Kako koristiti diode za postizanje jednosmjernog prijenosa energije u mikromrežama?

1, Fizička osnova jednosmjerne provodljivosti dioda
Struktura jezgra diode je PN spoj, formiran kombinacijom poluvodiča tipa P- (sa visokom koncentracijom rupa) i poluvodiča tipa N- (sa visokom koncentracijom elektrona). Na sučelju PN spoja, elektroni difundiraju iz N regije u P regiju, a rupe difundiraju iz P regije u N regiju, uzrokujući da P regija bude negativno nabijena blizu spoja, a N regija pozitivno nabijena blizu spoja, formirajući unutrašnje električno polje (područje prostornog naboja). Ovo električno polje ima dvije ključne karakteristike:

Pozitivna provodljivost: Kada je P regija spojena na pozitivni pol napajanja, a N regija povezana s negativnim polom, vanjsko električno polje slabi ugrađeno-električno polje, područje prostornog naboja se sužava, a većina nosilaca (elektrona i rupa) može prijeći područje spoja i formirati struju, što rezultira niskim otporom diode.
Reverzni prekid: 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 nosilaca naboja je blokirana, a samo nekoliko nosilaca naboja formira malu obrnutu struju (struja curenja), što rezultira visokim otporom diode.
Ova karakteristika čini diode idealnom komponentom za postizanje jednosmjernog protoka energije. Uzimajući silikonske diode kao primjer, njihov pad napona naprijed provodljivosti je oko 0,6-0,7V, a njihov povratni probojni napon može doseći nekoliko stotina volti, što može zadovoljiti zahtjeve izolacije niskog napona DC (kao što je 48V) do srednjeg napona DC (kao što je 400V) u mikromrežama.

2, Osnovni zahtjev za jednosmjerni prijenos energije u mikromrežama
Protok energije mikromreža ima karakteristike više-izvora, dvosmjeran i dinamičan, a njegovo upravljanje energijom treba da se pozabavi tri ključna pitanja:

Izolacija između izvora napajanja: kako bi se spriječilo da različiti izvori energije (kao što su fotonaponski uređaji, skladište energije, dizel generatori) utiču jedni na druge zbog fluktuacija napona ili kvarova.
Kontrola povratne energije: Da bi se spriječilo da energija teče natrag u slabu mrežu i uzrokuje porast napona tokom kočenja motora ili fotonaponske prekomjerne proizvodnje.
Brza izolacija kvara: Kada napajanje ili opterećenje dođe do kratkog spoja, put kvara se prekida kako bi se spriječilo širenje kvara.
Tradicionalna rješenja se oslanjaju na kontaktore ili prekidače, ali pate od sporog vremena odziva (u milisekundama), mehaničkog trošenja i drugih problema. Dioda, sa svojom brzinom odziva od nanosekunde i bez mehaničkih karakteristika kontakta, postala je ključna komponenta za postizanje brze i pouzdane energetske izolacije.

3, Tipični scenariji primjene dioda u mikromrežama
(1) Jednosmjerni prijenos energije sabirnice jednosmjerne struje
U DC mikromrežama, diode se obično koriste za izgradnju jednosmjernih provodnih veza, omogućavajući kontrolu toka energije između sabirnica različitih naponskih nivoa. na primjer:

Fotonaponski sistem za skladištenje energije: fotonaponski niz napaja magistralu od 48V DC preko dioda, a baterija za skladištenje energije je povezana na istu magistralu preko DC/DC pretvarača. Kada fotonaponska izlazna snaga premaši potražnju za opterećenjem, dioda sprječava da energija teče natrag u fotonaponski panel, izbjegavajući oštećenje panela zbog obrnutog prednapona grijanja; U međuvremenu, sistem za skladištenje energije apsorbuje višak energije kroz dvosmerne DC/DC pretvarače.
Paralelno povezivanje više izvora energije: U komplementarnoj mikromreži za skladištenje solarne energije vjetra, različiti izvori energije su povezani paralelno na DC sabirnicu putem dioda. Kada se napajanje isključi zbog kvara, dioda automatski prekida svoju vezu sa magistralom kako bi spriječila da napon kvara utječe na druge izvore napajanja.
(2) Potiskivanje povratne energije na komunikacijskoj strani
U komunikacijskoj mikromreži, kombinacija dioda sa tiristorima ili IGBT-ovima može konstruirati kola za potiskivanje povratne energije. na primjer:

Sistem motornog pogona: Kada je motor u stanju kočenja, regenerisana energija se vraća nazad u DC sabirnicu preko obrnutih paralelnih dioda. Ako je napon sabirnice previsok, dioda se povezuje serijski sa kočionim otpornikom kako bi se višak energije pretvorio u potrošnju toplinske energije, sprječavajući prenapon DC sabirnice.
Mrežna veza za distribuiranu proizvodnju: Na izlaznom kraju pretvarača, diode mogu spriječiti da energija teče natrag u inverter u slučaju kvarova na mreži (kao što su naponski udari), štiteći uređaje za napajanje od prekomjerne struje.
(3) Brza izolacija kvarova i zaštita
Diode imaju jedinstvene prednosti u zaštiti mikromreža od kvarova. na primjer:

Zaštita od kratkog{0}}jednosmjernog spoja: U DC mikromreži, ako dođe do kratkog spoja u grani, struja kratkog-struja će formirati kolo niske impedance kroz diodu. U ovom trenutku, brzi osigurač ili prekidač mogu otkriti signal prekomjerne struje i prekinuti neispravnu granu, dok dioda može spriječiti da se struja kratkog -spoja vrati natrag u druge zdrave grane.
Izolacija kvara uzemljenja: U IT sistemima uzemljenja, diode se mogu koristiti za konstruisanje kola za nadzor izolacije. Kada dođe do kvara uzemljenja u određenoj fazi, dioda provodi malu struju, a uređaj za nadzor locira tačku kvara detektujući ovu struju. Istovremeno, dioda ograničava amplitudu struje kvara kako bi spriječila oštećenje opreme.
4, Ključne tehničke tačke u inženjerskoj praksi
(1) Izbor diode i podudaranje parametara
U mikromrežnim aplikacijama, odabir dioda treba uzeti u obzir sljedeće parametre:

Nazivni napon: Trebao bi biti veći od maksimalnog radnog napona sistema i ostaviti marginu od 20% -50%. Na primjer, u 400V DC sabirnici treba odabrati diode s otpornim naponom od 600V ili više.
Nazivna struja: Potrebno je odabrati na osnovu maksimalne struje opterećenja i kapaciteta preopterećenja. Na primjer, u fotonaponskom sistemu, nazivna struja diode bi trebala biti veća od struje kratkog-spoja fotonaponskog niza.
Vrijeme obrnutog oporavka: U aplikacijama s visoko-prekidanjem frekvencije (kao što je PWM modulacija), diode za brzi oporavak s kratkim vremenom oporavka (<50ns) should be selected to reduce switching losses.
Toplotni otpor i rasipanje toplote: Temperatura spoja diode treba da se kontroliše ispod 150 stepeni, a odgovarajuću metodu odvođenja toplote (kao što je prirodno hlađenje, hlađenje vazduhom ili hlađenje tekućinom) treba odabrati prema potrošnji energije.
(2) Optimizacija topologije sistema
Strukturu topologije dioda u mikromrežama treba dizajnirati prema specifičnim zahtjevima. na primjer:

Serijska dioda: koristi se za poboljšanje nivoa otpornog napona, ali treba obratiti pažnju na izjednačavanje napona kako bi se spriječio prenaponski slom diode zbog neravnomjerne raspodjele napona.
Paralelna dioda: koristi se za poboljšanje strujnog kapaciteta, ali treba obratiti pažnju na dijeljenje struje kako bi se spriječilo pregrijavanje i oštećenje diode zbog neravnomjerne distribucije 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, postižući dvosmjernu kontrolu toka energije.
(3) Strategija kolaborativne kontrole
Upravljanje energijom dioda u mikromrežama mora biti usklađeno sa strategijama kontrole. na primjer:

Algoritam upravljanja energijom baziran na diodama: Praćenjem napona DC sabirnice i izlazne snage različitih izvora napajanja, dinamički prilagođavajući stanje provodljivosti dioda kako bi se postigla optimalna raspodjela energije.
Strategija zaštite od kvarova: Dizajnirajte brze i pouzdane algoritme za detekciju kvarova i izolaciju na osnovu karakteristika provodljivosti dioda. Na primjer, kada se detektuje abnormalna struja u određenoj grani, dioda te grane se odmah isključuje kako bi se spriječilo širenje kvara.
5, Studija slučaja: Primjena dioda u otočnim mikromrežama
Projekt mikromreže na određenom ostrvu usvaja arhitekturu DC sabirnice, integrirajući fotonaponske, skladište energije, dizel generatore i opterećenja. Plan upravljanja energijom je sljedeći:

Fotonaponski sistem: fotonaponski niz napaja 48V DC magistralu preko dioda, koje sprečavaju da energija teče natrag u fotonaponski panel noću ili tokom kvarova.
Sistem skladištenja energije: Litijumske baterije su povezane sa magistralom preko dvosmernog DC/DC pretvarača da bi se postigla kontrola punjenja i pražnjenja energije.
Dizel generator: Kao rezervni izvor napajanja, povezan je sa sabirnicom preko dioda kako bi se spriječio povratni protok energije iz sabirnice kada je generator isključen.
Upravljanje opterećenjem: DC opterećenja su direktno povezana na sabirnicu, dok su AC opterećenja povezana preko pretvarača. Izlazni terminal pretvarača je opremljen diodama kako bi se spriječilo da energija teče natrag u inverter u slučaju kvarova na mreži.
Ova šema postiže sigurnu izolaciju i jednosmjeran protok energije između fotonaponskih, skladišnih i dizel generatora putem dioda, poboljšavajući efikasnost sistema na 92% i skraćujući vrijeme odgovora na kvar na 10 μs.