Как диодите могат да предотвратят обратния поток на вятърната енергия от повреждане на контролерите?

1, Неконтролируема токоизправителна верига: естествена бариера, която блокира обратното захранване от батерии
Във вятърните енергийни системи веригата на неконтролирания токоизправител е ключова връзка, свързваща генератора и батерията. Неговата основна функция е да преобразува изходната променлива мощност от генератора в постоянна мощност, като същевременно използва еднопосочната проводимост на диодите, за да предотврати захранването на батерията към генератора в обратна посока по време на ниски скорости на вятъра или състояния на изключване. Например в три-фазна диодна неконтролирана изправителна верига шест диода образуват мостова структура. Когато изходното напрежение на генератора е по-ниско от напрежението на батерията, диодите автоматично прекъсват, блокирайки пътя на обратния ток.

Технически предимства:

Проста и надеждна структура: Необходими са само диоди за постигане на двойни функции на коригиране и предотвратяване на обратен поток, без необходимост от допълнителни контролни вериги, което води до нисък процент на отказ.
Ниска консумация на енергия: Падът на проводящото напрежение на диодите обикновено е 0,3-0,7 V, а при сценарии с високо напрежение и висок ток загубата на мощност е значително по-ниска от тази на активни компоненти като IGBT.
Бърза скорост на реакция: Времето за превключване на диода е в диапазона от наносекунди, което може незабавно да реагира на промени в напрежението и да избегне обратни токови удари.
Инженерен случай:
Офшорна вятърна ферма използва диоден токоизправителен вентил, за да замени традиционния модулен много{0}}степенен токоизправителен вентил (MMC). При същия преносен капацитет конверторната станция има намален обем с 80%, тегло с 65% и време за инсталиране с 20%. Основната причина е, че диодният токоизправителен вентил не изисква сложни алгоритми за управление, а загубата на проводимост на диода е с повече от 20% по-ниска от тази на IGBT, което значително подобрява стабилността и икономичността на системата.

2, Защита срещу обратна полярност: за избягване на катастрофални повреди, причинени от обратна полярност на захранването
Контролерът за вятърна енергия трябва да е съвместим с множество входове за захранване (като мрежово захранване, дизелови генератори и батерии). Ако потребителят случайно обърне полярността на захранването, това може да доведе до изгаряне на вътрешните кондензатори, MOSFET транзистори и други компоненти на контролера. Чрез последователно свързване на диоди на входа на мощността може да се изгради ниско{2}}разходна и много надеждна верига за защита срещу обратен ход.

Точки на дизайна:

Оптимизиране на спада на напрежението за права проводимост: Диодите на Шотки (като MBR1045CT) имат спад на напрежението за права посока от само 0,3 V, а в контролерите за ниво от 5kW загубата на проводимост е по-малко от 0,6%, много по-ниска от традиционните силициеви диоди (0,7 V).
Контрол на обратния ток на утечка: Идеалните диодни ИС (като LTC4412) могат да потиснат обратния ток на утечка до под 1 μA, избягвайки влошаване на капацитета на батерията поради ток на утечка в режим на готовност.
Потискане на ударния ток: Чрез свързване на NTC термистори паралелно с диоди, ударният ток в момента на включване може да бъде ограничен, защитавайки кондензатора надолу по веригата.
Анализ на режима на отказ:
В случай на поддръжка на контролер за вятърна енергия, поради липсата на защита срещу обратен ход, потребителят погрешно е свързал захранването, което е довело до експлозия на входния кондензатор. Последващият план за подобрение приема съставна верига от "диод на Шотки + самовъзстановяващ се предпазител", който прекъсва диода при обръщане и стопява предпазителя, като напълно изолира повредата.

3, Контрол на пътя за възстановяване на енергията: ключова връзка за предотвратяване на претоварване на спирачните резистори
При системите за вятърна енергия, когато скоростта на вятъра надвишава номиналната стойност, излишната енергия трябва да се консумира чрез управление на наклона или спирачни резистори. Ако веригата на спирачния резистор не е проектирана правилно, обратният ток може да потече в контролера през корпусния диод на IGBT, причинявайки прегряване на компонента. Диодът може да изгради независим път за възстановяване на енергията, като гарантира, че спирачният ток се освобождава само през резистора.

Типични приложения:

Диод за свободно завъртане на понижаваща верига: В DC/DC понижаващи вериги диодите за свободно завъртане (като 1N5819WS) осигуряват път на освобождаване за индуктивно съхранение на енергия, избягвайки генерирането на високо-напрежение на обратна електродвижеща сила, когато IGBT е изключен.
Диод против обратен поток на усилваща верига: В усилваща верига диод (като MBR20100CT) предотвратява обратния поток на изходното напрежение към входния терминал, защитавайки компонентите от страна на ниско-напрежение.
Поддръжка на данни:
Данните от теста на преобразувател на вятърна енергия показват, че след замяната на обикновените токоизправителни диоди с диоди на Шотки, повишаването на температурата на спирачния резистор е намаляло от 120 градуса на 85 градуса, а ефективността на системата се е увеличила с 3,2%.

4, Затягащ диод в многостепенна топология: основен компонент за подобряване на надеждността на инвертора
В петстепенната каскадна H{0}}мостова топология с диодно затягане, затягащият диод може да балансира напрежението на всяко мостово рамо и да предотврати повреда на компонента, причинена от неравномерно напрежение. Например, в система за вятърна енергия с директно задвижване с постоянен магнит, тази топология постига директно свързване към мрежата със средно напрежение чрез 12-импулсен токоизправител и петстепенен инвертор. Затягащият диод намалява напрежението на превключващите устройства до половината от напрежението на DC шината, като значително подобрява надеждността на системата.

Технологичен пробив:
Siemens приема топология с диодни клеми за офшорни вятърни преобразувателни станции, постигайки 9-степенна мощност, утроявайки еквивалентната честота на превключване, намалявайки хармоничните изкривявания до под 1,5% и намалявайки обема на филтъра с 40%.

5, Авангардна технология: Диод с широка лента задвижва надстройка на вятърната енергийна система
Със зрелостта на диодите от силициев карбид (SiC), тяхното възстановяване при нулево обратно зареждане (Qrr ≈ 0) и характеристиките на устойчивост на висока температура (200 градуса) ускоряват замяната на базираните на силиций -диоди в областта на вятърната енергия. Например диодът на Шотки C3D10060A SiC на Cree намалява загубата на проводимост със 75% в сравнение със силициевите диоди при условия на 100A/600V, като загубата при обратно възстановяване се доближава до нула.

Сценарий на приложение:

Високочестотен DC/DC преобразувател: SiC диодите могат да увеличат честотата на превключване до над 200 kHz, като значително намаляват размера на индукторите и кондензаторите.
Честотен преобразувател със средно напрежение: В преобразувателите на вятърна енергия от 10 kV SiC диодите могат да намалят броя на каскадите и да намалят сложността на системата.