Jaka jest rola diod w rozproszonych systemach zasilania wiatrowego?

1, Obwód prostowniczy: osiągnięcie wydajnej konwersji z prądu przemiennego na prąd stały
Jedną z podstawowych funkcji rozproszonego systemu zasilania energią wiatrową jest konwersja prądu przemiennego generowanego przez turbiny wiatrowe na prąd stały w celu magazynowania go w akumulatorach lub bezpośredniego napędzania odbiorników prądu stałego. Dioda tworzy w tym procesie niekontrolowany mostek prostowniczy, osiągając „pełnofalowe prostowanie” mocy prądu przemiennego poprzez jednokierunkowe przewodnictwo, przekształcając dodatnie i ujemne sygnały prądu przemiennego półcyklu na jednokierunkową pulsującą moc prądu stałego.

Zalety techniczne:

Prosta i niezawodna konstrukcja: trójfazowy, diodowy mostek prostowniczy niesterowany wymaga jedynie 6 diod, bez konieczności stosowania skomplikowanych obwodów sterujących i charakteryzuje się niskim współczynnikiem awaryjności. Na przykład dioda Fuji MUR60120 (wytrzymuje napięcie 1200 V, prąd znamionowy 60 A) jest szeroko stosowana w małych i średnich- turbinach wiatrowych, przy spadku napięcia przewodzenia wynoszącym zaledwie 0,7 V i sprawności prostowania wynoszącej 98,5% w systemach o mocy 10 kW.
Znacząca-efektywność kosztowa: w porównaniu ze sterowanymi obwodami prostowniczymi składającymi się z IGBT lub MOSFET koszt mostka prostowniczego diodowego jest obniżony o ponad 60% i nie ma potrzeby projektowania obwodu sterującego ani rozpraszania ciepła, co znacznie zmniejsza początkową inwestycję w system.
Dostosuj się do trudnych warunków: dioda może pracować stabilnie w zakresie temperatur od -40 stopni do 150 stopni, wytrzymuje wysokie temperatury, kurz i wibracje w scenariuszach wytwarzania energii wiatrowej i ma żywotność ponad 20 lat.
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 musi niezależnie sterować każdym podmodułem, co zmniejsza prawdopodobieństwo awarii o 90% i zmniejsza straty przewodzenia o 20% w porównaniu do MMC, co skutkuje wzrostem wydajności systemu o 3,2%.

2, Ochrona przed odwrotnym połączeniem: budowanie pierwszej linii obrony dla bezpieczeństwa systemu
Interfejs ładowania rozproszonego systemu zasilania energią wiatrową 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. Na przykład, pewna marka skumulowanych systemów magazynowania energii wykorzystuje złożony schemat „dioda Schottky’ego + termistor NTC”. W teście połączenia odwrotnego prąd wsteczny jest ograniczony do 10 mA, a system nie jest uszkodzony.
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-planie dalszych ulepszeń zastosowano obwód złożony składający się z „diody Schottky’ego + bezpiecznika samoczynnie odnawiającego się”, który odcina diodę i topi bezpiecznik w przypadku odwrócenia kierunku, całkowicie izolując usterkę i zmniejszając koszty konserwacji o 80%.

3, Sterowanie ścieżką odzyskiwania energii: Optymalizacja zarządzania mocą rezystorów hamowania
Gdy prędkość wiatru przekracza wartość znamionową, turbina wiatrowa musi zużyć nadwyżkę energii poprzez kontrolę 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 jednokierunkowe (takie jak 1N5819WS) zapewniają ścieżkę zwalniającą do indukcyjnego magazynowania energii, unikając wytwarzania zwrotnej siły elektromotorycznej o wysokim-napięciem, gdy IGBT jest wyłączony. Według rzeczywistych danych testowych, wzrost temperatury rezystora hamowania przy zastosowaniu tego schematu zmniejszył się ze 120 stopni do 85 stopni, a sprawność układu wzrosła o 3,2%.
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. Na przykład, po przyjęciu tego schematu przez pewną markę falownika wiatrowego o mocy 5 kW, żywotność rezystora hamowania wydłuża się trzykrotnie, a cykl konserwacji wydłuża się z 6 miesięcy do 18 miesięcy.
4, Nowe zastosowanie materiału: Aktualizacja systemu napędów diodą z węglika krzemu
Wraz z dojrzewaniem diod z węglika krzemu (SiC), ich zerowym odzyskiem ładunku zwrotnego (Qrr ≈ 0) i odpornością na wysoką temperaturę (200 stopni) przyspieszają wymianę diod na bazie krzemu-w dziedzinie rozproszonego zasilania energią wiatrową. 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. Po zastosowaniu diod SiC w falowniku wiatrowym pewnej marki o mocy 10kW, objętość zostaje zmniejszona o 40%, waga o 30%, a gęstość mocy zwiększona do 5kW/kg.
Przetwornica częstotliwości średniego napięcia: W przetwornicach energii wiatrowej 10 kV diody SiC mogą zmniejszyć liczbę kaskad i zmniejszyć złożoność systemu. Siemens wykorzystuje pięciopoziomową topologię kaskadowego mostka H-z diodami SiC, aby uzyskać 9-poziomowy sygnał wyjściowy, potroić równoważną częstotliwość przełączania, zmniejszyć zniekształcenia harmoniczne do poziomu poniżej 1,5% i zmniejszyć objętość filtra o 40%.