W jaki sposób diody realizują sterowanie kierunkiem sygnału w sieci elektroenergetycznej?

一, Fizyczne podstawy jednokierunkowego przewodnictwa diod
Podstawową strukturą diody jest złącze PN, które tworzy obszar zubożenia na złączu półprzewodnika typu P- (bogatego w dziury) i półprzewodnika typu N- (bogatego w elektrony). Kiedy dioda jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia (z zaciskiem P podłączonym do elektrody dodatniej i zaciskiem N podłączonym do elektrody ujemnej), obszar zubożenia zwęża się, a nośniki przepływają swobodnie, tworząc ścieżkę o niskim oporze; Przy polaryzacji zaporowej obszar zubożenia rozszerza się, umożliwiając przepływ jedynie prądu upływowego o wartości mikroampera, co stanowi stan o wysokiej rezystancji. Ta cecha sprawia, że ​​diody są naturalnym „zaworem elektronicznym”, który może dokładnie kontrolować kierunek prądu.

Kluczowe parametry:

Spadek napięcia przewodzenia (VF): około 0,6-0,7 V dla diod krzemowych i zaledwie 0,15-0,4 V dla diod Schottky'ego.
Odwrotny czas regeneracji (TRR): Czas regeneracji zwykłych diod wynosi kilkaset nanosekund, diody szybkiej regeneracji można skrócić do kilkudziesięciu nanosekund, a diody Schottky'ego czas regeneracji jest bliski zeru.
Odwrotne napięcie przebicia (VRRM): Określa maksymalne napięcie wsteczne, jakie dioda może wytrzymać i jest kluczowym wskaźnikiem przy wyborze w zastosowaniach w sieciach elektroenergetycznych.
2, Typowe scenariusze zastosowań sterowania kierunkiem sygnału sieci energetycznej
1. Układ prostowniczy i zasilania prądem stałym
W łączu przesyłowym prądu stałego w sieci elektroenergetycznej mostki prostownicze diodowe (takie jak trójfazowe-pełne mostki) przekształcają prąd przemienny w prąd stały, tworząc podstawę do przesyłu prądu stałego o wysokim-napięciem (HVDC). Na przykład w projektach prądu stałego o ultra-wysokim napięciu ± 800 kV prostowniki diodowe muszą wytrzymywać tysiące amperów prądu i kilka megawoltów napięcia, a ich charakterystyka odzyskiwania zwrotnego bezpośrednio wpływa na wydajność systemu.

Strategia optymalizacji:

Stosowanie diod szybkiego odzyskiwania (FRD) lub diod z węglika krzemu (SiC) w celu zmniejszenia strat w procesie odwrotnego odzyskiwania.
Dzięki zastosowaniu technologii równoległego współdzielenia prądu w celu rozproszenia prądu i poprawy niezawodności urządzenia.
2. Izolacja kierunkowa przy włączaniu nowej energii do sieci
W falownikach fotowoltaicznych i przetwornicach energetyki wiatrowej stosuje się diody zapobiegające odwrotnemu zasilaniu sieci. Na przykład panele fotowoltaiczne są połączone z falownikami za pomocą diod. W przypadku awarii sieci energetycznej lub wyłączenia falownika diody automatycznie blokują prąd wsteczny, chroniąc sprzęt przed uszkodzeniem.

Analiza przypadku:
Elektrownia fotowoltaiczna o mocy 10 MW ma modułową konstrukcję równoległą, w której każda gałąź fotowoltaiczna jest połączona szeregowo z diodami. Rzeczywiste dane testowe pokazują, że gdy napięcie sieciowe spadnie do 30%, dioda może szybko zablokować prąd wsteczny, zapewniając stabilne napięcie po stronie prądu stałego falownika i unikając przepięć sprzętu.

3. Ochrona przekaźnika i izolacja usterek
W przekaźnikowym urządzeniu zabezpieczającym sieć energetyczną diody są łączone z urządzeniami, takimi jak tyrystory i tranzystory IGBT, aby uzyskać szybkie-odcięcie prądów zwarciowych. Na przykład wyłączniki prądu stałego wykorzystują charakterystykę diodowego blokowania zwrotnego w celu odizolowania uszkodzonej gałęzi w przypadku awarii, zapobiegając rozprzestrzenianiu się awarii.

Przełom technologiczny:
Wyłącznik obwodu prądu stałego oparty na hybrydzie SiC MOSFET i diodzie może odciąć tysiące amperów prądu zwarciowego w ciągu 5 ms, z szybkością reakcji ponad 10 razy większą niż tradycyjne mechaniczne wyłączniki automatyczne.

4. Modulacja sygnału i komunikacja
W komunikacji nośnej linii elektroenergetycznej (PLC) diody służą do modulacji i demodulacji sygnału. Na przykład, używając obwodu detekcji diody do wyodrębniania-sygnałów komunikacyjnych o wysokiej częstotliwości, można osiągnąć transmisję danych sieci energetycznej w czasie rzeczywistym.

Przykład zastosowania:
Podczas budowy „wszechobecnego Internetu rzeczy mocy” w ramach sieci państwowej moduły PLC wykorzystujące technologię detekcji diodowej mogą osiągnąć transmisję danych z szybkością 1 Mb/s na liniach dystrybucyjnych 10 kV przy poziomie błędów mniejszym niż 10 ^ -6.

3, Wyzwania i strategie optymalizacji w zastosowaniach sieci elektroenergetycznych
1. Problemy z niezawodnością w scenariuszach-wysokiego napięcia i wysokiego prądu
W przypadku transmisji prądu stałego o bardzo-wysokim napięciu diody muszą wytrzymać dziesiątki tysięcy amperów prądu i kilka megawoltów napięcia, a ich charakterystyka odzyskiwania wstecznego może powodować skoki napięcia prowadzące do awarii urządzenia.

Rozwiązanie:

Wybór urządzenia: Preferowane są diody SiC, ponieważ mają o 90% krótszy czas odzyskiwania sygnału zwrotnego i 50% redukcję strat przewodzenia w porównaniu z diodami krzemowymi.
Konstrukcja obwodu absorpcyjnego: Równoległy obwód buforowy RC jest podłączony na obu końcach diody w celu tłumienia skoków napięcia. Na przykład w projekcie ± 1100 kV DC napięcie szczytowe zmniejszono z 2,1-krotności wartości znamionowej do 1,3-krotności poprzez optymalizację parametrów RC.
2. Tłumienie zakłóceń elektromagnetycznych (EMI).
Oscylacje o wysokiej-częstotliwości generowane podczas procesu odzyskiwania wstecznego diod mogą powodować zakłócenia elektromagnetyczne i zakłócać działanie sprzętu komunikacyjnego w sieci energetycznej.

Środki optymalizacyjne:

Optymalizacja układu: Skróć długość przewodów diody i zmniejsz indukcyjność rozproszenia.
Konstrukcja filtra: dodaj indukcyjność trybu wspólnego i kondensator Y do zacisku wyjściowego diody, aby stłumić szum-o wysokiej częstotliwości. Rzeczywiste testy pokazują, że zoptymalizowane natężenie promieniowania EMI jest zmniejszone o 15 dB.
3. Zarządzanie temperaturą i żywotnością
Środowisko pracy urządzeń sieci elektroenergetycznej jest złożone, a wysokie temperatury mogą powodować wzrost temperatury złącza diodowego i starzenie się elementów akceleratora.

Ścieżka techniczna:

Konstrukcja termiczna: wykorzystanie radiatorów i technologii chłodzenia cieczą do kontrolowania temperatury złącza poniżej 150 stopni.
Przewidywanie żywotności: w oparciu o temperaturę złącza i model naprężenia prądu ustal algorytm przewidywania żywotności diody, aby zapewnić konserwację zapobiegawczą.