تعمل محركات البوابات ذات الجهد العالي ذات اللوحة الواحدة على زيادة طاقة النظام المتجددة بنسبة 30%

تستخدم منشآت طاقة الرياح وتخزين الطاقة والطاقة الشمسية المتجددة وحدات أشباه الموصلات ذات الجهد العالي (حتى 2.3 كيلو فولت) التي تتطلب محركات بوابات مدمجة وموثوقة وفعالة.

قدمت شركة Power Integrations مؤخرًا عائلة SCALE-iFlex XLT من محركات البوابات ثنائية القناة، المصممة لتطبيقات العاكس ذات الجهد المتوسط ​​والعالي. تم تصميم برامج تشغيل البوابة هذه خصيصًا لتشغيل LV100 (Mitsubishi) وXHPTM 2 (Infineon) وHPnC (Fuji) ووحدات أشباه الموصلات المماثلة بجهد حجب يصل إلى 2300 فولت. إن برامج التشغيل عبارة عن خاصية التوصيل والتشغيل وتوفر سهولة التركيب .

في مقابلة مع Power Electronics News، سوف يستكشف Thorsten Schmidt، مدير تسويق المنتجات في Power Integrations، تقنية تشغيل البوابة الجديدة وتطبيقاتها في قطاع الطاقة المتجددة.

أسواق الطاقة المتجددة وتخزين الطاقة

وفقًا لتوقعات BloombergNEF، من المتوقع أن يتطور سوق تخزين الطاقة العالمي بمعدل سنوي قدره 21٪ ويصل إلى قدرة 137 جيجاوات / 442 جيجاوات ساعة بحلول عام 2030. وخلال نفس الإطار الزمني، من المتوقع أن تشهد أسواق الطاقة الشمسية وطاقة الرياح العالمية تجربة بمعدلات نمو سنوية مركبة تبلغ 9% و7% على التوالي.

في بعض الأحيان، لا تحتاج الطاقة التي تنتجها المصادر المتجددة إلى تغذيتها في الشبكة ولكن يجب تخزينها، لأنه يجب استهلاكها عندما لا يعمل توليد الطاقة المتجددة.

قال شميدت: “أعتقد أننا جميعًا نعلم أن تخزين الطاقة هو سوق سريع النمو – ولهذا السبب توصلنا إلى هذا المنتج الجديد، وتوسيع عائلة SCALE-iFlex الخاصة بنا بسلسلة XLT الجديدة”.

بمرور الوقت، تطورت سلسلة SCALE-iFlex (الشكل 2) من نموذج البداية، وهو محول متوازي بقدرة 3.3 كيلو فولت مناسب للسكك الحديدية وشبكة الكهرباء، ويمر عبر SCALE-iFlex المنفرد، وSCALE-iFlex LT، وهو محول فعال من حيث التكلفة حل موازي يصل إلى 3.3 كيلو فولت للسكك الحديدية الخفيفة ومصادر الطاقة المتجددة والمحولات المساعدة.

وقال شميدت: “بالنسبة لتخزين الطاقة والخلايا الكهروضوئية، رأينا أن التوازي لم يكن شرطا، وبدلا من ذلك، كانت هناك حاجة لعملية واحدة”. “أحدث منتج لدينا هو حل أحادي اللوحة ذو مساحة أصغر بكثير.”

ميزات وفوائد SCALE i-Flex XLT

يعد برنامج تشغيل البوابة ثنائي القناة SCALE-iFlex XLT بمثابة حل أحادي اللوحة بنطاق جهد يتراوح من 1.2 إلى 2.3 كيلو فولت. فهو يسمح بالتحكم الحراري النشط للأنظمة، مما يعزز كفاءتها واستخدامها. يقلل الحجم الصغير للجهاز من الحاجة إلى مكونات خارجية إضافية، مما يؤدي إلى انخفاض فاتورة المواد. تعمل ميزة معامل درجة الحرارة السلبية (NTC) المدمجة على تحسين الدقة، وبالتالي تحسين موثوقية الجهاز وكفاءته.

حل لوحة واحدة

وفقًا لشميت، فإن برامج تشغيل البوابة SCALE-iFlex XLT الجديدة هي الأجهزة الوحيدة ذات اللوحة الواحدة التي يمكن الوصول إليها حاليًا في السوق. حجمها الصغير يسمح لها بالملاءمة بشكل مثالي مع شكل وحدات IGBT المستهدفة، مما يسمح بتوصيل برامج التشغيل مباشرة بالوحدة. تمنح هذه الميزة مصممي أنظمة المحولات قدرًا كبيرًا من المرونة في تصميمهم الميكانيكي.

كما هو موضح في الشكل 3، يحافظ حل اللوحة الواحدة على عامل الشكل الذي توفره الوحدة دون تجاوز المخطط التفصيلي. من حيث الارتفاع، فهو ضيق جدًا، ويوفر حلاً جذابًا لأنظمة تخزين الطاقة والخلايا الكهروضوئية.

من خلال توفير تصميم مدمج، يوفر حل اللوحة الواحدة ميزتين رئيسيتين. الأول هو حرية التصميم الميكانيكي للعملاء. يمكن تركيب محرك البوابة أعلى الوحدة، مما يوفر حلاً مدمجًا للغاية بارتفاع منخفض. الميزة الثانية هي أنه، نظرًا لكونه حلاً أحادي اللوحة، فإن عدد المكونات أقل بكثير مقارنة بالحلول الأخرى المتوفرة في السوق (الشكل 4).

وقال شميدت: “لقد قارنا حلنا مع برنامج تشغيل البوابة التقليدي، واكتشفنا أنه في حالتنا، لدينا ما يقرب من 160 مكونًا، بينما لدى منافسينا أكثر من 250 جزءًا”. “فيما يتعلق بالموثوقية، فإن هذا له بعض المزايا، لأنه كلما قل عدد المكونات لديك، كان ذلك أفضل في الفترة المتوسطة بين الفشل.”

علوم الهندسة اللاكمية

يدعم SCALE-iFlex XLT طبولوجيا نشطة مثبتة بنقاط محايدة ذات مستويين وثلاثة مستويات مع فئات جهد 1200 فولت، و1700 فولت، و2300 فولت.

قال شميدت: “يبدو أن فئة 2300 فولت هي موضوع ساخن هذه الأيام، لأن العديد من موردي الوحدات يطورون وحدات جديدة في فئة الجهد هذه – ويبدو أنها أصبحت معيارًا جديدًا في مصادر الطاقة المتجددة”.

القياس الحراري

تتميز برامج تشغيل بوابة SCALE-iFlex XLT بميزة NTC، والتي توفر قياس درجة حرارة معزولة لوحدة الطاقة. وهذا يتيح الإدارة الحرارية الدقيقة لأنظمة المحولات.

يمكن لمصممي النظام الاستفادة من هذه الميزة لتحسين التصميم الحراري والحصول على زيادة بنسبة 25% إلى 30% في طاقة المحول دون الحاجة إلى أجهزة إضافية. تعمل قراءات NTC المعزولة على تبسيط الأجهزة من خلال التخلص من الحاجة إلى العديد من الكابلات والتوصيلات والدوائر الإضافية للتغلب على حواجز العزل.

يوفر NTC معلومات حول درجة حرارة الوصلات لـ IGBTs داخل الوحدة. يتم بعد ذلك إرسال قراءات درجة الحرارة عبر حاجز العزل وإتاحتها كإشارة على موصل الواجهة. ومن خلال تشغيل الوحدات بشكل أقرب إلى درجة حرارة الوصلات الخاصة بها، يمكن الحصول على المزيد من الطاقة من الأجهزة.

قامت شركة Power Integrations بتحليل البيانات الحقيقية واقترحت إمكانية تشغيل هذه الوحدات بشكل موثوق عند درجات حرارة الوصلات التي تصل إلى 170 درجة مئوية، وهي قريبة جدًا من درجة الحرارة القصوى المقدرة لها.

وقال شميدت: “من خلال السماح للجهاز بالعمل بدرجة حرارة أعلى بمقدار 30 كلفن، يمكننا تحقيق زيادة في خرج طاقة المحول بنسبة 25% إلى 30% من نفس الجهاز”. “إن هذه الزيادة في الطاقة ببساطة عن طريق تشغيل الأجهزة في درجة حرارة أعلى هي أمر جذاب للغاية، وهو مفهوم يلقى صدى لدى جميع عملائنا. ففي نهاية المطاف، تعتبر تطبيقات الخلايا الكهروضوئية وتخزين الطاقة حساسة للغاية من حيث التكلفة، لذا فإن أي طريقة لاستخراج المزيد من الطاقة من النظام تعتبر ذات قيمة.

عزل

يعد SCALE-iFlex XLT هو مشغل البوابة الأول في الصناعة الذي يوفر عزلًا عند 2300 فولت. وقد تم تحقيق هذه النتيجة من خلال زحف واسع النطاق لثنائي الفينيل متعدد الكلور والمحولات. لقد تم تصميم PCB مع بعض القطع لزيادة مسافات الزحف من الجانب الأساسي إلى الجانب عالي الجهد للمحول.

قال شميدت: “نحن نتبع معيارًا محددًا فيما يتعلق بالعزلة”. “لقد صممنا محركات البوابة وفقًا لمعيار IEC 61800-5-1، والذي ينطبق أيضًا على التطبيقات المتجددة، مثل طاقة الرياح والطاقة الكهروضوئية وأنظمة تخزين الطاقة.”

تستخدم برامج تشغيل البوابة الجديدة مجموعة شرائح SCALE-2 الفريدة من Power Integrations، والتي تقلل عدد المكونات لتحسين الاعتمادية. بالإضافة إلى ذلك، تعمل لوحة تشغيل البوابة على حماية مفاتيح الطاقة في حالة حدوث ماس كهربائي. يمكن تحجيم الأجهزة لتعمل عند حظر الفولتية التي تتراوح من 1.2 كيلو فولت إلى 2.3 كيلو فولت.

تعمل برامج تشغيل البوابة ذات الجهد العالي ذات اللوحة الواحدة على زيادة طاقة النظام المتجدد بنسبة 30٪ لأول مرة في Power Electronics News.