Як за допомогою діодів досягти односпрямованої передачі енергії в мікромережах?

1, Фізичні основи односпрямованої провідності діодів
Серцевиною діода є PN-перехід, утворений комбінацією напівпровідника типу P- (з високою концентрацією дірок) і напівпровідника типу N- (з високою концентрацією електронів). На межі PN-переходу електрони дифундують з N-області в P-область, а дірки дифундують з P-області в N-область, в результаті чого P-область стає негативно зарядженою поблизу переходу, а N-область — позитивно зарядженою поблизу переходу, утворюючи внутрішнє електричне поле (область просторового заряду). Це електричне поле має дві ключові характеристики:

Позитивна провідність: коли P-область з’єднана з позитивним полюсом джерела живлення, а N-область — з негативним, зовнішнє електричне поле послаблює вбудоване-електричне поле, область просторового заряду звужується, і більшість носіїв (електронів і дірок) можуть перетинати область з’єднання, утворюючи струм, що призводить до стану низького опору діода.
Зворотне відсічення: коли P-область з’єднана з негативним електродом, а N-область — з позитивним електродом, зовнішнє електричне поле посилює вбудоване-електричне поле, область просторового заряду розширюється, більшість носіїв заряду блокуються, і лише кілька носіїв заряду утворюють малий зворотний струм (струм витоку), що призводить до стану високого опору діода.
Ця характеристика робить діоди ідеальним компонентом для досягнення односпрямованого потоку енергії. Для прикладу кремнієвих діодів падіння напруги прямої провідності становить приблизно 0,6-0,7 В, а напруга зворотного пробою може досягати кількох сотень вольт, що може відповідати вимогам ізоляції постійного струму низької напруги (наприклад, 48 В) до постійного струму середньої напруги (наприклад, 400 В) у мікромережах.

2. Основна вимога до односпрямованої передачі енергії в мікромережах
Енергетичний потік мікромереж має характеристики багато-джерельного, двонаправленого та динамічного, а його управління енергією має вирішувати три основні проблеми:

Ізоляція між джерелами живлення: щоб запобігти впливу різних джерел живлення (наприклад, фотоелектричних, накопичувачів енергії, дизельних генераторів) один на одного через коливання напруги або збої.
Управління зворотним зв'язком по енергії: щоб запобігти повертанню енергії в слабку мережу та спричиненню підвищення напруги під час гальмування двигуна або фотоелектричної генерації.
Швидка ізоляція несправності: коли в джерелі живлення або навантаженні виникає коротке замикання, шлях несправності переривається, щоб запобігти поширенню несправності.
Традиційні рішення покладаються на контактори або автоматичні вимикачі, але мають низький час відгуку (у мілісекундах), механічний знос та інші проблеми. Діод із наносекундною швидкістю відгуку та відсутністю механічних контактних характеристик став ключовим компонентом для досягнення швидкої та надійної ізоляції енергії.

3, Типові сценарії застосування діодів у мікросетках
(1) Односпрямована передача енергії шини постійного струму
У мікромережах постійного струму діоди зазвичай використовуються для створення односпрямованих провідних зв’язків, що дозволяє контролювати потік енергії між шинами різних рівнів напруги. Наприклад:

Фотоелектрична система накопичення енергії: фотоелектрична матриця подає живлення до шини 48 В постійного струму через діоди, а батарея накопичення енергії підключена до тієї самої шини через перетворювач DC/DC. Коли вихідна потужність фотоелектричної панелі перевищує попит на навантаження, діод запобігає надходженню енергії назад у фотоелектричну панель, уникаючи пошкодження панелі через нагрівання зворотного зміщення; Водночас система накопичення енергії поглинає надлишок енергії за допомогою двонаправлених перетворювачів DC/DC.
Паралельне з’єднання кількох джерел живлення: у комплементарній мікромережі для накопичення вітрової сонячної енергії різні джерела живлення під’єднані паралельно до шини постійного струму через діоди. Коли джерело живлення вимикається через несправність, діод автоматично розриває з’єднання з шиною, щоб запобігти впливу напруги несправності на інші джерела живлення.
(2) Придушення енергетичного зворотного зв'язку на стороні зв'язку
У комунікаційній мікромережі комбінація діодів із тиристорами або IGBT може створити схеми придушення енергетичного зворотного зв’язку. Наприклад:

Система приводу двигуна: коли двигун знаходиться в стані гальмування, регенерована енергія повертається на шину постійного струму через зворотні паралельні діоди. Якщо напруга на шині занадто висока, діод підключається послідовно з гальмівним резистором для перетворення надлишкової енергії в споживану теплову енергію, запобігаючи перенапрузі на шині постійного струму.
Підключення до мережі розподіленої генерації: на вихідному кінці інвертора діоди можуть запобігти зворотному надходженню енергії в інвертор у разі збоїв у мережі (наприклад, стрибків напруги), захищаючи пристрої живлення від пошкодження надструму.
(3) Швидка ізоляція несправності та захист
Діоди мають унікальні переваги в захисті від несправностей мікромережі. Наприклад:

Захист від короткого-замикання постійного струму: у мікромережі постійного струму, якщо коротке замикання відбувається в гілці, струм-короткого замикання утворить низький опір через діод. У цей час швидкий запобіжник або автоматичний вимикач може виявити сигнал перевантаження по струму та відключити несправну гілку, тоді як діод може запобігти зворотному-струму короткого замикання до інших здорових гілок.
Ізоляція замикання на заземлення: в системах заземлення IT діоди можна використовувати для побудови ланцюгів контролю ізоляції. Коли в певній фазі виникає замикання на заземлення, діод проводить, утворюючи невеликий струм, і контрольний пристрій визначає місце замикання, виявляючи цей струм. У той же час діод обмежує амплітуду струму пошкодження, щоб запобігти пошкодженню обладнання.
4, Основні технічні моменти в інженерній практиці
(1) Вибір діода та узгодження параметрів
При виборі діодів у мікромережах слід враховувати наступні параметри:

Номінальна напруга: вона повинна перевищувати максимальну робочу напругу системи та залишати запас 20% -50%. Наприклад, в шині 400 В постійного струму слід вибирати діоди з витримуваною напругою 600 В або вище.
Номінальний струм: його потрібно вибрати на основі максимального струму навантаження та перевантажувальної здатності. Наприклад, у фотоелектричній системі номінальний струм діода має бути більшим, ніж струм-короткого замикання фотоелектричної матриці.
Час зворотного відновлення: у -додатках із високочастотним перемиканням (наприклад, ШІМ-модуляція) діоди швидкого відновлення з коротким часом зворотного відновлення (<50ns) should be selected to reduce switching losses.
Термічний опір і розсіювання тепла: температуру переходу діода слід контролювати нижче 150 градусів, а відповідний метод розсіювання тепла (наприклад, природне охолодження, повітряне охолодження або рідинне охолодження) слід вибирати відповідно до споживання електроенергії.
(2) Оптимізація топології системи
Топологічна структура діодів у мікросітках повинна бути розроблена відповідно до конкретних вимог. Наприклад:

Послідовний діод: використовується для підвищення рівня витримуваної напруги, але слід звернути увагу на вирівнювання напруги, щоб запобігти виходу діода з перенапруги через нерівномірний розподіл напруги.
Паралельний діод: використовується для підвищення пропускної здатності по струму, але слід звернути увагу на розподіл струму, щоб запобігти перегріву та пошкодженню діода через нерівномірний розподіл струму.
Діодна гібридна топологія MOSFET/IGBT: у сценаріях, де потрібен двонаправлений потік енергії, можна використовувати гібридну топологію діода та MOSFET/IGBT. Наприклад, у двонаправлених перетворювачах DC/DC діоди використовуються для односпрямованої провідності, а MOSFET використовуються для зворотної провідності, досягаючи двонаправленого керування потоком енергії.
(3) Стратегія спільного контролю
Управління енергією діодів у мікромережах має бути скоординовано зі стратегіями керування. Наприклад:

Алгоритм керування енергією на основі діодів: відстежуючи напругу шини постійного струму та вихідну потужність різних джерел живлення, динамічно регулюючи стан провідності діодів для досягнення оптимального розподілу енергії.
Стратегія захисту від несправностей: розроблення швидких і надійних алгоритмів виявлення та ізоляції несправностей на основі характеристик провідності діодів. Наприклад, коли в певній гілці виявляється ненормальний струм, діод цієї гілки негайно відключається, щоб запобігти поширенню несправності.
5, Приклад: Застосування діодів в острівних мікросітках
Проект мікромережі на певному острові приймає архітектуру шини постійного струму, інтегруючи фотоелектричні пристрої, накопичувачі енергії, дизельні генератори та навантаження. План енергоменеджменту виглядає наступним чином:

Фотоелектрична система: фотоелектрична матриця подає живлення до шини 48 В постійного струму через діоди, які запобігають зворотному надходженню енергії до фотоелектричної панелі вночі або під час несправностей.
Система зберігання енергії: літієві батареї підключаються до шини через двонаправлений перетворювач постійного струму в постійний струм для досягнення контролю зарядки та розрядки енергії.
Дизельний генератор: як резервне джерело живлення, він підключений до шини через діоди, щоб запобігти зворотному потоку енергії від шини, коли генератор вимкнено.
Керування навантаженням: навантаження постійного струму підключаються безпосередньо до шини, тоді як навантаження змінного струму підключаються через інвертор. Вихідна клема інвертора оснащена діодами, щоб запобігти повернення енергії в інвертор у разі несправності мережі.
Ця схема забезпечує безпечну ізоляцію та односпрямований потік енергії між фотоелектричними, накопичувальними та дизельними генераторами через діоди, підвищуючи ефективність системи до 92% і скорочуючи час реагування на несправність до 10 мкс.