Использование тиристоров в производстве энергии ветра для сетевых инверторов

Тиристоры в ветроэнергетике: полупроводниковая магистраль инверторов, подключенных к сети

Ветроэнергетика стала краеугольным камнем глобального перехода на возобновляемые источники энергии, обеспечивая все большую долю электроэнергии в сетях по всему миру. В основе каждой современной ветряной турбины лежит система преобразования энергии - инвертор, подключенный к сети. Эта критическая подсистема превращает переменный частотный переменный ток (AC), производимый турбогенератором, в стабильный, синхронизированный по сети выход переменного тока. В то время как многие конструкции инвертора полагаются на IGBT или MOSFET для переключения, тиристоры остаются жизненно важным компонентом, особенно в мощных высоковольтных приложениях. Их уникальные свойства - высокая номинальная мощность тока и напряжения, надежность и экономическая эффективность - делают их незаменимыми для конкретных функций в инверторах энергии ветра.

Понимание основ Тиристора

Тиристор представляет собой четырехслойное трехконтактное полупроводниковое устройство, которое действует как бистабильный переключатель. Он имеет три терминала: анод, катод и затвор. В отличие от транзистора, который может быть выключен путем удаления базового привода, тиристор, однажды спровоцированный в проводимость импульсом затвора, остается зажатым в состоянии, пока анодный ток превышает минимальное значение, известное как удерживающий ток. Это защелкивание дает тиристорам их отличительную характеристику: они могут обрабатывать огромные токи накачки и напряжения с минимальной мощностью затвора. Наиболее распространенным типом является тиристор с кремниевым управлением (SCR), но варианты, такие как тиристоры с выключателем затвора (GTO), интегрированные тиристоры с коммутацией затвора (IGCTs) и тиристоры с выключателем излучателя (ETOs), расширили диапазон применения в более высокочастотные, управляемые домены выключения.

В ветроэнергетических системах способность блокировать высокие обратные напряжения и проводить тысячи ампер делает тиристоры идеальными для стадии выпрямителя, цепей защиты ломов и даже инверторной стадии в некоторых топологиях.Их простота и прочность контрастируют с более сложными устройствами, предлагая надежность в суровой тепловой и механической среде гондолы ветряной турбины.

Роль тиристоров в инверторах ветровой энергии

Инверторы, подключенные к сети для ветровых турбин, поставляются в двух основных архитектурах: инверторы с источником напряжения (VSI) и инверторы с источником тока (CSI). В VSI, которые доминируют в современных конструкциях, тиристоры редко используются в качестве основных переключающих элементов, потому что у них нет возможности самовыключения. Вместо этого IGBT предпочтительнее для их способности включать и выключать через сигнал ворот. Однако тиристоры - особенно в форме IGCT - играют значительную роль в топологиях CSI и в конкретных вспомогательных схемах в системах VSI.

Инвертор источника тока (CSI) топологии

В CSI линия постоянного тока представляет собой большой индуктивный элемент, который поддерживает постоянный ток. Тиристоры, естественно, подходят для этой топологии, потому что они могут коммутировать естественно, когда боковое напряжение переменного тока изменяется, и они эффективно обрабатывают ток высокого постоянного тока. Ветровые инверторы CSI часто используют симметричные коммутированные тиристоры (SGCT) или IGCT для достижения необходимой частоты переключения при сохранении потерь низкой проводимости. Эти инверторы обеспечивают внутреннюю защиту короткого замыкания и синусоидальные выходные токи, снижая требования к фильтрации. Хотя CSI потерял долю рынка VSI из-за более низкой стоимости и более простого управления, CSI остается конкурентоспособным для многомегаваттных турбин, где надежность и эффективность при полной нагрузке имеют первостепенное значение.

Линейно-коммутированные инверторы Thyristor

Для очень крупных ветровых электростанций, подключенных при напряжениях передачи (обычно выше 100 МВт), линейно-коммутированные тиристорные преобразователи (LCC) используются в передаче постоянного тока высокого напряжения (HVDC). В этой конфигурации тиристорные клапаны - последовательно уложенные SCR - формируют преобразовательные мосты, которые выпрямляют выход переменного тока ветровой электростанции в HVDC для подводных или наземных кабелей дальнего действия. На приемном конце тиристорный мост инвертирует постоянного тока обратно в переменный ток синхронно с сеткой. Внутренняя простота и высокая эффективность тиристоров LCC-HVDC в сочетании с чрезвычайно высоким напряжением и током тиристоров (до 8,5 кВ и 4 кА на устройство), делают эту технологию рабочей лошадкой передачи сыпучих ветров. IEEE Power & Energy Society документы подчеркивают, что HVDC на основе LCC остается наиболее проверенным решением для подключения удаленного морского ветра к

Защита и вспомогательные схемы

Даже в ветровых турбинах на основе VSI тиристоры широко используются в цепях ломов. Во время разломов сетки или сильных перенапряжений тиристорный лом может коротко замыкать линию постоянного тока, отводя энергию от чувствительных IGBT и предотвращая разрушение. Способность тиристора обрабатывать высокие токи скачка в течение нескольких миллисекунд без повреждений делает его идеальным для этой роли. Аналогично, статические VAR-компенсаторы на основе тиристора иногда развертываются на уровне турбины или фермы для обеспечения поддержки реактивной мощности, хотя STATCOM, использующие IGBT, постепенно заменяют их из-за более быстрого реагирования.

Синхронизация и переключение сетей

Тиристоры также используются в мягком пуске для генераторов ветряных турбин. При запуске выход генератора подключается к сетке через тиристорный контроллер напряжения, который постепенно увеличивает напряжение, уменьшая ток впуска и механическое напряжение. Эти мягкие пускатели используют фазово-уголовое управление для плавной синхронизации выходной мощности турбины с сеткой перед закрытием основного контактора. В то время как мягкие пусковые установки менее распространены с современными полноконвертерными турбинами (где сам инвертор обрабатывает синхронизацию), они все еще встречаются в старых конструкциях фиксированной скорости или частичной конверсии.

Преимущества тиристоров в системах ветровой энергии

Тиристоры предлагают несколько различных преимуществ, которые обеспечивают их дальнейшее использование в ветроэнергетических инверторах и связанном с ними оборудовании:

• Высоковольтная и токовая возможности: Отдельные тиристоры могут блокировать до 8,5 кВ и проводить более 5000 А, с последовательной укладкой, позволяющей еще более высокие напряжения. Это позволяет прямое подключение к сетям среднего напряжения (MV) без повышающих трансформаторов в некоторых случаях, снижая общую стоимость системы.
• Низкое падение напряжения в состоянии: После защелкивания тиристор демонстрирует очень низкое падение напряжения вперед (около 1-2 В), что означает, что потери проводимости минимальны по сравнению с IGBT или MOSFET, особенно при высоких токах. Это приводит к более высокой эффективности в приложениях, где устройство включено на протяжении большей части цикла, например, в выпрямительных мостах или передаче HVDC.
• Обработка тока с нарастанием: Тиристоры могут выдерживать экстремальные токи с нарастанием (до 10 раз превышающие их номинальный ток) в течение коротких периодов времени, что делает их идеальными для цепей защиты и обработки неисправностей. Эта прочность снижает необходимость в сложных схемах защиты от тока.
• Экономичность: Для мощных приложений тиристоры значительно дешевле на ампер, чем IGBT или другие самокоммутирующие устройства. Это преимущество в стоимости особенно выражено в многомегаваттных турбинах и преобразователях HVDC, где используются сотни устройств.
• Надежность и долговечность: Тиристоры имеют проверенный опыт работы в суровых промышленных условиях, включая морские ветряные электростанции, в течение десятилетий. Их более простые требования к приводу ворот (только короткий импульс для включения) и отсутствие тонкого слоя оксида ворот способствуют их надежности.

Эти преимущества хорошо документированы в отраслевых ресурсах, таких как Приложения Thyristor Infineon, которые подчеркивают роль тиристоров в возобновляемых источниках энергии и промышленных двигателях.

Проблемы и ограничения

Несмотря на свои сильные стороны, тиристоры представляют несколько проблем, которые инженеры должны решать при разработке ветровых инверторов:

Отсутствие способности к самообслуживанию

Базовые SCR не могут быть выключены через затвор. Они требуют, чтобы анодный ток опускался ниже удерживающего тока - либо через естественную коммутацию (в цепях переменного тока) или принудительную коммутацию (в цепях постоянного тока). Принудительная коммутация добавляет сложность и потери, делая основные тиристоры менее подходящими для высокочастотных PWM-инверторов. ГТО и IGCT решают эту проблему, позволяя отключение с контролируемым затвором, но за счет более высокой мощности привода затвора и более сложной схемы.

Ограниченная частота переключения

Даже продвинутые тиристоры, такие как IGCT, обычно ограничены частотами переключения нескольких сотен герц для приложений с высокой мощностью. Это намного ниже, чем IGBT, которые могут переключаться на частоте 1-10 кГц в том же диапазоне мощности. Низкая частота переключения приводит к более высокому гармоническому содержанию в выходной форме волны, что требует более крупных и более дорогих пассивных фильтров для удовлетворения кодов сетки (IEEE 519, IEC 61000).

Гармоническое искажение и фильтрация потребностей

Линейно-коммутированные тиристорные преобразователи генерируют значительные гармоники — в частности, 5-й, 7-й, 11-й и 13-й порядки. Эти гармоники могут вызывать нагревание в трансформаторах, помехи в системах связи и нестабильность, если не фильтруются должным образом. В то время как 12-импульсные и более высокие конфигурации импульсов уменьшают гармоники, они также увеличивают количество тиристорных клапанов и сложность. Напротив, PWM-инверторы на основе IGBT производят гармоники на гораздо более высоких частотах, которые могут быть фильтрованы с меньшими, более легкими компонентами — критическое преимущество в ограниченных по пространству гондолах.

Реактивное потребление энергии

Линейно-коммутированные инверторы потребляют реактивную мощность (фактор запаздывания мощности), если не предусмотрена дополнительная компенсация. Для этого требуются конденсаторы банков или STATCOM, добавляющие стоимость и площадь. Для современных сетевых кодов, требующих нулевой или даже ведущей поддержки реактивной мощности, VSI-инверторы на основе IGBT превосходят, поскольку они могут самостоятельно управлять реальной и реактивной мощностью.

Термический менеджмент

Тиристоры в мощных приложениях генерируют значительное тепло, особенно во время проводимости. Правильное охлаждение - с использованием принудительного воздуха, жидкого охлаждения или систем тепловых труб - необходимо для поддержания температуры соединения ниже 125 ° C. В морских ветряных турбинах доступ к техническому обслуживанию ограничен, поэтому системы управления теплом должны быть высоконадежными и отказоустойчивыми.

Интеграция с современными полупроводниками

Современные конструкции ветровых инверторов часто используют гибридные топологии, которые объединяют тиристоры с IGBT или SiC MOSFET для использования сильных сторон каждого. Например, стадия выпрямителя может использовать тиристоры для преобразования переменного тока / постоянного тока с низкими потерями, в то время как секция инвертора на основе IGBT обрабатывает высокочастотную PWM для межсетевого соединения. Однако управление взаимодействием между этими устройствами, такими как напряжение dv / dt и коммутационная индуктивность, требует тщательного проектирования и моделирования. Растущее внедрение устройств SiC и GaN для турбин с более низкой мощностью (ниже 2 МВт) также подталкивает тиристоры к нишевым приложениям с высокой мощностью.

Сравнение с IGBT: стратегический компромисс

На рынке ветроэнергетических инверторов преобладают IGBT для турбин мощностью менее 5 МВт, где наиболее важны частота переключения, гибкость управления и общий размер системы. Для турбин мощностью свыше 5 МВт (особенно на шельфе) IGCT и преобразователи на основе тиристора становятся конкурентоспособными из-за более низких потерь проводимости и более высоких оценок тока. В таблице ниже приведены ключевые компромиссы:

Выбор между инверторами на основе тиристора и IGBT зависит от рейтинга турбин, напряжения подключения к сети, гармонических ограничений и доступности обслуживания. Для оффшорных многомегаваттных турбин, подключенных через HVDC, тиристоры остаются четким выбором. Исследования Министерства энергетики США показывают, что по мере расширения морского ветра до более крупных турбин, преобразователи на основе тиристора будут продолжать оптимизироваться вместе с решениями IGBT.

Будущие тенденции в технологии тиристора и инвертора для ветроэнергетики

Карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN)

Полупроводники с широким диапазоном пропускания входят в пространство ветрового инвертора, первоначально для вспомогательных турбин с более низкой мощностью и в конечном итоге для основного преобразования мощности. SiC MOSFET и JFET могут переключаться быстрее, чем IGBT, и с более низкими потерями, но их текущие рейтинги (ниже 2 кА для высоковольтных устройств) ограничивают их турбинами мощностью до 5 МВт. Для самых высоких уровней мощности технология тиристора развивается с материалами SiC. Исследователи продемонстрировали, что тиристоры суперперехода SiC обещают еще более низкие потери проводимости и более высокую температуру работы. Однако коммерческое внедрение по крайней мере через пять-десять лет для многомегаваттных ветровых применений.

Гибридные преобразователи

Следующее поколение ветроэнергетических инверторов, вероятно, объединит тиристоры, IGBT и SiC-устройства в гибридных архитектурах. Например, матричный преобразователь на основе тиристора может обеспечить высокую эффективность, в то время как небольшой IGBT или SiC-преобразователь обрабатывает гармоническое аннулирование и управление реактивной мощностью. Такие гибриды стремятся захватить лучшее из каждого устройства: низкие потери тиристоров в состоянии и быстрое переключение современных устройств. Исследовательские работы IET исследовали интегрированные модули тиристора с коммутацией ворот (IGCT), которые включают в себя схемы снуббера и блоки привода ворот в одном пакете, упрощая конструкцию конвертера.

Цифровые близнецы и прогнозное обслуживание

По мере того, как преобразователи на основе тиристора становятся все более совершенными, применяется технология цифровых двойников для мониторинга температуры перехода, прогнозирования тепловой усталости от езды на велосипеде и оптимизации углов затвора в режиме реального времени. Это повышает надежность и уменьшает незапланированные простои для морских турбин, где затраты на техническое обслуживание высоки.

Модульные многоуровневые преобразователи (MMC)

Для ветропарков, подключенных к HVDC, модульные многоуровневые преобразователи (MMC) с использованием полумостовых или полномостовых подмодулей набирают тягу. В то время как MMC обычно использует IGBT, исследователи изучают субмодули на основе тиристора, которые предлагают более низкие потери и более высокую эффективность для очень высоких уровней напряжения. Компромисс заключается в более медленном переключении, но для приложений HVDC с низкими частотами модуляции это может быть приемлемым.

Заключение

Тиристоры не являются реликтом прошлого в ветроэнергетике; они развиваются и остаются необходимыми для мощных инверторов, подключенных к сети, особенно в крупных турбинах и передаче HVDC. Их способность обрабатывать экстремальные уровни напряжения и тока с минимальными потерями проводимости делает их незаменимыми в инверторах с током и контурами защиты. В то время как IGBT доминируют на основном рынке турбин ниже 5 МВт, достижения в IGCT, гибридных преобразователях и тиристорах SiC гарантируют, что технология тиристора продолжает играть жизненно важную роль в ландшафте возобновляемых источников энергии. Инженеры, выбирающие топологии инвертора, должны взвешивать компромиссы стоимости, эффективности, гармонической производительности и надежности - решение, которое будет все чаще включать сочетание полупроводниковых технологий, работающих согласованно.

По мере того, как ветровая энергия будет расширяться для достижения глобальных целей декарбонизации, скромный тиристор останется тихим, но критически важным партнером в преобразовании энергии ветра в пригодную для использования электроэнергию для сети. Его надежность и проверенная надежность в самых суровых условиях мира гарантируют, что он будет частью энергетического перехода на десятилетия вперед.