Kako koristiti diode za postizanje jednosmjernog prijenosa energije u mikromrežama?

1, Fizičke osnove jednosmjerne vodljivosti dioda
Struktura jezgre diode je PN spoj, formiran kombinacijom poluvodiča tipa P- (s visokom koncentracijom šupljina) i poluvodiča tipa N- (s visokom koncentracijom elektrona). Na sučelju PN spoja, elektroni difundiraju iz područja N u područje P, a šupljine difundiraju iz područja P u područje N, uzrokujući negativno nabijeno područje P u blizini spoja, a područje N pozitivno nabijeno u blizini spoja, tvoreći unutarnje električno polje (područje prostornog naboja). Ovo električno polje ima dvije ključne karakteristike:

Pozitivna vodljivost: kada je P regija spojena na pozitivni pol napajanja, a N regija spojena na negativni pol, vanjsko električno polje slabi ugrađeno -električno polje, područje prostornog naboja se sužava, a većina nositelja (elektroni i rupe) mogu prijeći područje spoja i formirati struju, što rezultira stanjem niskog otpora diode.
Obrnuto odsijecanje: kada je P regija spojena na negativnu elektrodu, a N regija spojena na pozitivnu elektrodu, vanjsko električno polje pojačava ugrađeno -električno polje, područje prostornog naboja se širi, većina nositelja naboja je blokirana, a samo nekoliko nositelja naboja stvara malu obrnutu struju (struja curenja), što rezultira stanjem visokog otpora diode.
Ova karakteristika čini diode idealnom komponentom za postizanje jednosmjernog protoka energije. Uzimajući silicijske diode kao primjer, njihov pad napona vodljivosti prema naprijed je oko 0,6-0,7 V, a njihov povratni probojni napon može doseći nekoliko stotina volti, što može zadovoljiti zahtjeve izolacije niskog napona DC (kao što je 48 V) do srednjeg napona DC (kao što je 400 V) u mikromrežama.

2, Osnovni zahtjev za jednosmjerni prijenos energije u mikromrežama
Energetski tok mikromreža ima karakteristike više-izvora, dvosmjernosti i dinamičnosti, a njegovo upravljanje energijom treba riješiti tri ključna pitanja:

Izolacija između izvora energije: kako bi se spriječilo da različiti izvori energije (kao što su fotonaponski uređaji, spremnici energije, dizelski generatori) utječu jedni na druge zbog fluktuacija napona ili kvarova.
Kontrola povratne informacije o energiji: kako bi se spriječilo da energija teče natrag u slabu mrežu i uzrokuje porast napona tijekom kočenja motora ili fotonaponske prekomjerne proizvodnje.
Brza izolacija kvara: Kada napajanje ili opterećenje doživi kratki spoj, put kvara se prekida kako bi se spriječilo širenje kvara.
Tradicionalna rješenja oslanjaju se na kontaktore ili strujne prekidače, ali pate od sporog vremena odziva (u milisekundama), mehaničkog trošenja i drugih problema. Dioda, sa svojom nanosekundnom brzinom odziva i bez mehaničkih kontaktnih karakteristika, postala je ključna komponenta za postizanje brze i pouzdane energetske izolacije.

3, Tipični scenariji primjene dioda u mikromrežama
(1) Jednosmjerni prijenos energije istosmjerne sabirnice
U istosmjernim mikromrežama, diode se obično koriste za konstrukciju jednosmjernih vodljivih veza, omogućujući kontrolu protoka energije između sabirnica različitih naponskih razina. Na primjer:

Fotonaponski sustav za pohranu energije: fotonaponski niz napaja 48V DC sabirnicu preko dioda, a baterija za pohranu energije spojena je na istu sabirnicu preko DC/DC pretvarača. Kada fotonaponska izlazna snaga premaši zahtjeve za opterećenjem, dioda sprječava protok energije natrag u fotonaponsku ploču, izbjegavajući oštećenje ploče zbog grijanja obrnutom prednaponom; U međuvremenu, sustav za pohranu energije apsorbira višak energije putem dvosmjernih DC/DC pretvarača.
Paralelno povezivanje višestrukih izvora energije: U komplementarnoj mikromreži za pohranu energije vjetra i sunca, različiti izvori energije spojeni su paralelno na DC sabirnicu preko dioda. Kada se napajanje isključi zbog kvara, dioda automatski prekida vezu sa sabirnicom kako bi spriječila da napon kvara utječe na druge izvore napajanja.
(2) Potiskivanje energetske povratne sprege na komunikacijskoj strani
U komunikacijskoj mikromreži, kombinacija dioda s tiristorima ili IGBT-ima može konstruirati strujne krugove za potiskivanje energetske povratne sprege. Na primjer:

Motorni pogonski sustav: Kada je motor u stanju kočenja, regenerirana energija se vraća natrag u istosmjernu sabirnicu preko obrnutih paralelnih dioda. Ako je napon sabirnice previsok, dioda se serijski spaja s kočionim otpornikom kako bi se višak energije pretvorio u potrošnju toplinske energije, čime se sprječava prenapon DC sabirnice.
Mrežni priključak distribuirane proizvodnje: Na izlaznom kraju pretvarača, diode mogu spriječiti protok energije natrag u pretvarač u slučaju grešaka u mreži (kao što su skokovi napona), štiteći uređaje za napajanje od prekomjerne struje.
(3) Brza izolacija kvara i zaštita
Diode imaju jedinstvene prednosti u zaštiti od kvara mikromreže. Na primjer:

Zaštita od kratkog-spoja istosmjerne struje: U mikromreži istosmjerne struje, ako dođe do kratkog spoja u ogranku, struja kratkog{1}}spoja formirat će strujni krug niske impedancije kroz diodu. U ovom trenutku, brzi osigurač ili prekidač može detektirati prekostrujni signal i odsjeći neispravnu granu, dok dioda može spriječiti da struja kratkog -spoja teče natrag u druge zdrave grane.
Izolacija kvara uzemljenja: U IT sustavima uzemljenja, diode se mogu koristiti za izradu krugova za nadzor izolacije. Kada dođe do kvara uzemljenja u određenoj fazi, dioda provodi kako bi se stvorila mala struja, a uređaj za nadzor locira točku kvara otkrivajući tu struju. Istodobno, dioda ograničava amplitudu struje kvara kako bi spriječila oštećenje opreme.
4, Ključne tehničke točke u inženjerskoj praksi
(1) Izbor diode i usklađivanje parametara
U primjenama mikromreža, odabir dioda treba uzeti u obzir sljedeće parametre:

Nazivni napon: Trebao bi biti veći od maksimalnog radnog napona sustava i ostaviti marginu od 20% -50%. Na primjer, u 400V DC sabirnici treba odabrati diode s otpornim naponom od 600V ili višim.
Nazivna struja: Treba je odabrati na temelju maksimalne struje opterećenja i kapaciteta preopterećenja. Na primjer, u fotonaponskom sustavu, nazivna struja diode trebala bi biti veća od struje kratkog -spoja fotonaponskog niza.
Obrnuto vrijeme oporavka: U visoko{0}}frekventnim prebacivačkim aplikacijama (kao što je PWM modulacija), diode s brzim oporavkom s kratkim obrnutim vremenom oporavka (<50ns) should be selected to reduce switching losses.
Toplinski otpor i rasipanje topline: Temperaturu spoja diode treba kontrolirati ispod 150 stupnjeva, a odgovarajuću metodu rasipanja topline (kao što je prirodno hlađenje, hlađenje zrakom ili hlađenje tekućinom) treba odabrati prema potrošnji energije.
(2) Optimizacija topologije sustava
Topološku strukturu dioda u mikromrežama treba dizajnirati prema specifičnim zahtjevima. Na primjer:

Serijska dioda: koristi se za poboljšanje razine otpornog napona, ali treba obratiti pozornost na izjednačavanje napona kako bi se spriječio prenaponski slom diode zbog neravnomjerne raspodjele napona.
Paralelna dioda: koristi se za poboljšanje nosivosti struje, ali treba obratiti pozornost na dijeljenje struje kako bi se spriječilo pregrijavanje i oštećenje diode zbog neravnomjerne raspodjele struje.
Diodna MOSFET/IGBT hibridna topologija: U scenarijima gdje je potreban dvosmjerni protok energije, može se koristiti hibridna topologija diode i MOSFET/IGBT. Na primjer, u dvosmjernim DC/DC pretvaračima, diode se koriste za jednosmjerno provođenje, a MOSFET-ovi se koriste za obrnuto provođenje, čime se postiže dvosmjerna kontrola protoka energije.
(3) Strategija suradničke kontrole
Upravljanje energijom dioda u mikromrežama mora biti usklađeno sa strategijama upravljanja. Na primjer:

Algoritam upravljanja energijom temeljen na diodama: Praćenjem napona istosmjerne sabirnice i izlazne snage različitih izvora napajanja, dinamičkim podešavanjem stanja vodljivosti dioda za postizanje optimalne raspodjele energije.
Strategija zaštite od greške: Dizajnirajte brze i pouzdane algoritme za otkrivanje greške i izolaciju na temelju karakteristika vodljivosti dioda. Na primjer, kada se otkrije abnormalna struja u određenoj grani, dioda te grane se odmah prekida kako bi se spriječilo širenje greške.
5, Studija slučaja: Primjena dioda u otočnim mikromrežama
Projekt mikromreže na određenom otoku usvaja arhitekturu istosmjerne sabirnice, integrirajući fotonapon, pohranu energije, dizel generatore i opterećenja. Plan upravljanja energijom je sljedeći:

Fotonaponski sustav: fotonaponski niz napaja 48V DC sabirnicu preko dioda, koje sprječavaju povratak energije u fotonaponsku ploču noću ili tijekom kvarova.
Sustav za pohranu energije: Litijske baterije povezane su sa sabirnicom preko dvosmjernog DC/DC pretvarača kako bi se postigla kontrola punjenja i pražnjenja energije.
Diesel generator: Kao rezervni izvor napajanja, spojen je na sabirnicu preko dioda kako bi se spriječio povratni tok energije iz sabirnice kada se generator isključi.
Upravljanje opterećenjem: DC trošila su izravno spojena na sabirnicu, dok su AC opterećenja povezana preko pretvarača. Izlazni terminal pretvarača opremljen je diodama koje sprječavaju povratak energije u pretvarač u slučaju kvara na mreži.
Ova shema postiže sigurnu izolaciju i jednosmjerni protok energije između fotonaponskih generatora, generatora za pohranu energije i dizelskih generatora putem dioda, poboljšavajući učinkovitost sustava na 92% i skraćujući vrijeme odziva na grešku unutar 10 μs.