Яка роль діодів у захисті-запуску вітрових турбін?

一, Основні проблеми та логіка захисту діодів за умов низької швидкості вітру
1. Фізичні характеристики та ризики умов низької швидкості вітру
Вихідна потужність вітрової турбіни прямо пропорційна третій степені швидкості вітру. Коли швидкість вітру нижча, ніж обмеження швидкості вітру (зазвичай 3-5 м/с), швидкість генератора недостатня, а вихідна напруга може бути нижчою за напругу батареї або мережі, що призводить до наступних ризиків:

Зворотний потік струму: батарея або електромережа подають живлення у зворотному напрямку через обмотку двигуна, що спричиняє перегрів двигуна та розмагнічування постійного магніту;
Коливання напруги: нестабільна вихідна напруга призводить до неправильної роботи наступних DC/DC перетворювачів або інверторів;
Зниження ефективності: ефективність виробництва електроенергії різко падає при низькій швидкості вітру, і якщо захисту немає, система може продовжувати споживати енергію замість того, щоб виробляти електроенергію.
2. Механізм захисту діодів
Діоди створюють фізичні ізоляційні бар’єри завдяки односпрямованій провідності:

Пряма провідність: коли вихідна напруга генератора вища за напругу на клемі навантаження, діод проводить і струм тече від генератора до навантаження;
Зворотне відсікання: коли напруга генератора нижча за напругу клеми навантаження, діод автоматично відключається, блокуючи шлях зворотного струму.
Як приклад окремої малої вітрової турбіни, її три{0}}фазна некерована мостова схема випрямляча використовує 6 діодів (наприклад, MUR60120, витримує напругу 1200 В, струм 60 А). Коли швидкість вітру нижче 3 м/с, діодна матриця може повністю блокувати зворотне живлення від акумулятора до генератора з ефективністю захисту понад 99,9%.

2. Типові сценарії застосування та технічна реалізація
1. Незалежна мала -система виробництва вітрової енергії
У сценаріях дистанційного електропостачання невеликі вітряні турбіни (потужністю 1-10 кВт) часто використовують архітектуру «вітряна турбіна+акумулятор+навантаження». Його захисна конструкція включає два шари діодів:

Рівень випрямлення: три{0}}фазна мостова схема випрямляча перетворює змінний струм на постійний, а параметри діода мають відповідати:
Зворотна витримувана напруга Більше або дорівнює 1,5 піковій напрузі генератора (наприклад, . 100діод V вибрано для системи 24 В);
Середній струм більше або дорівнює 1,2 номінального струму генератора (якщо в системі 5 А використовується діод 6 А).
Шар проти зворотного потоку: підключіть діоди Шотткі (такі як MBR1045CT, V_F=0.4V) послідовно між батареєю та вихідною клемою випрямляча, щоб зменшити втрати провідності, забезпечуючи при цьому надійність зворотного відключення.
Випадок: у сільському проекті електропостачання в Африці вітрова турбіна, сконструйована, як описано вище, все ще може працювати стабільно при швидкості вітру 2 м/с. Зворотний струм батареї знижується з 0,5 А до 0 А, а термін служби системи збільшується втричі.

2. Вітрові турбіни, підключені до мережі
У вітряних турбінах рівня МВт, підключених до мережі, діодний захист потрібно поєднувати з силовими електронними перетворювачами, щоб досягти:

Перетворювач на стороні машини: з використанням IGBT+діодного гібридного модуля (наприклад, Infineon FF600R12ME4), з часом зворотного відновлення діода, меншим або дорівнює 100 нс, щоб уникнути стрибків зворотного струму під час перемикання високої-частоти;
Перетворювач на стороні мережі: встановіть діоди TVS (наприклад, 1,5KE33CA) між шиною постійного струму та стороною мережі, щоб придушити перехідну перенапругу, спричинену ударами блискавки або несправностями мережі;
Схема розвантаження: коли швидкість вітру занадто низька, а напруга на шині постійного струму занадто висока, розвантажувальна гілка паралельних діодів і резисторів автоматично включається в роботу, перетворюючи надлишок енергії в теплову енергію для споживання.
Дані: Фактичні вимірювання певної морської вітроелектростанції показують, що після прийняття цієї схеми захисту частота відмов вітрових турбін при низьких швидкостях вітру (4 м/с) зменшилася з 12% до 2%, а річне виробництво електроенергії зросло на 8%.

3, Основні технічні параметри та принципи вибору
1. Зіставлення основних параметрів
Позитивне падіння напруги (V_F): безпосередньо впливає на ефективність системи. V-F кремнієвих-діодів становить приблизно 0,6-0,8 В, тоді як діоди Шотткі можуть зменшити його до 0,2-0,4 В. У вітровій турбіні потужністю 100 кВт використання діодів Шотткі може зменшити річні втрати на 12000 кВт/год.
Час зворотного відновлення (Trr): у сценаріях високочастотного перемикання Trr має бути менше або дорівнювати 50 нс, щоб уникнути втрат при перемиканні. Trr діодів зі швидким відновленням (таких як FR107) становить близько 50 нс, тоді як для діодів з карбіду кремнію (SiC) можна зменшити до 10 нс.
Несуча здатність до імпульсного струму (I2FSM): вона повинна покривати перехідний високий струм під час запуску-вітряної турбіни або відмови. Наприклад, для вітряної турбіни потужністю 2 МВт потрібно вибрати діод з I2FSM, що перевищує або дорівнює 300 А, щоб впоратися з впливом короткого замикання в електромережі.
2. Стратегія оптимізації вибору
Температурна компенсація: у середовищах із високою-температурою (наприклад, у пустельних районах) температура з’єднання діодів може перевищувати 150 градусів, тому слід вибирати стійкі до високих{2}}температур моделей (наприклад, пристрої, сертифіковані AEC-Q101);
Надлишкова конструкція: застосовуючи стратегію резервного копіювання N+1, система все ще може підтримувати понад 80% вихідної потужності, коли один діод виходить з ладу;
Тенденція інтеграції: інтегровані модулі (такі як IPM), що використовують діоди та MOSFET/IGBT, застосовуються для зменшення паразитної індуктивності та підвищення надійності системи.