W jaki sposób diody mogą zapobiec uszkodzeniu sterowników przez przepływ wsteczny energii wiatrowej?

1, Niekontrolowany obwód prostownika: naturalna bariera blokująca odwrotne zasilanie z akumulatorów
W elektrowniach wiatrowych niesterowany obwód prostownika jest kluczowym ogniwem łączącym generator z akumulatorem. Jego podstawową funkcją jest przekształcanie mocy wyjściowej prądu przemiennego przez generator na prąd stały, przy jednoczesnym wykorzystaniu jednokierunkowej przewodności diod, aby zapobiec odwrotnemu dostarczaniu energii do generatora przez akumulator podczas niskich prędkości wiatru lub w stanach wyłączenia. Na przykład w trójfazowym niekontrolowanym obwodzie prostowniczym z diodami sześć diod tworzy strukturę mostkową. Gdy napięcie wyjściowe generatora jest niższe niż napięcie akumulatora, diody automatycznie wyłączają się, blokując ścieżkę prądu wstecznego.

Zalety techniczne:

Prosta i niezawodna konstrukcja: Do osiągnięcia podwójnej funkcji prostowania i zapobiegania przepływowi zwrotnemu potrzebne są tylko diody, bez konieczności stosowania dodatkowych obwodów sterujących, co skutkuje niskim wskaźnikiem awaryjności.
Niskie zużycie energii: Spadek napięcia przewodzenia diod wynosi zwykle 0,3–0,7 V, a w scenariuszach wysokiego napięcia i wysokiego prądu utrata mocy jest znacznie niższa niż w przypadku elementów aktywnych, takich jak IGBT.
Szybka prędkość reakcji: Czas przełączania diody mieści się w zakresie nanosekund, co pozwala natychmiast reagować na zmiany napięcia i unikać przepięć prądu wstecznego.
Sprawa inżynierska:
Morska farma wiatrowa wykorzystuje zawór prostowniczy diodowy, który zastępuje tradycyjny modułowy wielopoziomowy zawór prostowniczy (MMC). Przy tej samej mocy przesyłowej stacja przekształtnikowa zmniejszyła objętość o 80%, wagę o 65% i czas instalacji o 20%. Głównym powodem jest to, że zawór prostownika diodowego nie wymaga skomplikowanych algorytmów sterowania, a straty przewodzenia diody są o ponad 20% niższe niż w przypadku IGBT, co znacznie poprawia stabilność i ekonomikę systemu.

2, Zabezpieczenie przed odwrotną polaryzacją: aby uniknąć katastrofalnych usterek spowodowanych odwrotną polaryzacją zasilania
Sterownik elektrowni wiatrowej musi być kompatybilny z wieloma źródłami zasilania (takimi jak zasilanie sieciowe, generatory diesla i akumulatory). Jeśli użytkownik przypadkowo odwróci polaryzację zasilania, może to spowodować spalenie wewnętrznych kondensatorów, tranzystorów MOSFET i innych elementów sterownika. Łącząc diody szeregowo na wejściu zasilania, można zbudować tani-i wysoce niezawodny obwód zabezpieczający przed odwróceniem.

Punkty projektowe:

Optymalizacja spadku napięcia przewodzenia przewodzenia: Diody Schottky'ego (takie jak MBR1045CT) charakteryzują się spadkiem napięcia przewodzenia wynoszącym zaledwie 0,3 V, a w sterownikach poziomu o mocy 5 kW straty przewodzenia stanowią mniej niż 0,6%, czyli znacznie mniej niż w przypadku tradycyjnych diod krzemowych (0,7 V).
Kontrola wstecznego prądu upływowego: Idealne układy scalone diodowe (takie jak LTC4412) mogą tłumić wsteczny prąd upływowy do wartości poniżej 1 μA, unikając degradacji pojemności akumulatora z powodu prądu upływowego w trybie czuwania.
Tłumienie prądu udarowego: Łącząc termistory NTC równolegle z diodami, można ograniczyć prąd udarowy w momencie włączenia zasilania, chroniąc kondensator znajdujący się za nim.
Analiza trybu awarii:
W przypadku konserwacji sterownika elektrowni wiatrowej, ze względu na brak zabezpieczenia przeciwodwrotnego, użytkownik omyłkowo podłączył zasilanie, co spowodowało eksplozję kondensatora wejściowego. W kolejnym planie ulepszeń zastosowano obwód złożony składający się z „diody Schottky’ego + bezpiecznika samoregenerującego się”, który odcina diodę w przypadku odwrócenia biegu i topi bezpiecznik, całkowicie izolując usterkę.

3, Sterowanie ścieżką odzyskiwania energii: kluczowe ogniwo zapobiegające przeciążeniu rezystorów hamowania
W systemach energetyki wiatrowej, gdy prędkość wiatru przekracza wartość znamionową, nadwyżkę energii należy wykorzystać poprzez regulację nachylenia lub rezystory hamujące. Jeśli obwód rezystora hamowania nie zostanie odpowiednio zaprojektowany, prąd wsteczny może przepływać do sterownika przez diodę korpusu IGBT, powodując przegrzanie podzespołów. Dioda może zbudować niezależną ścieżkę odzyskiwania energii, zapewniając, że prąd hamowania będzie uwalniany tylko przez rezystor.

Typowe zastosowania:

Dioda jednokierunkowa obwodu buck: W obwodach buck prądu stałego/DC diody napięciowe (takie jak 1N5819WS) zapewniają ścieżkę zwalniającą do indukcyjnego magazynowania energii, zapobiegając wytwarzaniu zwrotnej siły elektromotorycznej o wysokim-napięciem, gdy IGBT jest wyłączony.
Dioda zapobiegająca przepływowi zwrotnemu w obwodzie wzmacniającym: w obwodzie wzmacniającym dioda (taka jak MBR20100CT) zapobiega przepływowi wstecznemu napięcia wyjściowego do zacisku wejściowego, chroniąc komponenty po stronie niskiego-napięciowego.
Obsługa danych:
Z danych testowych przetwornicy wiatrowej wynika, że ​​po wymianie zwykłych diod prostowniczych na diody Schottky'ego wzrost temperatury rezystora hamowania zmniejszył się ze 120 stopni do 85 stopni, a sprawność układu wzrosła o 3,2%.

4, Dioda zaciskająca w topologii wielopoziomowej: podstawowy element poprawiający niezawodność falownika
W pięciopoziomowej topologii kaskadowego mostka H- z diodą, dioda mocująca może zrównoważyć napięcie każdego ramienia mostka i zapobiec uszkodzeniu podzespołów spowodowanemu nierównomiernym napięciem. Na przykład w systemie elektrowni wiatrowych z napędem bezpośrednim z magnesami trwałymi topologia ta umożliwia bezpośrednie połączenie z siecią średniego napięcia poprzez 12-impulsowy prostownik i pięciopoziomowy falownik. Dioda zaciskająca zmniejsza obciążenie napięciowe urządzeń przełączających do połowy napięcia szyny DC, znacznie poprawiając niezawodność systemu.

Przełom technologiczny:
Siemens stosuje topologię z zaciskaniem diodowym w morskich stacjach przekształtnikowych energii wiatrowej, uzyskując 9-poziomową moc wyjściową, potrajając równoważną częstotliwość przełączania, redukując zniekształcenia harmoniczne do poziomu poniżej 1,5% i zmniejszając objętość filtra o 40%.

5, Najnowocześniejsza technologia: dioda o szerokim paśmie wzbronionym napędza modernizację systemu energetyki wiatrowej
Wraz z dojrzewaniem diod z węglika krzemu (SiC), ich zerowy odzysk ładunku zwrotnego (Qrr ≈ 0) i odporność na wysoką temperaturę (200 stopni) przyspieszają wymianę diod krzemowych-w dziedzinie energetyki wiatrowej. Na przykład dioda Schottky'ego C3D10060A SiC firmy Cree zmniejsza straty przewodzenia o 75% w porównaniu z diodami krzemowymi w warunkach 100 A/600 V, przy utracie odzyskiwania zwrotnego bliskiej zeru.

Scenariusz zastosowania:

Przetwornica DC/DC wysokiej częstotliwości: Diody SiC mogą zwiększyć częstotliwość przełączania do ponad 200 kHz, znacznie zmniejszając rozmiar cewek indukcyjnych i kondensatorów.
Przetwornica częstotliwości średniego napięcia: W przetwornicach energii wiatrowej 10 kV diody SiC mogą zmniejszyć liczbę kaskad i zmniejszyć złożoność systemu.