Jak pomocí diod dosáhnout jednosměrného přenosu energie v mikrosíťích?

1, Fyzikální podstata jednosměrné vodivosti diod
Struktura jádra diody je PN přechod, tvořený kombinací polovodiče typu P- (s vysokou koncentrací děr) a polovodiče typu N- (s vysokou koncentrací elektronů). Na rozhraní PN přechodu elektrony difundují z oblasti N do oblasti P a díry difundují z oblasti P do oblasti N, což způsobí, že oblast P je v blízkosti přechodu záporně nabitá a oblast N je v blízkosti přechodu kladně nabitá, čímž vzniká vnitřní elektrické pole (oblast prostorového náboje). Toto elektrické pole má dvě klíčové vlastnosti:

Pozitivní vedení: Když je oblast P připojena ke kladnému pólu napájecího zdroje a oblast N je připojena k zápornému pólu, vnější elektrické pole zeslabuje vestavěné- elektrické pole, oblast prostorového náboje se zužuje a většina nosičů (elektronů a děr) může překročit oblast přechodu a vytvořit proud, což má za následek stav nízkého odporu diody.
Reverzní omezení: Když je oblast P připojena k záporné elektrodě a oblast N je připojena ke kladné elektrodě, vnější elektrické pole zesiluje vestavěné{0}} elektrické pole, oblast prostorového náboje se rozšiřuje, většina nosičů náboje je blokována a pouze několik nosičů náboje vytváří malý zpětný proud (svodový proud), což má za následek vysoký odpor diody.
Tato charakteristika dělá z diod ideální součást pro dosažení jednosměrného toku energie. Vezmeme-li jako příklad křemíkové diody, jejich úbytek napětí v dopředném vedení je asi 0,6-0,7 V a jejich zpětné průrazné napětí může dosáhnout několika stovek voltů, což může splnit izolační požadavky na stejnosměrné napětí nízkého napětí (například 48 V) až stejnosměrného napětí středního napětí (například 400 V) v mikrosíťích.

2, Základní požadavek na jednosměrný přenos energie v mikrosíti
Tok energie mikrosítí má vlastnosti více{0}}zdrojového, obousměrného a dynamického a jeho energetický management musí řešit tři základní problémy:

Izolace mezi zdroji energie: aby se zabránilo vzájemnému ovlivňování různých zdrojů energie (jako je fotovoltaika, akumulace energie, dieselové generátory) v důsledku kolísání napětí nebo poruch.
Řízení energetické zpětné vazby: Aby se zabránilo toku energie zpět do slabé sítě a způsobení nárůstu napětí během brzdění motoru nebo přegenerování fotovoltaiky.
Rychlá izolace poruchy: Když dojde ke zkratu napájecího zdroje nebo zátěže, cesta poruchy se přeruší, aby se porucha nerozšířila.
Tradiční řešení spoléhají na stykače nebo jističe, ale trpí pomalou dobou odezvy (v milisekundách), mechanickým opotřebením a dalšími problémy. Dioda se svou nanosekundovou rychlostí odezvy a bez mechanických kontaktních charakteristik se stala klíčovou součástí pro dosažení rychlé a spolehlivé energetické izolace.

3, Typické aplikační scénáře diod v mikrosíti
(1) Jednosměrný přenos energie stejnosměrné sběrnice
V DC microgrids se diody běžně používají ke konstrukci jednosměrných vodivých spojů, které umožňují řízení toku energie mezi přípojnicemi různých úrovní napětí. Například:

Fotovoltaický systém akumulace energie: Fotovoltaické pole napájí sběrnici 48V DC prostřednictvím diod a akumulátor energie je připojen ke stejné sběrnici přes DC/DC měnič. Když výstupní výkon fotovoltaiky překročí požadavek zátěže, dioda zabrání toku energie zpět do fotovoltaického panelu, čímž se zabrání poškození panelu v důsledku zahřívání s obráceným předpětím; Mezitím systém ukládání energie absorbuje přebytečnou energii prostřednictvím obousměrných DC/DC měničů.
Paralelní připojení více zdrojů energie: V komplementární mikrosíti větrné solární energie jsou různé zdroje energie připojeny paralelně ke stejnosměrné sběrnici prostřednictvím diod. Když se kvůli poruše napájení vypne, dioda automaticky přeruší své spojení se sběrnicí, aby se zabránilo tomu, že poruchové napětí ovlivní jiné zdroje napájení.
(2) Potlačení energetické zpětné vazby na straně komunikace
V komunikační mikrosíti může kombinace diod s tyristory nebo IGBT konstruovat obvody pro potlačení energetické zpětné vazby. Například:

Systém pohonu motoru: Když je motor ve stavu brzdění, regenerovaná energie je přiváděna zpět do stejnosměrné sběrnice prostřednictvím reverzních paralelních diod. Pokud je napětí sběrnice příliš vysoké, zapojí se dioda do série s brzdným odporem, aby přeměnila přebytečnou energii na spotřebu tepelné energie, čímž se zabrání přepětí DC sběrnice.
Připojení k distribuční síti: Na výstupní straně střídače mohou diody zabránit zpětnému toku energie do střídače v případě poruch sítě (jako jsou napěťové rázy), čímž chrání výkonová zařízení před poškozením nadproudem.
(3) Rychlá izolace a ochrana proti poruchám
Diody mají jedinečné výhody v ochraně proti poruchám mikrosítě. Například:

DC ochrana proti zkratu-: Pokud ve stejnosměrné mikrosíti dojde ke zkratu ve větvi, zkratový proud- vytvoří nízkoimpedanční obvod přes diodu. V tomto okamžiku může rychlá pojistka nebo jistič detekovat nadproudový signál a přerušit vadnou větev, zatímco dioda může zabránit zpětnému toku zkratového proudu- do jiných zdravých větví.
Izolace poruchy uzemnění: V uzemňovacích systémech IT lze ke konstrukci obvodů pro monitorování izolace použít diody. Když v určité fázi dojde k poruše uzemnění, dioda vede k vytvoření malého proudu a monitorovací zařízení lokalizuje místo poruchy detekcí tohoto proudu. Dioda zároveň omezuje amplitudu poruchového proudu, aby nedošlo k poškození zařízení.
4, Klíčové technické body v inženýrské praxi
(1) Výběr diody a přizpůsobení parametrů
V aplikacích microgrid by měl výběr diod brát v úvahu následující parametry:

Jmenovité napětí: Mělo by být vyšší než maximální provozní napětí systému a ponechat rezervu 20% -50%. Například u 400V DC sběrnice by měly být vybrány diody s výdržným napětím 600V nebo vyšším.
Jmenovitý proud: Musí být vybrán na základě maximálního zatěžovacího proudu a přetížitelnosti. Například ve fotovoltaickém systému by měl být jmenovitý proud diody větší než zkratový-proud fotovoltaického pole.
Doba zpětné obnovy: V aplikacích s vysokofrekvenčním přepínáním (jako je modulace PWM) jsou diody rychlé obnovy s krátkou dobou zpětné obnovy (<50ns) should be selected to reduce switching losses.
Tepelný odpor a odvod tepla: Teplota přechodu diody by měla být řízena pod 150 stupňů a měla by být zvolena vhodná metoda odvodu tepla (jako je přirozené chlazení, chlazení vzduchem nebo chlazení kapalinou) podle spotřeby energie.
(2) Optimalizace topologie systému
Strukturu topologie diod v mikrosíťích je třeba navrhnout podle konkrétních požadavků. Například:

Sériová dioda: používá se ke zlepšení úrovně výdržného napětí, ale je třeba věnovat pozornost vyrovnání napětí, aby se zabránilo přepětí diody v důsledku nerovnoměrného rozložení napětí.
Paralelní dioda: používá se ke zlepšení proudové zatížitelnosti, ale je třeba věnovat pozornost sdílení proudu, aby se zabránilo přehřátí a poškození diody v důsledku nerovnoměrného rozložení proudu.
Hybridní topologie diod MOSFET/IGBT: Ve scénářích, kde je vyžadován obousměrný tok energie, lze použít hybridní topologii diody a MOSFET/IGBT. Například v obousměrných DC/DC měničích se diody používají pro jednosměrné vedení a MOSFETy se používají pro zpětné vedení, čímž se dosahuje obousměrného řízení toku energie.
(3) Strategie kolaborativní kontroly
Energetický management diod v mikrosíti musí být koordinován se strategiemi řízení. Například:

Algoritmus řízení energie založený na diodách: Monitorováním napětí stejnosměrné sběrnice a výstupního výkonu různých zdrojů energie, dynamickou úpravou stavu vodivosti diod pro dosažení optimální alokace energie.
Strategie ochrany proti poruchám: Navrhněte rychlé a spolehlivé algoritmy detekce chyb a izolace založené na vodivostních charakteristikách diod. Když je například detekován abnormální proud v určité větvi, dioda této větve se okamžitě odpojí, aby se zabránilo šíření poruchy.
5, Případová studie: Aplikace diod v ostrovních mikrosítích
Projekt mikrosítě na určitém ostrově využívá architekturu DC sběrnice, která integruje fotovoltaiku, skladování energie, dieselové generátory a zátěže. Plán hospodaření s energií je následující:

Fotovoltaický systém: Fotovoltaické pole napájí sběrnici 48V DC prostřednictvím diod, které zabraňují zpětnému toku energie do fotovoltaického panelu v noci nebo při poruše.
Systém akumulace energie: Lithiové baterie jsou připojeny ke sběrnici prostřednictvím obousměrného DC/DC měniče pro dosažení kontroly nabíjení a vybíjení energie.
Dieselový generátor: Jako záložní zdroj energie je připojen k přípojnici přes diody, aby se zabránilo zpětnému toku energie z přípojnice při odstavení generátoru.
Správa zátěže: DC zátěže jsou přímo připojeny ke sběrnici, zatímco AC zátěže jsou připojeny přes invertor. Výstupní svorka střídače je vybavena diodami, které zabraňují zpětnému toku energie do střídače v případě poruchy sítě.
Toto schéma dosahuje bezpečné izolace a jednosměrného toku energie mezi fotovoltaickými, energetickými a dieselovými generátory prostřednictvím diod, zlepšuje účinnost systému na 92 ​​% a zkracuje dobu odezvy na poruchu na 10 μs.