تحسين تخزين الطاقة باستخدام SiC

توفر الشبكة الطاقة من المولدات وتسلمها للعملاء عبر شبكات النقل والتوزيع (T&D). في الولايات المتحدة ، كان استخدام تخزين الكهرباء لدعم وتحسين T & D محدودًا بسبب تكاليف التخزين المرتفعة وخبرة التصميم والتشغيل المحدودة. ومع ذلك ، فإن التحسينات الأخيرة في تقنيات التخزين والطاقة ، إلى جانب التغييرات في السوق ، تبشر بعصر من توسيع فرص تخزين الكهرباء.

يوضح الشكل 1 الرؤية المستقبلية لإنتاج الكهرباء والبنية التحتية للنقل والتطوير ، مع تحديد التخزين المتصل بالشبكة باعتباره حاسمًا لنماذج أكثر موثوقية وأكثر فعالية من حيث التكلفة. يعمل تخزين الطاقة على تحسين أداء T & D من خلال التعويض عن الانحرافات والاضطرابات الكهربائية مثل التغيرات في الجهد (على سبيل المثال ، الارتفاعات أو الانخفاضات على المدى القصير ، والارتفاعات أو التدهور على المدى الطويل) ، والاختلافات في التردد الأساسي الذي يتم توصيل الطاقة عنده ، وعامل القدرة المنخفض (الجهد) والتيار خارج الطور بشكل مفرط مع بعضهما البعض) ، التوافقيات ، (وجود التيارات أو الفولتية عند ترددات غير الأولية) وانقطاعات في الخدمة.

يقلل التخزين المرتبط بالمرافق من التكاليف من خلال السماح بشراء الكهرباء غير المكلفة خلال فترات انخفاض الطلب والعرض لتلك الطاقة عندما يكون السعر بخلاف ذلك أعلى. يمكن أيضًا استخدام التخزين بدلاً من إضافة سعة التوليد. في العديد من المناطق ، لا تواكب سعة النقل ذروة الطلب ، مما يعني أن أنظمة النقل أصبحت مزدحمة – مما يؤدي إلى زيادة رسوم الوصول إلى الإرسال واستخدام رسوم الازدحام أو “التسعير الهامشي للمواقع”.

يستخدم التخزين أيضًا بشكل متزايد لتحقيق التوازن بين إمدادات الطاقة المتقطعة من موارد الطاقة المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية.

SiC يقود ابتكار التخزين

سيؤدي استخدام جميع محولات SiC إلى إحداث ثورة في توصيل الكهرباء وتكامل الطاقة المتجددة وتخزين الطاقة. من المعروف جيدًا أن أشباه الموصلات القائمة على السيليكون لها قيود متأصلة تقلل من ملاءمتها للتطبيقات على نطاق المرافق. مع SiC ، ومع ذلك ، فإن تطبيقات إلكترونيات الطاقة بما في ذلك مفاتيح التحويل الثابتة ، ومعوضات الجهد الديناميكي ، ومعوضات var الساكنة ، ونقل التيار المباشر عالي الجهد ، وأنظمة نقل التيار البديل المرنة ، تصبح جميعها مجدية اقتصاديًا. باستخدام SiC ، يمكن لمصنعي عاكس الجهد المتوسط ​​(MV) تحقيق كفاءات> 97.8٪ عند 100 كيلوواط إلى 1 ميجاوات ، مما يسمح بنشر المزيد من العاكسات المدمجة على نطاق واسع عبر التطبيقات السكنية والصناعية.

دمج BESS مع شبكة MV

تم دمج نظام تخزين طاقة البطارية (BESS) في شبكة MV (2.3 كيلو فولت أو 4.16 كيلو فولت أو 13.8 كيلو فولت) باستخدام هيكل معزول مثل جسر نشط مزدوج (DAB) متبوعًا بمحول أمامي نشط. يعمل الهيكل ثلاثي المستويات (المحايد – المثبت) على تقليل متطلبات المرشح مقارنةً بالطوبولوجيا ذات المستويين وضغط الجهد عبر SiC MOSFETs. اعتمادًا على جهد الشبكة ، يمكن إجراء توصيل متسلسل لأجهزة الصمام الثنائي SiC 3.3-kV MOSFET ، كما هو موضح في الشكل 2. يمكن أيضًا النظر في طبولوجيا إضافية للتحليل. يتم تصنيع جانب الجهد المنخفض (LV) من خلال أجهزة SiC بقوة 1200 فولت. في DAB ، يمكن تشغيل محول MV (تحويل LV إلى MV) بين 10 و 20 كيلو هرتز. يمكن استخدام نظام أحادي الطور أو ثلاثي الطور حسب متطلبات الطاقة.

يمكن أن تؤدي انتقالات التبديل السريع MV SiC MOSFETs إلى dV / dt يصل إلى 100 kV / s ، مما يفرض متطلبًا لسعة عزل منخفضة جدًا في دائرة محرك البوابة. تتمثل أهداف تصميم مرحلة نقل الطاقة في متطلبات عزل عالية ، وسعة اقتران منخفضة ، وبصمة سائق بوابة محسّنة. بشكل عام ، تتطلب تطبيقات MV توصيل سلسلة من الأجهزة من أجل التكرار والجهد العالي للتشغيل. يتطلب الاتصال المتسلسل لأجهزة MV SiC برامج تشغيل بوابة يمكنها تبديل جميع الأجهزة في وقت واحد. قد يؤدي التأخير في تشغيل الأجهزة المتصلة بالسلسلة إلى عدم تطابق الجهد ، مما يؤدي إلى زيادة الجهد أو المشاركة غير الصحيحة للجهد عبر الأجهزة.

استخدام الثنائيات MV 3.3-kV SiC MOSFET بدلاً من وحدات الجهد المنخفض المتصلة بالسلسلة (1200 فولت أو 1700 فولت) تتمتع MOSFETs أو IGBTs بمزايا هائلة ، بما في ذلك قيادة البوابة الأبسط ، وتقليل الحث الطفيلي المرتبط باستبدال الترانزستورات والمعدلات متعددة الجهد المنخفض مع جهاز MV واحد ، خسائر توصيل أقل وكفاءة أعلى. وبالتالي يمكن تقليل الحجم الكلي والوزن ومتطلبات التبريد لمحول الطاقة بشكل كبير.

اختبارات كفاءة الدائرة ودرجات الحرارة القصوى للتقاطع على 3.3-kV / 400-A GeneSiC SiC MOSFET ، 3.3-kV / 400-A السيليكون IGBT وتوصيل متسلسل من 1.7 كيلوفولت / 325-A SiC MOSFETs من طرف ثالث في كشف المحول المعياري متعدد المستويات بقدرة 4.16 كيلو فولت عن فوائد كبيرة لوحدات MOSFETs SiC بقدرة 3.3 كيلو فولت في تطبيقات MV. بشكل عام ، خفضت وحدات SiC MOSFETs بقدرة 3.3 كيلو فولت من خسائر أشباه الموصلات ودعمت مساحة أصغر لأشباه الموصلات المثبتة ، مما أدى إلى تحسين كثافة طاقة النظام (بما في ذلك حجم المبددات الحرارية والمراوح).

3.3 كيلوفولت SiC MOSFET مع الصمام الثنائي MPS المتكامل

يمكن تحقيق المزيد من مزايا الكفاءة والموثوقية من خلال الدمج المترابط بين الصمام الثنائي PiN Schottky (MPS) المدمج داخل MOSFET. يتيح ذلك تشغيل الصمام الثنائي الطليق ذو العجلة المنخفضة والتوصيل المنخفض وفقدان التبديل دون وجود صمام ثنائي شوتكي متصل خارجيًا مع تقليل الحث الطفيلي المرتبط بتوصيل الصمام الثنائي الخارجي. علاوة على ذلك ، يتجاوز هذا الصمام الثنائي المدمج P-well / N-drift للهيكل D-MOSFET الذي يمكن أن يؤدي تشغيله إلى حدوث خلل في خلع المستوى الأساسي الموجود حتمًا داخل طبقة N-drift من D-MOSFET.

تشمل المزايا أداءً ثنائي الاتجاه أكثر كفاءة ، والتبديل المستقل عن درجة الحرارة ، والتبديل المنخفض وخسائر التوصيل ، وانخفاض متطلبات التبريد ، والموثوقية الفائقة على المدى الطويل ، وسهولة الموازاة ، وانخفاض التكاليف.

Navitas GeneSiC 3.3 كيلو فولت المنفصل SiC MOSFETs و SiC MOSFETs مع ثنائيات MPS المدمجة المتجانسة عادةً ما يكون نطاق انهيار الجهد من 3600 إلى 3900 فولت ، أعلى بكثير من قيمة ورقة البيانات. عند تنفيذ الصمام الثنائي الأحادي ، يوجد تيار تسرب تصريف أعلى قليلاً يتم ملاحظته عند الفولتية المرتفعة ، بسبب انخفاض حاجز شوتكي تحت الحقول الكهربائية العالية. يوضح الشكل 5 أنه في الاختبارات ، أظهرت GeneSiC mono-SiC MOSFETs جهد انهيار في نطاق 3.5 إلى 3.7 كيلو فولت مع تسربات ≈ 50 A (أو 0.3 مللي أمبير / سم²) بجهد سد 3.3 كيلوفولت المُصنَّف ، من أجل R_{DS (تشغيل)} حوالي 80 متر مكعب (تقاس).

تم استخدام قياسات التبديل الاستقرائي غير المثبتة (UIS) للتحقيق في قوة الانهيار الجليدي لـ 3300-V SiC MOSFETs مع الثنائيات المدمجة MPS. يوضح الشكل 6 أشكال موجات تيار التصريف / الجهد عند ذروة تيار التصريف 30 أ. يرتفع جهد الصرف إلى 4200 فولت كحد أقصى أثناء الاختبار ، وأقصى وقت تحمل الانهيار الجليدي (t_AV) من 35 ميكرومتر وطاقة الانهيار الجليدي أحادي النبض (E._مثل) 2.6 جول (أو 7.6 جول / سم²) من قياسات معهد اليونسكو للإحصاء. وبالمقارنة ، فإن الاختبار الذي تم إجراؤه على SiC MOSFET المنفصل بمقدار 3300 فولت مع نفس محاثة الحمل استخرج_مثل من 4.8 ج.

متانة ماس كهربائى

تم تقييم متانة الدائرة القصيرة لوحدات GeneSiC MOSFETs من خلال تعريض 3.3 كيلوفولت منفصلة SiC MOSFETs مع أو بدون ثنائيات MPS مدمجة متجانسة لوصلة تيار مستمر بقوة 1200 فولت. تم استخدام مخطط محرك بوابة 20-V / –5-V وتم تركيب الجهاز على لوحة أساسية 25 درجة مئوية. يزداد تيار التصريف بحد أقصى 525 أ خلال نبضة ماس كهربائى وتم قياس زمن مقاومة ماس كهربائى قدره 4.5 ميكرو ثانية (الشكل 7).

ملخص

سيؤدي نشر SiC في العواكس إلى تسريع اعتماد تقنيات تخزين الطاقة وجعلها عناصر أساسية للشبكات المستقبلية. يُظهر دمج BESS في شبكة MV من خلال طوبولوجيا معزولة أن استخدام MOSFETs أحادي SIC بقوة 3.3 كيلوفولت يتيح كفاءة أعلى للنظام ، ودرجة حرارة تشغيل أقل ، وأصغر حجم للقالب ، مقارنةً بسليكون مكافئ IGBT أو اثنين 1700-V SiC MOSFETs في السلسلة.

تحقق GeneSiC 3.3-kV SiC MOSFETs مع ثنائيات MPS متجانسة متكاملة جهدًا أكبر بكثير من 3.3 كيلو فولت وتُظهر أداء تحويل سلسًا أثناء تنشيط الصمام الثنائي MPS المتآلف بالكامل. هذا يقلل بشكل كبير من فقدان الطاقة في عملية الربع الثالث ويعزز موثوقية الجهاز من خلال التخفيف من التدهور ثنائي القطب. يكشف اختبار UIS عن قدرة انهيار جليدي قوية وأوقات تحمل ماس كهربائى تصل إلى 4.5 ميكرو ثانية.

مراجع

¹مينالي وآخرون. (سبتمبر 2015). “محطة طاقة فرعية ذكية غير قابلة للتحويل: SST من ثلاث مراحل يتم تمكينها بواسطة SiC IGBT بقدرة 15 كيلو فولت.” مجلة IEEE Power Electronics ، المجلد. 2 ، رقم 3 ، ص 31-43.

²أنوراغ وآخرون (يونيو 2019). “اعتبارات التصميم وتطوير برنامج تشغيل بوابة مبتكر لأجهزة الطاقة ذات الجهد المتوسط ​​مع ارتفاع dv / dt.” معاملات IEEE على إلكترونيات الطاقة ، المجلد. 34 ، ع 6 ، ص 5256-5267.

³تريباثي وآخرون (2016). “محرك بوابة ذكي MV لـ 15kV SiC IGBT و 10kV SiC MOSFET.” مؤتمر ومعرض إلكترونيات الطاقة التطبيقية IEEE 2016 (APEC) ، ص 2076-2082.

⁴مرزوقي وآخرون (أكتوبر 2017). “توصيف وتقييم الدولة من بين الفن 3.3 كيلوفولت 400-A SiC MOSFETs.” معاملات IEEE على الإلكترونيات الصناعية ، المجلد. 64 ، رقم 10 ، ص 8247-8257.

قم بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة