи оси dq (активный и реактивный) и внешний цикл, который управляет напряжением постоянного тока или активным потоком энергии. Стандартные пропорционально-интегральные (PI) регуляторы настроены на быстрое динамическое реагирование без перерасхода. Продвинутые методы, такие как модель предиктивного управления (MPC), изучаются для повышения производительности при сбоях сетки и слабых условиях системы переменного тока.

Fault Ride-Through и поддержка сетки

Современные сетевые коды требуют, чтобы системы HVDC оставались подключенными во время провисания напряжения и обеспечивали впрыск реактивного тока для поддержки сетки. Преобразователи на основе GTO могут достичь этого, потому что они самокоммутированы. Система управления должна обнаруживать состояние неисправности, уменьшать активный поток энергии (который может быть ограничен возможностью сверхтока линии постоянного тока) и впрыскивать реактивный ток в течение миллисекунд. Эта способность является причиной того, что VSC-HVDC часто используется для подключения оффшорных ветровых электростанций: преобразователь может поддерживать стабильную работу, даже если сетка переменного тока испытывает нарушения.

Проблемы реализации и стратегии смягчения

Несмотря на свои преимущества, GTO представляют собой несколько препятствий, которые инженеры должны преодолеть.

Gate Drive Сложность

Схема привода ворот для ГТО гораздо сложнее, чем у тиристора или IGBT. Требование к току высокого выключения требует пути привода ворот с низкой индуктивностью, высокой энергией. Волоконно-оптическая изоляция необходима для передачи сигналов ворот к высоковольтному потенциалу каждого устройства. Источник питания привода ворот должен быть получен из шины постоянного тока или вспомогательного источника, добавляя стоимость и количество компонентов. Современные цифровые драйверы ворот со встроенной диагностикой и государственным мониторингом смягчили некоторые из этих проблем, но остаются дорогими по сравнению с решениями драйверов IGBT.

Переключение потерь и эффективности

ГТО демонстрируют относительно высокие потери переключения, особенно в течение длительного периода выключения. Хвостовой ток — остаточный ток, который течет после основного импульса выключения — способствует значительному рассеиванию мощности. По этой причине ГТО обычно работают на более низких частотах переключения, чем IGBT. Разработчики системы должны выполнить подробный анализ потерь, часто используя инструменты электротермического моделирования, чтобы гарантировать, что система охлаждения может справиться с наихудшими потерями. На системном уровне общая эффективность станции HVDC на основе ГТО обычно составляет около 97-98%, немного ниже, чем системы на основе IGBT, но этот разрыв сужается с улучшенными конструкциями ГТО.

Расчеты расходов

Сами модули GTO дороги из-за большой площади кремниевых пластин и сложного производственного процесса. Однако для очень высоких текущих приложений (выше 2 кА на устройство) GTO могут быть более экономичными, чем параллелизация нескольких IGBT. Общая стоимость системы включает в себя не только полупроводники, но и приводы, шланги, охлаждение и управление. При амортизации в течение срока службы 30-летнего проекта HVDC системы GTO могут быть конкурентоспособными, особенно если альтернатива требует более сложных многоуровневых топологий.

Сравнение с IGBT и IGCT

Ландшафт мощных полупроводников значительно изменился с тех пор, как в 1980-х годах были впервые введены ГТО. Сегодня основными альтернативами являются IGBT (и их пресс-пакетные версии) и IGCT. Понимание компромиссов помогает инженерам выбирать лучшее устройство для конкретного приложения HVDC.

IGBT vs. GTO

Биполярные транзисторы с изолированными затворами (IGBT) доминировали в VSC-HVDC в течение последних двух десятилетий, в основном из-за их более простого привода затвора (управляемого напряжением против контролируемого током), более высоких частот переключения и простоты параллельного соединения. IGBT также имеют широкую безопасную рабочую зону и способность выдерживать короткое замыкание. Однако для приложений, требующих прерывания тока неисправности или чрезвычайной надежности в условиях короткого замыкания, пресс-пакеты IGBT (которые не работают с коротким замыканием) часто сравниваются с GTO. Высокое падение проводимости IGBT при высоких токах делает их менее эффективными, чем GTO при очень высоких значениях мощности. Последние модули IGBT с технологией траншейных затворов сократили этот разрыв, но для систем, превышающих 1 ГВт, GTO по-прежнему предлагают жизнеспособную альтернативу.

IGCT vs. GTO

Интегрированный гейт-коммутированный тиристор (IGCT) представляет собой гибрид, сочетающий в себе потерю низкой проводимости тиристора с возможностью жесткого переключения транзистора. IGCT интегрирует штамп GTO с цепью привода с низкой индуктивностью в одном пакете, что приводит к более быстрому выключению и более низким потерям переключения, чем обычный GTO. IGCT заменили GTO во многих промышленных приводах и преобразователях мощности среднего напряжения. Для HVDC IGCT оцениваются в топологиях MMC, поскольку они предлагают более высокую плотность тока и лучшую надежность, чем IGBT в последовательном соединении. Некоторые производители теперь производят модули IGCT 4,5 кВ/3 кА, специально предназначенные для приложений HVDC.

Реальные приложения и тематические исследования

Чтобы понять практическую реализацию ГТО в ГВДЦ, полезно изучить известные проекты.

Готландский HVDC Light (1997)

Один из самых ранних проектов VSC-HVDC, Готландская линия HVDC в Швеции, использовала IGBT, но многие последующие проекты в начале 2000-х приняли GTO из-за их более высокого рейтинга напряжения. ABB (теперь Hitachi Energy) Преобразовательные платформы на основе GTO питали несколько обратных связей и морских ветровых соединений. Например, кабель Cross-Sound между Коннектикутом и Лонг-Айлендом (США) использует систему VSC-HVDC с клапанами GTO, оцененными в 330 МВт, ±150 кВ. Система работает с 2002 года, демонстрируя долгосрочную надежность технологии GTO.

Проект испытаний HVDC в Шаньдуне (2018)

В Китае Государственная сетевая корпорация Китая протестировала гибридную преобразовательную станцию LCC-VSC с включающими VSC на основе GTO для компенсации реактивной мощности. Проект успешно подтвердил использование GTO в сочетании с LCC на основе тиристора для улучшения регулирования напряжения во время неисправностей. Результаты были опубликованы в IEEE Transactions on Power Delivery.

Будущие тенденции в технологии GTO для HVDC

Хотя в последнее время не было объявлено ни о каких крупных новых проектах HVDC на основе ГТО, текущие исследования направлены на повышение эффективности ГТО и продление срока их эксплуатации.

Силиконовый карбид (SiC)

Устройства из карбида кремния обещают более низкие потери переключения и более высокую температуру работы. Прототипы SiC GTO с напряжением пробоя выше 10 кВ были продемонстрированы в лабораторных условиях. Если коммерциализация увенчается успехом, SiC GTO могут конкурировать с кремниевыми IGBT с точки зрения частоты при сохранении низких потерь проводимости, потенциально оживляя интерес к преобразователям на основе GTO для передачи постоянного тока сверхвысокого напряжения.

Передовые системы охлаждения

Новые технологии охлаждения, такие как двухфазное погружение охлаждения и микроканальные радиаторы, могут снизить тепловое сопротивление и позволить повысить плотность мощности. Эти решения изучаются для существующих клапанов ГТО для повышения их мощности без замены всей преобразовательной станции.

Цифровой близнец и прогнозное обслуживание

Развертывание волоконно-оптических датчиков и аналитика данных позволяет контролировать состояние клапанов ГТО. Отслеживая температуру перехода, переключая напряжения и токи, операторы могут прогнозировать деградацию устройства и планировать техническое обслуживание проактивно. Такой подход уменьшает вынужденные отключения и продлевает срок службы компонентов.

Заключение

Гиристоры Gate Turn-Off Thyristors сыграли основополагающую роль в эволюции передачи VSC-HVDC. Их способность переключать высокие напряжения и токи с полной управляемостью позволила разработать самокоммутируемые преобразователи, которые произвели революцию в передаче энергии на большие расстояния и интеграции в сети. Хотя IGBT и IGCTs в значительной степени вытеснили GTO в новых проектах, GTO остаются в эксплуатации во многих установках по всему миру и продолжают оставаться жизнеспособным вариантом для приложений с очень высокой мощностью, где ценятся их прочность и проверенный послужной список. Инженеры, проектирующие новые системы HVDC, должны взвешивать преимущества GTO - высокая пропускная способность тока, низкие потери проводимости и установленная надежность - против проблем сложных воротных приводов, более высокие потери коммутации и снижение доступности новых модулей GTO. По мере исследований в широкополосных материалах и продвинутом охлаждении роль GTO может развиваться, но их наследие как краеугольный камень современной технологии HVDC безопасно.