Применение тиристоров в системах возобновляемой энергии и солнечной энергии

Оригинальное название: Thyristors: The Workhorses of Power Electronics

Тиристоры представляют собой семейство полупроводниковых устройств, которые функционируют как электронные переключатели, способные управлять большими объемами электроэнергии с высокой эффективностью. Впервые разработанные в конце 1950-х годов, эти четырехслойные трехконтактные устройства (PNPN) стали незаменимыми в силовой электронике. Базовый тиристор, также известный как кремниевый выпрямитель (SCR), остается наиболее широко используемым типом для приложений с высокой мощностью. Другие члены семейства тиристоров включают TRIAC (двунаправленный для управления переменным током), тиристоры с разворотом (GTO) и интегрированные тиристоры с разворотом (IGCTs). Каждый вариант предлагает различные характеристики, такие как возможности включения и выключения, возможности блокировки напряжения, которые соответствуют конкретным требованиям к возобновляемой энергии. Тиристоры могут обрабатывать токи от нескольких ампер до нескольких килоампер и напряжения до тысяч вольт, что делает их идеальными для требовательных сред солнечных, ветровых и гидроэнергетических систем. Их прочная конструкция, относительно низкая стоимость и доказанная надежность закрепили их роль в качестве

Применение в системах солнечной энергии

Солнечные фотоэлектрические (PV) массивы производят электричество постоянного тока (DC), но большинство нагрузок и электрическая сеть работают на переменном токе (AC). Преобразование постоянного тока в переменный ток с высокой эффективностью и надежностью является основной областью тиристоров в солнечной энергии. Помимо простой инверсии, тиристоры позволяют использовать передовые стратегии управления, которые максимизируют сбор энергии и защищают оборудование.

Инверторы Grid-Tied и Off-Grid

В инверторах с сеткой тиристоры используются на этапах мощности для преобразования переменного выходного сигнала постоянного тока солнечных панелей в стабильную форму волны переменного тока, синхронизированную с энергосистемой. Их быстрые скорости переключения (микросекунды на наносекунды) позволяют контролировать импульсно-широтную модуляцию (PWM), которая формирует выход переменного тока для соответствия напряжению сетки, частоте и фазе. Современные инверторы часто используют IGBT (биполярные транзисторы с изолированными вратами) для высокочастотного переключения, но тиристоры остаются преобладающими в мощных (выше 500 кВт) центральных инверторах и в конкретных топологиях, таких как принудительно коммутированные или резонансные преобразователи. Для автономных систем инверторы на основе тиристора также обеспечивают стабильное напряжение переменного тока для локальных нагрузок. Способность обрабатывать высокие токи перенапряжения во время запуска двигателя или переходных нагрузок делает тиристоры надежным выбором для удаленных, суровых экологических установок.

Максимальное отслеживание точек питания (MPPT)

Солнечное излучение и температура постоянно колеблются, вызывая оптимальное рабочее место (максимальная точка питания) фотоэлектрической матрицы для сдвига. Тиристоры являются неотъемлемой частью схем MPPT, которые динамически регулируют электрическую рабочую точку панелей. Быстро переключая преобразователь DC-DC (например, тиристор, бустер или топология бака), которая использует тиристор в качестве переключающего элемента, система заставляет фотоэлектрическую матрицу работать на своей МПП. Это максимизирует энергию, извлекаемую при различных условиях, повышая общую эффективность системы на 20-30% по сравнению с работой с постоянным напряжением. Контроллеры MPPT на основе тиристора особенно распространены в крупных коммерческих и коммунальных солнечных фермах из-за их способности обрабатывать высокие токи и выдерживать всплески напряжения, которые происходят во время переходов облачного покрова или частичного затенения.

Контроллеры зарядки и управление батареями

В солнечных системах с аккумуляторным хранилищем тиристоры служат основными переключающими элементами, отвечающими за контроллеры зарядки. Они регулируют ток зарядки для предотвращения перезарядки и глубокого разряда, продлевая срок службы батареи. Тиристор серии может включаться, когда напряжение батареи падает ниже заданной точки и выключается (естественно коммутируя ток до нуля), когда батарея заполнена. Для более сложной многоступенчатой зарядки (налив, поглощение, поплавок) контроллеры PWM на основе тиристора обеспечивают точное регулирование напряжения и тока. Высокая способность тока прилива тиристоров также позволяет им обрабатывать ток при зарядке больших батарейных банков из глубоко разряженного состояния, сценарий, который уничтожит меньшие транзисторы.

Защитные схемы и обнаружение вины Arc

Тиристоры используются в качестве ломовых устройств в цепях защиты от перенапряжения. Если возникает состояние неисправности, такое как удар молнии или переходный момент сетки, тиристор может быть спровоцирован для короткого замыкания шины постоянного тока, зажимая напряжение до безопасного уровня и направляя ток неисправности на землю. Это защищает чувствительную электронику, такую как инверторы и контроллеры MPPT. Кроме того, тиристоры используются в системах обнаружения дуговых неисправностей и прерывания: когда опасная дуга обнаруживается в электропроводке PV, тиристор может быть запущен для создания преднамеренного короткого, тушения дуги путем снижения напряжения по ней. Эта функция безопасности все чаще предписывается электрическими кодами для жилых и коммерческих солнечных установок.

Применение энергии ветра

Ветровые турбины генерируют переменную частоту переменного напряжения переменного тока из-за изменения скорости ветра. Тиристоры являются ключевыми компонентами в силовой электронике, которые преобразуют этот дикий переменный ток в устойчивую мощность, совместимую с сетью.

Преобразователи мощности для турбин переменного скоростного ветра

Современные ветрогенераторы с переменной скоростью используют ветрогенератор с двойным питанием (DFIG) или полноконвертерную систему. В системах DFIG тиристоры используются в роторном преобразователе для управления токами ротора, что позволяет работать с переменной скоростью при сохранении постоянной частоты статора. Преобразователь обычно использует IGBT для высокочастотного переключения, но тиристоры по-прежнему используются в цепи защиты ломов. Если разлом сетки вызывает падение напряжения, токи ротора могут перетекать на опасные уровни. Тиристорная ломка срабатывает для короткого замыкания обмоток ротора, защиты электроники конвертера и пропускания турбины через разлом. Для полноконвертерных систем (используемых в бесколесных, постоянных магнитных синхронных генераторах), тиристоры появляются в стадии выпрямителя AC-DC на стороне генератора. Линейные коммутированные тиристорные выпрямители обрабатывают высокие токи и напряжения с низкими потерями проводимости, что делает их пригодными для многомегаваттных турбин

Мягкие стартеры для индукционных генераторов

В старых ветровых турбинах с фиксированной скоростью с генераторами индукции белки-клетки прямое подключение к сетке вызовет большой ток впуска (до 6-7 раз номинального тока) и сильный переходный момент крутящего момента, который может повредить коробку передач. Мягкие стартеры на основе тиристора постепенно увеличивают напряжение, приложенное к генератору, ограничивая ток впуска до 1,5-2 раз номинального. Управляя углом стрельбы тиристоров назад-назад в каждой фазе, стартер плавно соединяет генератор с сеткой в течение нескольких секунд. Это уменьшает механическое напряжение и предотвращает падение напряжения на локальной сетке. Как только генератор достигает синхронной скорости, обходной контактор замыкается на короткое замыкание тиристоров и устраняет их потери проводимости во время нормальной работы.

Реактивная компенсация мощности и стабильность сети

Ветровые электростанции часто требуют динамической компенсации реактивной мощности для поддержания напряжения в пределах сетки. Реакторы с тиристорным управлением (TCR) и конденсаторы с тиристорным переключением (TSC) развернуты в составе SVC. TCR используют тиристорные клапаны для изменения эффективной индуктивности реактора путем управления углом стрельбы, обеспечивая непрерывное поглощение реактивной мощности. TSC вводят и выводят конденсаторы с использованием тиристорных переключателей, которые могут работать в течение одного цикла, предлагая быструю емкостную компенсацию. Эти системы помогают ветровым электростанциям соответствовать кодам сетки, которые требуют быстрого реагирования реактивной мощности, особенно во время событий с низким напряжением. Высокая надежность и длительный срок службы тиристоров (более 20 лет в приложениях SVC) делают их экономичными для этих установок в масштабе полезности.

Управление гидроэлектроэнергией

Гидроэлектростанции, особенно с накачиваемым хранилищем, полагаются на технологию тиристора для эффективного преобразования энергии и синхронизации сети.

Синхронные системы против статических систем возбуждения

Крупные гидрогенераторы используют возбуждение поля для управления напряжением генератора и реактивной мощностью. Традиционные возбудители используют вращающиеся генераторы постоянного тока (синхронные возбудители), но статические системы возбуждения с использованием тиристорных выпрямителей в настоящее время стандартны. В статическом возбудителе тиристорный мост выпрямляет выход переменного тока из терминалов генератора (или отдельного источника) для обеспечения тока поля постоянного тока. Путем регулировки угла тиристорной стрельбы ток поля может быть точно отрегулирован, что позволяет быстро управлять напряжением и улучшать переходную стабильность. Статические возбудители реагируют в миллисекундах, намного быстрее, чем механические регуляторы, и они устраняют техническое обслуживание, связанное с вращающимися коммутаторами и щетками.

Переменные-частотные стартеры для накачанного хранения

Накачиваемые накопительные гидроэлектростанции используют обратимые насосные турбины, которые могут генерировать электричество или накачивать воду в верхний резервуар. Для запуска режима насоса требуется привод переменной частоты для ускорения двигателя / генератора от остановки до синхронной скорости до синхронизации с сеткой. Циклоконверторы на основе тиристора или коммутированные инверторы (LCI) используются для этих приложений с высокой мощностью (100-400 МВт). Циклоконверторы используют естественно коммутированные тиристоры для прямого преобразования частоты переменного тока в более низкую переменную частоту для двигателя, предлагая высокую эффективность и надежность. Нагрузочные коммутированные инверторы используют тиристоры в топологии источника тока, полагаясь на обратный торможение двигателя с минимальным гармоническим искажением. Эти приводы обеспечивают плавную, высокоточную работу, позволяющую эффективно накачивать работу хранения, которая поддерживает балансировку сетки и интеграцию возобновляемых источников энергии.

Интеграция сеток: HVDC и FACTS

Массовая передача возобновляемой энергии из отдаленных мест (оффшорные ветряные электростанции, большие солнечные парки в пустынях) часто требует линий постоянного тока высокого напряжения (HVDC). Тиристорные клапаны являются ядром систем HVDC с коммутацией линий (LCC), которые были рабочей лошадкой передачи электроэнергии на большие расстояния в течение десятилетий. В станции LCC HVDC стопки последовательно связанных тиристоров образуют преобразовательные клапаны, которые исправляют переменный ток в DC на передающем конце и инвертируют DC обратно в переменный ток на приемном конце. Тиристоры охлаждаются водой или принудительным воздухом и срабатывают оптически, чтобы выдерживать высокие напряжения (около 0,6% на станцию) и способность передавать энергию на тысячи километров. В то время как более новый преобразователь источника напряжения (VSC) HVDC с использованием IGBTs набирает силу для приложений с более низкой мощностью, LCC на основе тиристора остается предпочтительным выбором для сыпучих сил (более 1000 МВт) из-за его более низкой стоимости и более высокой емкости.

Гибкие системы передачи переменного тока (FACTS) также в значительной степени зависят от тиристоров. Статические компенсаторы переменного тока (SVC), объединяющие TCR и TSC, используются для стабилизации напряжения в точке соединения возобновляемых установок. Контролируемые тиристором серийные конденсаторы (TCSC) могут динамически регулировать реактивность линий передачи, увеличивая способность передачи мощности и демпфируя колебания мощности. Эти устройства на основе тиристора обеспечивают гибкость сетки, необходимую для размещения переменной выходной мощности ветра и солнечной генерации.

Преимущества и ограничения использования тиристоров в возобновляемых системах

Ключевые преимущества

Проблемы и ограничения

Несмотря на свои преимущества, тиристоры имеют ограничения, которые должны учитывать инженеры. Управление тиристорами ограничено: , как только запускается обычная SCR, она защелкивается и может быть выключена только путем уменьшения тока ниже порога удержания (коммутация). Потери переключения могут быть значительными на высоких частотах (выше нескольких кГц), поэтому IGBT являются предпочтительными для современных инверторов PWM, работающих на частоте 10-20 кГц. Сложность привода ворот увеличивается в высоковольтных приложениях, потому что затворные цепи должны быть изолированы от основного пути питания и часто требуют импульсного оптического или волоконно-оптического запуска, чтобы обеспечить одновременное включение последовательно связанных тиристоров. Термическое управление имеет решающее значение: тиристоры генерируют тепло во время проводим

Будущие тенденции: Тиристоры в меняющемся ландшафте власти

Сектор возобновляемой энергии быстро развивается, с широкополосными полупроводниками, такими как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN), обещающими еще более высокую эффективность и скорости переключения. В то время как SiC MOSFETs и GaN HEMTs будут все больше вытеснять IGBTs в инверторах до нескольких сотен киловатт, тиристоры остаются конкурентоспособными в диапазоне нескольких мегаватт. IGCTs (Integrated Gate-Commutated Thyristors) являются современным производным, которое сочетает в себе низкие потери проводимости тиристора с полной возможностью выключения через привод с низкой индукцией. IGCTs принимаются в преобразователях ветряных турбин и накопителях среднего напряжения, предлагая более высокую плотность мощности, чем модули IGBT. Bi-mode Insulated Gate Transistors (BIGTs) и другие гибридные устройства стремятся объединить лучшие свойства тиристоров и

Заключение

Тиристоры — это гораздо больше, чем унаследованные компоненты; они являются активными активаторами глобального перехода на возобновляемую энергию. От инверторов и контроллеров MPPT в солнечных батареях до преобразователей мощности и мягких стартеров в ветровых турбинах и от статических систем возбуждения в гидроэлектростанциях до клапанов HVDC, которые соединяют отдаленные возобновляемые ресурсы с центрами нагрузки, тиристоры обеспечивают высокоэффективное, высоконадежное переключение мощности, которое требуют современные энергетические системы. Их способность обрабатывать экстремальные напряжения и токи с низкими потерями напрямую поддерживает масштабируемость и экономическую жизнеспособность возобновляемых проектов. По мере развития технологий производные тиристора следующего поколения, такие как IGCT и потенциально широкополосные тиристоры, будут продолжать расширять границы производительности. Инженеры и системные дизайнеры, которые осваивают применение тиристоров, будут хорошо оснащены для создания устойчивой, устойчивой энергетической сети завтрашнего дня. Для дальнейшего чтения на основах тиристора см. статью в Википедии о тиристорах.