Akú úlohu zohrávajú diódy pri spúšťaní-ochrany veterných turbín?

一, Základné výzvy a logika ochrany diód v podmienkach nízkej rýchlosti vetra
1. Fyzikálne charakteristiky a riziká podmienok nízkej rýchlosti vetra
Výstupný výkon veternej turbíny je priamo úmerný tretiemu výkonu rýchlosti vetra. Keď je rýchlosť vetra nižšia ako rýchlosť vetra (zvyčajne 3-5 m/s), rýchlosť generátora je nedostatočná a výstupné napätie môže byť nižšie ako napätie batérie alebo siete, čo má za následok nasledujúce riziká:

Spätný tok prúdu: Batéria alebo elektrická sieť dodáva energiu v opačnom smere cez vinutie motora, čo spôsobí prehriatie motora a demagnetizáciu permanentného magnetu;
Kolísanie napätia: Nestabilné výstupné napätie vedie k abnormálnej činnosti nasledujúcich DC/DC meničov alebo invertorov;
Kolaps účinnosti: Účinnosť výroby energie prudko klesá pri nízkych rýchlostiach vetra a ak chýba ochrana, systém môže namiesto výroby elektriny naďalej spotrebovávať energiu.
2. Ochranný mechanizmus diód
Diódy vytvárajú fyzikálne izolačné bariéry prostredníctvom jednosmernej vodivosti:

Dopredné vedenie: Keď je výstupné napätie generátora vyššie ako napätie na svorke záťaže, dióda vedie a prúd tečie z generátora do záťaže;
Spätné odpojenie: Keď je napätie generátora nižšie ako napätie na svorke záťaže, dióda sa automaticky vypne a zablokuje cestu spätného prúdu.
Ak si vezmeme ako príklad nezávislú malú veternú turbínu, jej trojfázový obvod neriadeného mostíkového usmerňovača používa 6 diód (napríklad MUR60120, výdržné napätie 1200 V, prúd 60 A). Keď je rýchlosť vetra nižšia ako 3 m/s, diódové pole môže úplne zablokovať spätné napájanie z batérie do generátora s účinnosťou ochrany nad 99,9 %.

2, Typické aplikačné scenáre a technická implementácia
1. Nezávislý malý-systém výroby veternej energie
V scenároch vzdialeného napájania malé veterné turbíny (výkon 1-10 kW) často prijímajú architektúru „veterná turbína+batéria+záťaž“. Jeho ochranný dizajn obsahuje dve vrstvy diód:

Usmerňovacia vrstva: Trojfázový mostíkový usmerňovací obvod premieňa striedavý prúd na jednosmerný prúd a parametre diódy musia spĺňať:
Reverzné výdržné napätie Väčšie alebo rovné 1,5-násobku špičkového napätia generátora (napr. . 100V dióda je zvolená pre 24V systém);
Priemerný prúd je väčší alebo rovný 1,2-násobku menovitého prúdu generátora (ak 5A systém používa 6A diódu).
Vrstva proti spätnému toku: Zapojte Schottkyho diódy (ako napríklad MBR1045CT, V_F=0.4V) do série medzi batériu a výstupný terminál usmerňovača, aby ste znížili straty vo vedení a zároveň zabezpečili spoľahlivosť spätného odpojenia.
Prípad: V projekte vidieckeho zásobovania energiou v Afrike môže veterná turbína navrhnutá tak, ako je opísané vyššie, stále stabilne produkovať výkon pri rýchlosti vetra 2 m/s. Spätný prúd batérie sa zníži z 0,5A na 0A a životnosť systému sa predĺži trojnásobne.

2. Veterné turbíny pripojené k sieti
Vo veterných turbínach pripojených k sieti na úrovni MW je potrebné diódovú ochranu kombinovať s výkonovými elektronickými konvertormi, aby sa dosiahlo:

Prevodník na strane stroja: s použitím hybridného modulu IGBT+diódy (napríklad Infineon FF600R12ME4), s časom obnovenia spätného chodu diódy menším alebo rovným 100 ns, aby sa predišlo spätnému prúdovému rázu pri vysoko-prepínaní;
Konvertor na strane siete: Nainštalujte diódy TVS (napríklad 1.5KE33CA) medzi zbernicu jednosmerného prúdu a stranu siete na potlačenie prechodného prepätia spôsobeného údermi blesku alebo poruchami siete;
Odľahčovací obvod: Keď je rýchlosť vetra príliš nízka a napätie jednosmernej zbernice príliš vysoké, automaticky sa uvedie do prevádzky vybíjacia vetva paralelných diód a rezistorov, ktorá premieňa prebytočnú energiu na tepelnú energiu na spotrebu.
Údaje: Aktuálne merania z určitej veternej farmy na mori ukazujú, že po prijatí tejto schémy ochrany sa poruchovosť veterných turbín pri nízkych rýchlostiach vetra (4 m/s) znížila z 12 % na 2 % a ročná výroba elektriny sa zvýšila o 8 %.

3, Kľúčové technické parametre a zásady výberu
1. Zhoda základných parametrov
Pozitívny pokles napätia (V_F): priamo ovplyvňuje účinnosť systému. V-F kremíkových-diód je približne 0,6 – 0,8 V, zatiaľ čo Schottkyho diódy ho dokážu znížiť na 0,2 – 0,4 V. Vo veternej turbíne s výkonom 100 kW môže použitie Schottkyho diód znížiť ročné straty o 12 000 kWh.
Čas spätného zotavenia (Trr): V scenároch prepínania s vysokou frekvenciou by Trr malo byť menšie alebo rovné 50 ns, aby sa predišlo stratám pri prepínaní. Trr diód s rýchlou obnovou (ako je FR107) je približne 50 ns, zatiaľ čo trr diód z karbidu kremíka (SiC) môže byť znížený na 10 ns.
Prenosová kapacita nárazového prúdu (I2FSM): Potrebuje pokryť prechodný vysoký prúd počas spustenia alebo zlyhania veternej turbíny-. Napríklad veterná turbína s výkonom 2 MW si musí vybrať diódu s I2FSM väčším alebo rovným 300 A, aby sa vyrovnala s vplyvom skratov v elektrickej sieti.
2. Stratégia optimalizácie výberu
Teplotná kompenzácia: V prostrediach s vysokou-teplotou (ako sú púštne oblasti) môže teplota spoja diód prekročiť 150 stupňov a mali by ste zvoliť modely odolné voči vysokým-teplotám (ako sú zariadenia s certifikáciou AEC-Q101);
Redundantný dizajn: vďaka N+1 záložnej stratégii si systém dokáže udržať viac ako 80 % výstupnej kapacity, keď jedna dióda zlyhá;
Integračný trend: Integrované moduly (napríklad IPM) využívajúce diódy a MOSFET/IGBT sú prijaté na zníženie parazitnej indukčnosti a zlepšenie spoľahlivosti systému.