Введение в преобразование энергии на основе ГТО в ветровых фермах

Ветроэнергетика стала доминирующей силой в глобальном переходе на возобновляемую электроэнергию. Способность надежно преобразовывать непредсказуемую мощность, генерируемую ветряными турбинами, в сетчато-совместимую переменный ток (AC) зависит от передовой силовой электроники. Среди различных полупроводниковых технологий, используемых тиристорами Gate Turn-Off (GTO), вырезана критическая ниша, особенно в крупномасштабных ветряных турбинных фермах. Эти устройства сочетают в себе высокое напряжение и ток с контролируемой способностью выключения, которой не хватает более простым тиристорам, что делает их хорошо подходящими для требовательных условий преобразования энергии ветра в масштабе полезности. В этой статье рассматриваются принципы работы, приложения, преимущества, проблемы и будущие перспективы систем преобразования энергии на основе GTO в ветряных электростанциях.

Основы поворота ворот от тиристоров

Тиристор с вращением врат — это полупроводниковое переключающее устройство, которое имеет ту же базовую структуру, что и обычный тиристор (p-n-p-n слои), но добавляет ключевое новшество: возможность отключаться путем применения импульса отрицательного тока затвора. В стандартном тиристоре, однажды сработавшем в проводимость, устройство остается зажатым до тех пор, пока анодный ток не упадет ниже удерживающего тока. ГТО, однако, могут быть вынуждены в блокирующее состояние, вытягивая обратный ток из затвора, предлагая уровень управления, ранее зарезервированный для силовых транзисторов, таких как IGBT. Эта возможность выключения позволяет ГТО работать в принудительно коммутированных цепях, позволяя им эффективно функционировать в инверторах и вертолетах без громоздких внешних коммутационных компонентов.

Историческое развитие технологии GTO

Тиристоры GTO были впервые введены в 1970-х и 1980-х годах как эволюция стандартного тиристора, ориентированного на приложения, где требовалось контролируемое выключение, но где по-прежнему требовались высокие напряжения и токовые рейтинги тиристоров. Ранние GTO страдали от высоких требований к коэффициенту усиления выключения и ограниченных безопасных рабочих областей, но улучшения в структуре затвора (например, межцифровая конструкция затвора) и производственные процессы неуклонно увеличивали производительность. К 1990-м годам GTO стали устройством выбора для мощных приводов двигателей, статических компенсаторов VAR и больших источников бесперебойного питания, и они нашли естественное применение на развивающемся рынке ветряных турбин, где требовались многомегаваттные преобразователи.

GTO против традиционных тиристоров и IGBT

По сравнению с традиционными тиристорами (SCR), GTO устраняют необходимость в принудительных коммутационных схемах, уменьшая размер системы, вес и количество компонентов. Это выгодно в гондолах ветряных турбин, где ограничено пространство. Против биполярных транзисторов с изолированными воротами (IGBTs), GTO имеют явные преимущества при очень высоком напряжении и уровнях тока (выше 3 кВ и 2 кА на устройство). IGBT обычно доминируют в приложениях среднего напряжения (до нескольких сотен кВт до нескольких МВт), но GTO могут обрабатывать десятки мегаватт с меньшим количеством последовательных параллельных соединений. Однако IGBTs предлагают более простые приводы ворот, более низкие потери переключения на скромных частотах и более высокий иммунитет к DV / DT. GTO обычно демонстрируют более высокое падение напряжения на состоянии и требуют более сложных схем выключения для управления напряжением выключения. Выбор между GTO и IGBT в ветропарке часто зависит от рейтинга турбины, уровня напряжения сети и компромиссов между затратами и производительностью всей системы.

Роль GTO-конвертеров в преобразовании энергии ветровых турбин

Современные ветровые турбины с переменной скоростью используют интерфейс преобразователя мощности между генератором и сеткой. Этот преобразователь обычно состоит из двух этапов: выпрямителя на стороне генератора, который преобразует переменный частотный переменный напряжение переменного напряжения от генератора в линию постоянного тока, и инвертора на стороне сетки, который преобразует DC обратно в переменный ток фиксированной частоты, фиксированного напряжения для сетки. Преобразователи на основе GTO чаще всего используются в инверторе на стороне сетки, где они обрабатывают полный поток энергии и должны соответствовать требованиям кода сетки. В некоторых больших турбинах с постоянным магнитом прямого привода или много МВт (PMSG) GTO также могут появляться на стадии выпрямителя, особенно при использовании конструкций среднего напряжения (3.3 кВ до 6.6 кВ), которые извлекают выгоду из возможности напряжения GTO.

Back-to-Back преобразователи топологии с GTO

Типичный преобразователь источника напряжения для ветровых турбин использует двухуровневую или трехуровневую топологию. ГТО часто используются в трехуровневых конфигурациях с нейтральной зажимной точкой (NPC) для снижения напряжения напряжения и гармонического содержания. В инверторе NPC каждая фазовая ножка содержит четыре ГТО и два зажимных диода, что позволяет выходному напряжению принимать три уровня напряжения вместо двух. Это снижает деформацию гармоники выходного напряжения и позволяет использовать меньшие фильтры. Способность ГТО блокировать высокие напряжения непосредственно на уровне устройства уменьшает количество подключенных к серии устройств, упрощая общую схему и повышая надежность. Например, связь постоянного тока 6,6 кВ может быть переключена с ГТО, оцененными в 4,5 кВ, используя трехуровневую структуру без последовательностей, что трудно достичь с IGBT без сложных последовательно-параллельных устройств.

Инвертор Grid-Side с использованием GTO

В инверторе на стороне сетки основными задачами являются поддержание постоянного напряжения линии постоянного тока, управление активной и реактивной мощностью и обеспечение синхронизации с сеткой. ГТО работают на частотах переключения обычно от 500 Гц до 1 кГц, что ниже, чем у инверторов на основе IGBT (2-5 кГц). Эта более низкая частота увеличивает гармоническое содержание, требуя более крупных индукторов и конденсаторов фильтра. Однако для многомегаваттных турбин, подключенных к сетям среднего напряжения (10-35 кВ), размер фильтра менее критичен по сравнению с преимуществами более высокой плотности мощности и уменьшенного количества устройств. Современные блоки привода GTO включают расширенные функции защиты, такие как обнаружение тока, мониторинг десатурации и мягкий выключатель для повышения надежности. Инвертор также реализует функции поддержки сетки, такие как низковольтный проезд (LVRT) и впрыск реактивного тока во время неисправностей, используя способность быстрого выключения GTO реагировать в микросекундах.

Технические преимущества ГТО-систем

  • Высокое напряжение и возможности обработки тока: ГТО могут блокировать до 9 кВ и проводить до 6 кА на устройство, что делает их идеальными для ветровых турбин мощностью 10+ МВт без сложных последовательностей соединений.
  • Высокая надежность и прочность: ГТО по своей природе прочны, способны выдерживать токи перенапряжения и высокие температуры соединения, характерные для ветровых турбин с циклической нагрузкой и нарушениями сетки.
  • Низкие потери проводимости при высоких токах: Хотя падение напряжения в состоянии выше, чем IGBT при низких токах, при уровнях с несколькими кА падение напряжения относительно низкое, а коэффициент температуры переднего напряжения положительный, что облегчает параллельную работу.
  • Созданная производственная база и опыт работы на местах: Десятилетия развертывания в промышленных и тяговых приложениях означают, что ГТО имеют хорошо понятные режимы отказа и проверенные данные о надежности, снижая риск для операторов ветряных электростанций.
  • Упрощенная конструкция снуббера по сравнению с SCR: Поскольку GTO могут выключаться под контролем затвора, схеме снуббера нужно только обрабатывать переходную энергию выключения, а не полную коммутацию тока нагрузки, уменьшая количество компонентов и потери.

Проблемы и стратегии смягчения

  • Схема комплексного привода затвора:] Во время выключения затворный привод должен обеспечивать высокий импульс тока (до 10% анодного тока), что требует больших конденсаторов хранения и тщательной компоновки печатной платы.Решения включают использование интегрированных драйверов затвора с локальным хранением энергии и оптической изоляцией для передачи сигналов включения/выключения.
  • Более высокие потери переключения по сравнению с IGBT: Хвост тока выключения в GTO может быть длинным, увеличивая потери на более высоких частотах.Смягчение включает в себя работу на более низких частотах переключения (например, 500 Гц) и применение многоуровневых топологий для эмуляции более высоких эффективных частот переключения при сохранении низких скоростей переключения устройств.
  • Необходимость в надежных системах охлаждения:] ГТО рассеивают значительное тепло во время проводимости и переключения. Преобразователи ветряных турбин часто используют принудительное охлаждение воздуха с большими теплоотводами или жидкостными системами охлаждения. Для поддержания однородности температуры могут использоваться диэлектрические охлаждающие жидкости. Для обработки переходных перегрузок исследуется усовершенствованное управление температурой с использованием материалов фазового изменения и тепловых труб.
  • Начальная стоимость премиум: Модули GTO и их специализированные приводы стоили дороже за ампер, чем модули IGBT. Однако стоимость на системном уровне может быть ниже для турбин с несколькими МВт, поскольку меньшее количество устройств и более простые серии / параллельные устройства снижают баланс системных затрат (автобусные планки, межсоединения, корпуса).
  • Выключаемый коэффициент усиления и конструкция снуббера: Типичный коэффициент выключения (отношение анодного тока к току затвора) составляет всего 3-5, то есть затвор должен поглощать большой обратный ток. Это требует, чтобы схемы снуббера ограничивали dv/dt во время выключения и защищали устройство от второго поломки. Современные GTO с улучшенными структурами затвора (такие как GCT — Gate Commutated Thyristor) достигают выключения с усилением единства, упрощая требования к снубберу.

Тепловое управление и системы охлаждения

Because wind turbines operate in environments with widely varying ambient temperatures, from arctic cold to desert heat, the thermal design of GTO converters must be robust. GTOs are typically mounted on copper baseplates with direct bonding to heat sinks. For example, a 6 kV/3 kA GTO in a 5 MW wind turbine inverter can dissipate several kilowatts of heat. Cooling methods include forced air with high-velocity fans, liquidСистема охлаждения должна быть спроектирована таким образом, чтобы справляться с наихудшими условиями, такими как полная работа мощности при температуре окружающей среды 50°C, при сохранении температуры перехода ниже 125°C. Температурные датчики, интегрированные в модульную упаковку, позволяют приводу затвора уменьшать частоту переключения или ограничивать ток во время теплового напряжения.

Gate Drive Circuit Сложность

Блок привода ворот для GTO должен доставлять импульс включения высокого тока (обычно 10-20 А) и импульс выключения высокого тока (до нескольких сотен ампер) с очень низкой индуктивностью. Современные приводы ворот используют локальный банк конденсатора, заряженный на высокое напряжение (например, 20 В для включения и -15 В для выключения) и переключаемый через быстрые IGBT или MOSFETs. Привод ворот также должен обеспечивать электрическую изоляцию, часто через волоконную оптику, для защиты низковольтной управляющей электроники от высоковольтной стороны. Расширенные приводы ворот контролируют напряжение коллектор-эмиттер во время проводимости для обнаружения десатурации (что указывает на перегрузку или напряжение I2t) и инициировать контролируемое мягкое выключение, чтобы избежать разрушения устройства. Эта сложность является проблемой, но хорошо понятна, и многие коммерческие модули привода ворот доступны для обычных устройств GTO.

Передовые применения ГТО в современных ветропарках

Модульные многоуровневые преобразователи (MMC) с GTO

Модульная многоуровневая преобразовательная (MMC) архитектура, уже доминирующая в передаче HVDC, все чаще рассматривается для систем сбора ветроэлектростанций. В MMC каждый фазовый рычаг состоит из нескольких субмодулей, каждый из которых содержит полумост (или полный мост) с конденсатором. GTO могут использоваться в качестве переключающего элемента в каждом субмодуле, особенно в варианте, известном как MMC с субмодулями полного моста, которые могут блокировать неисправности постоянного тока. Высокое напряжение GTO позволяет каждому субмодулю работать при более высоком напряжении (например, 6 кВ постоянного тока), уменьшая общее количество необходимых субмодулей и упрощая систему управления. Основным преимуществом является то, что присущее MMC низкое гармоническое содержание и масштабируемость хорошо соответствуют высокой мощности GTO. Исследования продемонстрировали прототипы MMC на основе GTO для кластеров ветроэлектростанций, достигая эффективности выше 98% при 10 кВ напряжениях соединения постоянного тока.

Fault Ride - с помощью повышения способности

Коды сетки требуют, чтобы ветровые турбины оставались подключенными во время провисания напряжения (низковольтный проезд, LVRT) и иногда во время событий перенапряжения. Преобразователи на основе GTO могут способствовать улучшению пробега по неисправности из-за их быстрой способности выключения и способности обрабатывать переходные токи. Во время сетки инвертор может мгновенно уменьшить впрыск тока или даже заблокировать себя для защиты устройств. Используя GTO с высокими показателями тока скачка (обычно 10× номинальный ток для 10 мс), преобразователь может проехать через серьезные неисправности без цепей ломки. Кроме того, в биполярных преобразователях источника напряжения (например, с использованием симметричного модуля GTO), преобразователь может вводить реактивный ток для поддержки восстановления напряжения сетки, удовлетворяя самым требовательным требованиям кода сетки.

Будущие тенденции и направления исследований

Эволюция технологии GTO продолжается, с особой тенденцией к Gate Commutated Thyristor (GCT) , также известной как Integrated Gate Commutated Thyristor (IGCT)]. IGCT сочетает в себе GTO с оптимизированным приводом затвора, интегрированным в пакет, достигая выключения усиления единства и устраняя снубберы в большинстве приложений. IGCT теперь коммерчески доступны с оценками до 4,5 кВ и 4 кА, переключаясь на частотах до 5 кГц. Они предлагают низкие потери проводимости тиристора с производительностью переключения, приближающейся к IGBT. Для ветровых турбин IGCT особенно привлекательны для преобразователей среднего напряжения (2,3 кВ до 6,6 кВ) в диапазоне 5-15 МВт, где они могут уменьшить размер и вес системы на 20-30% по сравнению с решениями IGBT.

Еще одной областью исследований является использование широкополосных материалов, таких как карбид кремния (SiC) в высоковольтных структурах, подобных GTO. Разрабатываются SiC GTO, которые обещают еще более высокую температурную работу (температура соединения до 250°C) и более низкие потери переключения. Однако SiC GTO все еще находятся на лабораторной стадии, с проблемами в производстве устройств большой площади и управлении высоким зарядом затвора. Сочетание SiC GTO с передовым охлаждением и упаковкой может привести к тому, что преобразователи ветряных турбин будут меньше, легче и эффективнее, чем современные системы GTO или IGBT.

Наконец, цифровые двойники и методы прогнозного обслуживания применяются к преобразователям ГТО на ветровых электростанциях. Путем мониторинга сигналов привода ворот, моделей напряжения и тепловых циклов операторы могут прогнозировать износ устройства и замену графика во время планового обслуживания, избегая дорогостоящих незапланированных простоев.

Заключение

Системы преобразования энергии на основе ГТО остаются актуальной и ценной технологией для крупных ветряных турбинных ферм, особенно в сегментах с несколькими мегаваттами и средним напряжением. Их способность обрабатывать высокие напряжения и токи с доказанной надежностью делает их сильным выбором для разработчиков, стремящихся максимизировать захват энергии при минимизации сложности системы. Хотя IGBT и новые устройства SiC продолжают расти в популярности, ГТО (и их преемники, IGCT) имеют явные преимущества в самых высоких уровнях мощности. По мере того, как ветровые турбины продвигаются выше 10 МВт на единицу, а оффшорные ветровые электростанции расширяются, роль конвертеров, полученных из ГТО, вероятно, сохранится, поддерживаемая продолжающимися исследованиями в передовых топологиях, охлаждении и интеграции привода ворот. Для инженеров и операторов понимание возможностей и ограничений технологии ГТО остается необходимым для принятия обоснованных решений об архитектуре преобразователя в следующем поколении ветровых энергетических систем.

Для дальнейшего чтения рассмотрите статью Wikipedia о поворотах ворот Thyristors и IEEE о преобразователях на основе GTO для применения ветровой энергии .