Силовые пленочные конденсаторы в возобновляемых источниках энергии

Благодаря постоянному прогрессу в развитии технологий в области энергетики, с начала 1990‑х годов стоимость одного киловатта энергии, полученного от возобновляемых источников энергии, значительно снизилась. Кроме того, учитывая дальнейшее развитие сопутствующих технологий, а также относительно недавнюю эволюцию в сторону интеллектуальных электрических сетей, все это в совокупности позволило возобновляемым источникам энергии начать на равных конкурировать с традиционными источниками получения электрической энергии путем сжигания ископаемых видов топлива. Основным преимуществом применения ископаемых видов топлива, таких как уголь, сырая нефть и природный газ, перед возобновляемыми источниками является то, что потенциальная энергия, которую они в себе хранят, без особых проблем может оставаться в них любое время и использоваться по мере необходимости. В отличие от них альтернативной энергией от возобновляемых источников, таких как солнечная и ветровая, нельзя управлять по нашему желанию, она в большой степени зависит от меняющихся условий окружающей среды. Как следствие, при использовании таких источников мы имеем спонтанные изменения мощности в сети электропитания, что, в свою очередь, может вызвать проблемы с балансом нагрузки. С целью минимизировать негативное влияние данного фактора инженеры разработали новую технологию — интеллектуальные электрические сети, а также конденсаторы следующего поколения и вместе с ними и ряд передовых методов накопления и хранения энергии. Эти меры призваны помочь сбалансировать нестабильные характеристики энергоэффективности систем электроснабжения, использующих в своей основе не наносящие вред окружающей среде альтернативные возобновляемые источники энергии, и сохранить тем самым их конкурентные преимущества. Так что мы надеемся, что эти источники энергии в один прекрасный день опередят по эффективности и стоимость генерирования энергии путем сжигания и применения ископаемых видов топлива.

В общем, что касается способности накопления и отдачи энергии, то конденсаторы по сравнению с сопоставимыми технологиями имеют самую высокую удельную плотность мощности. Еще одна особенность конденсаторов заключается в том, что они способны принимать и отдавать накопленную в них энергию намного быстрее, чем аккумуляторные батареи и другие альтернативные им технологии накопления и хранения энергии. Эта особенность и делает конденсаторы наиболее эффективным решением для мгновенной компенсации мощности, поскольку, когда напряжение в электрической сети опускается ниже номинального уровня, то для сохранения надлежащего уровня мощности они могут быть быстро разряжены. Особенно выгодным решением для высоковольтных сетей электроснабжения являются силовые пленочные конденсаторы. Такие конденсаторы имеют высокую энергоэффективность, отличаются длительным сроком службы и высокой надежностью. Их характеристики мало подвержены влиянию температуры, а деградация имеет плавный, а не скачкообразный характер, так что выход из строя такого конденсатора в конце срока эксплуатации не имеет резко выраженных, а тем более катастрофических последствий. Само собой разумеется, что такие конденсаторы не имеют движущихся частей и, в отличие от других устройств накопления и хранения энергии, практически не требуют какого-либо технического обслуживания.

Силовые пленочные конденсаторы

Наиболее часто в применениях с высокими рабочими напряжениями используются пленочные полипропиленовые силовые конденсаторы. Причина этого кроется в свойствах пленки из этого материала, для которого характерна высокая электрическая прочность, малый удельный вес, высокая стабильность диэлектрической проницаемости и малый коэффициент абсорбции. Кроме того, полипропиленовые конденсаторы также имеют сверхмалые диэлектрические потери (низкий тангенс угла потерь, tgδ) и, в зависимости от требований применения, могут быть выполнены либо с гладкой, либо со специально подготовленной поверхностью, которая улучшает пропитку конденсаторов маслом.

Силовые пленочные конденсаторы могут быть изготовлены на основе пропитанной маслом, металлизированной алюминием пленки (и называться маслонаполненными) либо по сухой технологии с использованием пленки со специально нанесенным токопроводящим рисунком — такая сегментация пленки позволяет отключать участки, поврежденные во время работы конденсатора, — или из сегментированной пленки, пропитанной не содержащим свободного масла силиконом. Пропитанные маслом силовые пленочные конденсаторы обычно используются в применениях, требующих быстрого разряда высокими токами, в высоковольтных цепях напряжения постоянного или переменного тока, а также в схемах коррекции коэффициента мощности. Сухие сегментированные пленочные конденсаторы используют в самых различных областях применения, включая, помимо прочего, приложения (применения) средней мощности, а также в качестве демпфера (снабберов) для подавления переходных процессов, возникающих при коммутации нагрузки. Такие конденсаторы находят широкое применение в фильтрах напряжения переменного и постоянного тока, в печах индукционного нагрева. Кроме того, в исполнении для поверхностного монтажа (SMD) они с успехом используются в различных решениях в части подавления электромагнитных помех (ЭМП) и обеспечения требований по электромагнитной совместимости (ЭМС). Сегментированные пленочные конденсаторы, пропитанные не содержащим свободного масла силиконом, обычно используются в системах, занимающих промежуточную позицию на границе между низковольтными и высоковольтными приложениями, хотя они также могут с не меньшим успехом использоваться и в типичных областях применения сухих пленочных высоковольтных конденсаторов.

Проблемы проектирования силовых пленочных конденсаторов

Современные гибридные и высококристаллические технологии получения диэлектрической пленки позволили инженерам разработать новые неполярные полипропиленовые пленочные конденсаторы, которые обладают более широким диапазоном рабочих температур и более высокими возможностями по отдаче и приему мощности, чем все предыдущие поколения этой же и таких конкурирующих с ней технологий, как, например, алюминиевые электролитические конденсаторы. Достигнутые улучшения в части технологий позволяют обеспечить для новых конденсаторов более высокую надежность функционирования и более эффективную защиту линий передачи мощности от скачков и провалов напряжения, а также фильтрацию собственных и кондуктивных ЭМП. Такие конденсаторы пригодны для использования в самых различных применениях на рынке силовой электроники, в том числе в оборудовании, предназначенном для работы в системах возобновляемой энергетики и в интеллектуальных электросетях. Новые силовые пленочные конденсаторы эффективно работают в цепях напряжения переменного и постоянного тока и, благодаря использованию более тонких пленок, обладают более высокой удельной емкостью. Однако нельзя забывать, что достижение более высокой удельной емкости, как правило, связано с ограниченными возможностями по току и, следовательно, по мощности.

Для того чтобы преодолеть эти ограничения, инженеры разработали тонкопленочные конденсаторы с двумя параллельными пленочными элементами. Такие конденсаторы имеют четыре терминала и, благодаря своей конструкции, обеспечивают бóльшую эффективность, позволяя работать на больших токах с одновременным сохранением высокой удельной емкости конденсатора (рис. 1). Для обеспечения более высокого рабочего напряжения эти конденсаторы могут быть включены последовательно.

Рис. 1. Шестивыводной конденсатор серии FFLC компании AVX хорошо подходит для фильтрации шин напряжения постоянного тока в системах ветроэнергетики

Эти и другие недавние достижения в диэлектрических технологиях применительно к силовым пленочным конденсаторам позволили им не только идти нога в ногу с быстро развивающимся рынком силовой электроники, но и продолжать продвигать новые технологии генерации электрической энергии следующего поколения, такие как широкое использование альтернативных источников энергии и различные решения в рамках интеллектуальных электрических сетей.

Ранее как пропитанные маслом, так и сухие силовые пленочные конденсаторы использовали специально обработанную пленку из высококристаллического полипропилена (пленка при этом из прозрачной становится матовой) с пропиткой растительным маслом. Современные силовые пленочные конденсаторы обычно применяют бумагу или пленку с алюминиевым покрытием и, если конденсатор предназначен для использования в применениях, требующих большой мощности, диэлектрик обычно пропитывается минеральным маслом. Однако, в отличие от минерального, растительное масло (как правило, используется рапсовое масло) обладает более хорошими тепловыми и диэлектрическими свойствами, является экологически чистым и в сочетании со специально обработанной полипропиленовой пленкой эффективно растекается между слоями пленки, что способствует смягчению дуги в случае пробоя. Минеральное масло менее экологично и не так эффективно в части возможности дугогашения при использовании пленки с фольгой, но может быть полезно для бумажных диэлектриков. Некоторые новые, более совершенные силовые пленочные конденсаторы для достижения тепловых и диэлектрических преимуществ, обеспечиваемых маслонаполненными конденсаторами, используют специальную технологию без применения масла. Такие конденсаторы особенно эффективны в применениях высокой мощности, в которых, из-за требований по безопасности, запрещено использование конденсаторов, пропитанных маслом, поскольку такие безмасляные конденсаторы имеют нулевой риск взрыва и, таким образом, являются безопасной альтернативой конденсаторам с масляной пропиткой (рис. 2).

Рис. 2. Безмасляные конденсаторы серии FFLI HV компании AVX — сухое решение для применений с высокими рабочими напряжениями, вплоть до 3,8 кВ

В последнее время более тонкие полипропиленовые (ПП) пленки были объединены со сложными металлизированными рисунками, что позволило создавать небольшие по габаритам конденсаторы, специально предназначенные для использования в системах современной компактной силовой электроники преобразования мощности. В течение многих лет здесь превалирует тенденция к использованию все меньших по размерам конденсаторов, которая становится все более востребованной из-за массового производства специально разработанных для рынка силовой электроники полупроводниковых приборов на материалах с широкой запрещенной зоной (wide bandgap, WBG). Технология WBG дает возможность использовать более высокие рабочие частоты преобразования, а также напряжения и температуры, но при этом создает спрос на еще более малогабаритные и из-за этого еще более сложные в конструктивном исполнении компоненты.

Конструктивные ограничения для конденсаторов

В современных силовых пленочных конденсаторах, как правило, используют более тонкие слои металлизированной пленки, чем у их предшественников, что связано с необходимостью удовлетворить требования по уменьшению их физических размеров и весу, что, в свою очередь, затрагивает почти все стороны как их разработки, так и их изготовления. Применяемые в конденсаторах пленки обычно имеют толщину 2–5 мкм, что физически ограничивает их возможности передачи тока. С одной стороны, инженеры — разработчики таких конденсаторов могут преодолеть это ограничение — использовать более широкие, чем обычно, пленки, поскольку в этом случае они имеют более высокую возможность передачи тока благодаря большей площади поверхности конденсатора. Как известно, емкость конденсатора может быть определена как:

C = εε₀S/d,

где e — относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющая пространство между пластинами (в вакууме равна единице), e₀ — электрическая постоянная, равная 8,854187817×10^–12 Ф/м; S — площадь каждой (или наименьшей) пластины; d — расстояние между пластинами.

Использование различных процессов металлизации, включая двухслойную металлизацию, также позволяет увеличить возможности переноса тока в новых конструкциях силовых пленочных конденсаторов.

Горячие точки и их влияние на надежность силовых конденсаторов

Большие электрические токи, протекающие через конденсатор, играют весьма существенную роль и оказывают самое непосредственное влияние на его надежность и срок эксплуатации. Высокий среднеквадратичный ток I_rms может увеличить температуру в так называемых горячих точках конденсатора, что в свою очередь может привести к локальным отказам и сократить общий срок его службы. Температуру самой горячей точки θ_HS можно рассчитать с помощью уравнения:

θ_HS = θ_amb+(P_j+P_d)×R_th,

где P_j = R_s×I_rms² и Pd = (I_rms²/2πfC)×tgδ₀.

Здесь θ_amb — температура окружающей среды; R_th — тепловое сопротивление конденсатора по отношению к внешней среде; R_s — эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора; f — рабочая частота; tgδ₀ — начальные потери.

В зависимости от требований конкретного применения, решения, необходимые для достижения более длительного срока службы, могут включать внедрение системы принудительного охлаждения или использовать конденсатор с более высоким допустимым рабочим током.

На надежность силовых пленочных конденсаторов в высоковольтных применениях с экстремальными условиями могут повлиять варианты их исполнения в части монтажа и типы терминалов, а также насколько площадь поверхности будет подвергаться воздействию принудительного воздушного охлаждения (если оно есть). Кроме того, необходимо учитывать еще и уровень механических напряжений ударов и/или вибрации, которые воздействуют на конденсатор в условиях эксплуатации, и то, как долго он должен справляться с бросками токов или напряжений.

Функциональность силовых конденсаторов представляет собой сумму из трех первичных коррелированных параметров: температуры самой горячей точки, напряженности электрического поля между его обкладками и ожидаемого срока службы. Чтобы увеличить объемную плотность энергии, необходимо внести соответствующие коррективы в материал пленки, металлизацию и решить проблемы контролируемого самовосстановления, не забывая при этом учитывать все перечисленные параметры. Результатом разработки будет корреляция диэлектрика конденсатора, металлизации и сегментации.

Если целью инженера является увеличение соотношения eE² (в котором e — это диэлектрическая постоянная, а E — напряженность электрического поля), то объем диэлектрика конденсатора будет обратно пропорционален квадрату напряженности электрического поля. Это связано с тем, что энергия, накопленная в конденсаторе и выраженная через напряженность электрического поля между его обкладками, определяется как:

W = CU²/2 = ε₀εSU²/2d = (ε₀εS/2)(U/d)² = (ε₀εV/2)E²,

где V = S_d — объем диэлектрика между обкладками (S — площадь обкладок); E = U/d — напряженность электрического поля между обкладками.

Для того чтобы улучшить функциональные показатели силового пленочного конденсатора, разработчики при выборе материала должны отдавать предпочтение пленкам из высококристаллического полипропилена, который имеет значительно меньше аморфных фаз, чем альтернативные варианты. Такие пленки обеспечивают устойчивую длительную работу конденсатора при температурах до +105 °C и +115 °C в применениях, для которых не требуются особо длительные сроки эксплуатации. Чтобы улучшить функциональные показатели, инженеры должны стремиться избегать генерации лавинообразного пробоя, а для этого при разработке конструкции силового конденсатора тщательно выбирать металлизацию и оптимальную сегментацию его пленки. Этого можно достичь путем управления областью безопасности в период I²t, когда происходит самовосстановление конденсатора.

Преимущества пленочной технологии

На рынке коммерчески доступны силовые пленочные конденсаторы в самом широком диапазоне конфигураций и электрических характеристик, при этом они обеспечивают более безопасные решения, чем алюминиевые электролитические конденсаторы, которые имеют ограниченный диапазон по рабочим напряжениям и высокий риск утечки. Кроме того, представлены и конденсаторы ряда других технологий, которые физически не могут безопасно и эффективно работать при высоких напряжениях и токах в необходимых для рассматриваемой области применения уровнях емкости.

В таблице приведено краткое сравнение силовых пленочных конденсаторов с алюминиевыми электролитическими конденсаторами.

Примечание. Undc — номинальное рабочее напряжение по постоянному току

Использование в энергосистемах возобновляемых источников энергии

Поскольку для большинства систем энергоснабжения, выполненных на базе альтернативных источников энергии, типичны различные флуктуации напряжения и тока, то в этих электрических сетях силовые пленочные конденсаторы часто используются для фильтрации и сглаживания нежелательных пульсаций токов, а также подавления собственных помех и переходных процессов, создаваемых несбалансированными нагрузками. В системах получения энергии от альтернативных источников, как правило, применяются AC/DC- или DC/DC-преобразователи, которым для функционирования также необходимы силовые конденсаторы. В таких преобразователях силовые пленочные конденсаторы эффективно предотвращают их повреждение, гася броски напряжения. Кроме того, поскольку такие устройства способны к быстрому накоплению и отдаче сохраненной в них энергии, они помогают поддерживать общую непрерывность энергоснабжения интеллектуальной сети. Также конденсаторы позволяют предотвратить повреждение нагрузок такой сети в результате бросков тока или напряжения, принимая удары на себя.

Силовые пленочные конденсаторы чрезвычайно полезны в высоковольтных сетях переменного тока еще и из-за того, что они эффективно работают как компенсирующие устройства реактивной мощности в сети электроснабжения. Это важно, потому что многие другие компоненты, питающиеся от сети переменного тока, включая двигатели, преобразователи и сами линии электропередачи, потребляют реактивную мощность, что делает систему в целом менее эффективной. Силовые пленочные конденсаторы для компенсации задержек, вызванных реактивной мощностью, могут корректировать фазовый сдвиг тока по отношению к напряжению, что повышает эффективность системы при использовании в ней двигателей, генераторов и других подключенных устройств, представляющих собой индуктивную или нелинейную нагрузку.

Кроме того, в высоковольтных силовых сетях постоянного тока рассматриваемые пленочные конденсаторы могут быть сконфигурированы параллельно для достижения уровней аккумулирования энергии с высокой емкостью, которые в случае возникновения короткого замыкания в нагрузке могут помочь посредством быстрого разряда на шине напряжения постоянного тока системы стабилизировать ее выходное напряжение на заданном уровне, чтобы компенсировать его падение. Силовые пленочные конденсаторы достаточно часто используются в DC/AC-, DC/DC-преобразователях общего назначения, а также как пусковые или фазосдвигающие конденсаторы двигателей.

Заключение

Усовершенствованные силовые пленочные конденсаторы — это критически важные элементы, которые активно поддерживают непрерывную эволюцию технологий высоковольтных систем возобновляемых источников энергии и интеллектуальных электросетей. Они отличаются высокой эффективностью и длительным сроком службы, имеют высокую надежность, их параметры мало зависят от температуры, а внутренний пробой конденсатора не имеет катастрофических последствий — конденсатор после пробоя восстанавливается и может продолжать выполнять свои функции для конкретного применения вплоть до критической потери емкости. Кроме того, они имеют более высокую плотность мощности по сравнению с сопоставимыми технологиями. В течение всего срока эксплуатации такие устройства требуют лишь минимального обслуживания, что делает их оптимальным решением в качестве компенсирующих элементов для систем энергоснабжения, выполненных на основе возобновляемых источников энергии. Это может значительно повысить общую эффективность таких энергосистем и впоследствии способствовать их доминированию на рынке. Так что мы вполне можем увидеть полную победу таких альтернативных источников энергии, как солнечная энергия и энергия ветра, над получением электрической энергии путем сжигания ископаемого топлива.