Как диодите защитават мощността на вятърни турбини и генератори при ниски скорости?

一, Основни предизвикателства и логика за диодна защита при условия на ниска скорост на вятъра
1. Физически характеристики и рискове от условия на ниска скорост на вятъра
Изходната мощност на вятърна турбина е право пропорционална на третата степен на скоростта на вятъра. Когато скоростта на вятъра е по-ниска от намалената скорост на вятъра (обикновено 3-5 m/s), скоростта на генератора е недостатъчна и изходното напрежение може да е по-ниско от напрежението на батерията или мрежата, което води до следните рискове:

Текущ обратен поток: Батерията или електрическата мрежа доставя мощност в обратна посока през намотката на двигателя, което води до прегряване на двигателя и демагнетизиране на постоянния магнит;
Колебания на напрежението: Нестабилното изходно напрежение води до необичайна работа на следващите DC/DC преобразуватели или инвертори;
Срив на ефективността: Ефективността на производството на електроенергия пада рязко при ниски скорости на вятъра и ако защитата липсва, системата може да продължи да консумира енергия, вместо да генерира електричество.
2. Защитен механизъм на диоди
Диодите изграждат физически изолационни бариери чрез еднопосочна проводимост:

Права проводимост: Когато изходното напрежение на генератора е по-високо от напрежението на клемата на товара, диодът провежда и токът протича от генератора към товара;
Обратно прекъсване: Когато напрежението на генератора е по-ниско от напрежението на клемите на товара, диодът автоматично прекъсва, блокирайки пътя на обратния ток.
Като вземем за пример независима малка вятърна турбина, нейната три{0}}фазна неконтролирана мостова токоизправителна верига използва 6 диода (като MUR60120, издържано напрежение 1200 V, ток 60 A). Когато скоростта на вятъра е под 3m/s, диодната матрица може напълно да блокира обратното захранване от батерията към генератора, с ефективност на защита над 99,9%.

2, Типични сценарии за приложение и техническо изпълнение
1. Независима малка-мащабна система за производство на вятърна енергия
При сценарии за дистанционно захранване малките вятърни турбини (мощност 1-10kW) често приемат архитектура "вятърна турбина+батерия+товар". Неговият защитен дизайн включва два слоя диоди:

Изправителен слой: три{0}}фазната мостова токоизправителна верига преобразува променлив ток в постоянен ток и параметрите на диода трябва да отговарят на:
Обратно издържано напрежение По-голямо или равно на 1,5 пъти пиковото напрежение на генератора (напр. . 100V диод е избран за 24V система);
Средният ток е по-голям или равен на 1,2 пъти номиналния ток на генератора (ако 5A система използва 6A диод).
Слой против обратен поток: Свържете диоди на Шотки (като MBR1045CT, V_F=0.4V) последователно между батерията и изходния извод на токоизправителя, за да намалите загубите на проводимост, като същевременно гарантирате надеждност на обратно прекъсване.
Случай: В проект за електроснабдяване в селски райони в Африка вятърната турбина, проектирана, както е описано по-горе, все още може да работи стабилно при скорост на вятъра от 2 m/s. Обратният ток на батерията е намален от 0.5A на 0A, а животът на системата се удължава три пъти.

2. Свързани с мрежата вятърни турбини
При вятърни турбини, свързани с мрежата на ниво MW, диодната защита трябва да се комбинира със силови електронни преобразуватели, за да се постигне:

Конвертор от страна на машината: използване на IGBT+диоден хибриден модул (като Infineon FF600R12ME4), с време за обратно възстановяване на диода По-малко или равно на 100ns, за избягване на обратен токов удар при високо-честотно превключване;
Преобразувател от страна на мрежата: Инсталирайте TVS диоди (като 1.5KE33CA) между DC шината и страната на мрежата, за да потиснете преходното пренапрежение, причинено от удари на мълния или повреда в мрежата;
Верига за разтоварване: Когато скоростта на вятъра е твърде ниска и напрежението на DC шината е твърде високо, разтоварващият клон на паралелни диоди и резистори автоматично се пуска в действие, преобразувайки излишната енергия в топлинна енергия за потребление.
Данни: Действителните измервания от определен офшорен вятърен парк показват, че след приемането на тази защитна схема, процентът на отказ на вятърни турбини при ниски скорости на вятъра (4m/s) е намалял от 12% на 2%, а годишното производство на електроенергия се е увеличило с 8%.

3, Основни технически параметри и принципи на подбор
1. Съвпадение на основни параметри
Положителен спад на напрежението (V_F): влияе директно върху ефективността на системата. V-F на силициеви-диоди е около 0,6-0,8V, докато диодите на Шотки могат да го намалят до 0,2-0,4V. Във вятърна турбина от 100kW използването на диоди на Шотки може да намали годишните загуби с 12000 kWh.
Време за обратно възстановяване (Trr): При сценарии с високо{0}}честотно превключване Trr трябва да бъде по-малко или равно на 50 ns, за да се избегнат загуби при превключване. Trr на диодите с бързо възстановяване (като FR107) е около 50 ns, докато този на диодите от силициев карбид (SiC) може да бъде намален до 10 ns.
Капацитет на пренос на ударен ток (I2FSM): Трябва да покрие преходния висок ток по време на стартиране-на вятърна турбина или повреда. Например вятърна турбина с мощност 2 MW трябва да избере диод с I2FSM, по-голям или равен на 300 A, за да се справи с въздействието на късо съединение в електрическата мрежа.
2. Стратегия за оптимизиране на избора
Температурна компенсация: В среда с висока-температура (като пустинни райони) температурата на свързване на диодите може да надвишава 150 градуса и трябва да се избират модели, устойчиви на висока-температура (като AEC-Q101 сертифицирани устройства);
Излишен дизайн: приемайки N+1 резервна стратегия, системата все още може да поддържа повече от 80% от изходния капацитет, когато единичен диод се повреди;
Интеграционна тенденция: Интегрираните модули (като IPM), използващи диоди и MOSFET/IGBT, са приети за намаляване на паразитната индуктивност и подобряване на надеждността на системата.