Hoe kunnen diodes voorkomen dat de terugstroom van windenergie controllers beschadigt?

1, Oncontroleerbaar gelijkrichtcircuit: een natuurlijke barrière die de omgekeerde stroomvoorziening van batterijen blokkeert
In windenergiesystemen is het ongecontroleerde gelijkrichtercircuit een belangrijke schakel tussen de generator en de batterij. De kernfunctie ervan is het omzetten van het wisselstroomvermogen van de generator in gelijkstroom, terwijl gebruik wordt gemaakt van de unidirectionele geleidbaarheid van diodes om te voorkomen dat de batterij in omgekeerde richting stroom aan de generator levert tijdens lage windsnelheden of uitschakeltoestanden. In een ongecontroleerd gelijkrichtcircuit met drie--fasige diodes vormen zes diodes bijvoorbeeld een brugstructuur. Wanneer de uitgangsspanning van de generator lager is dan de accuspanning, worden de diodes automatisch uitgeschakeld, waardoor het tegenstroompad wordt geblokkeerd.

Technische voordelen:

Eenvoudige en betrouwbare structuur: Er zijn alleen diodes nodig om de dubbele functies van gelijkrichting en anti-terugstroom te bereiken, zonder dat er extra stuurcircuits nodig zijn, wat resulteert in een laag uitvalpercentage.
Laag energieverbruik: De geleidingsspanningsval van diodes is gewoonlijk 0,3-0,7 V, en in scenario's met hoge spanning en hoge stroom is het vermogensverlies aanzienlijk lager dan dat van actieve componenten zoals IGBT's.
Snelle responssnelheid: de diodeschakeltijd ligt in het bereik van nanoseconden, waardoor direct kan worden gereageerd op spanningsveranderingen en tegenstroompieken kunnen worden vermeden.
Techniek geval:
Een offshore windpark gebruikt een diodegelijkrichterklep ter vervanging van de traditionele modulaire meer-niveaugelijkrichterklep (MMC). Bij dezelfde transmissiecapaciteit heeft het convertorstation het volume met 80%, het gewicht met 65% en de installatietijd met 20% verminderd. De belangrijkste reden is dat de diodegelijkrichterklep geen complexe besturingsalgoritmen vereist en dat het geleidingsverlies van de diode meer dan 20% lager is dan dat van IGBT, waardoor de systeemstabiliteit en de economie aanzienlijk worden verbeterd.

2, Anti-omgekeerde polariteitsbescherming: om catastrofale fouten te voorkomen die worden veroorzaakt door omgekeerde polariteit van de voeding
De windenergiecontroller moet compatibel zijn met meerdere stroomingangen (zoals netstroom, dieselgeneratoren en batterijen). Als de gebruiker per ongeluk de polariteit van de voeding omkeert, kunnen de interne condensatoren, MOSFET's en andere componenten van de controller doorbranden. Door diodes in serie aan te sluiten op de stroomingang kan een goedkoop en uiterst betrouwbaar anti-omkeerbeveiligingscircuit worden geconstrueerd.

Ontwerppunten:

Optimalisatie van de voorwaartse geleidingsspanningsval: Schottky-diodes (zoals MBR1045CT) hebben een voorwaartse spanningsval van slechts 0,3 V, en bij 5 kW-niveauregelaars is het geleidingsverlies verantwoordelijk voor minder dan 0,6%, veel lager dan traditionele siliciumdiodes (0,7 V).
Controle van omgekeerde lekstroom: Ideale diode-IC's (zoals LTC4412) kunnen de omgekeerde lekstroom onderdrukken tot minder dan 1 μA, waardoor capaciteitsverslechtering van de batterij als gevolg van lekstroom in de standby-modus wordt vermeden.
Piekstroomonderdrukking: Door NTC-thermistors parallel met diodes aan te sluiten, kan de piekstroom op het moment van inschakelen worden beperkt, waardoor de stroomafwaartse condensator wordt beschermd.
Analyse van de faalmodus:
In een onderhoudsgeval van een windenergieregelaar heeft de gebruiker, vanwege het ontbreken van anti-omkeerbeveiliging, per ongeluk de voeding aangesloten, wat resulteerde in een explosie van de ingangscondensator. Het daaropvolgende verbeteringsplan maakt gebruik van een samengesteld circuit van "Schottky-diode + zelfherstellende zekering", dat de diode afsnijdt wanneer deze wordt omgekeerd en de zekering smelt, waardoor de fout volledig wordt geïsoleerd.

3, Energieterugwinningspadcontrole: een belangrijke schakel bij het voorkomen van overbelasting van remweerstanden
Wanneer de windsnelheid in windenergiesystemen de nominale waarde overschrijdt, moet overtollige energie worden verbruikt via pitchcontrole of remweerstanden. Als het remweerstandscircuit niet goed is ontworpen, kan er tegenstroom in de controller stromen via de IGBT-lichaamsdiode, waardoor oververhitting van de componenten ontstaat. De diode kan een onafhankelijk energieterugwinningspad opbouwen, waardoor de remstroom alleen via de weerstand vrijkomt.

Typische toepassingen:

Vrijloopdiode met Buck-circuit: In DC/DC-buck-circuits bieden vrijloopdiodes (zoals 1N5819WS) een vrijlooppad voor inductieve energieopslag, waardoor de opwekking van hoge--tegen-elektromotorische kracht wordt vermeden wanneer IGBT is uitgeschakeld.
Anti-terugstroomdiode van het boostcircuit: In een boostcircuit voorkomt een diode (zoals de MBR20100CT) dat de uitgangsspanning terugstroomt naar de ingangsterminal, waardoor de componenten aan de lage- zijde van de spanning worden beschermd.
Gegevensondersteuning:
Uit de testgegevens van een windenergie-omzetter blijkt dat na vervanging van gewone gelijkrichterdiodes door Schottky-diodes de temperatuurstijging van de remweerstand afnam van 120 graden naar 85 graden, en het systeemrendement met 3,2% toenam.

4, Klemdiode in topologie met meerdere niveaus: een kerncomponent voor het verbeteren van de betrouwbaarheid van de omvormer
In de diode-geklemde vijf-niveau gecascadeerde H--brugtopologie kan de klemdiode de spanning van elke brugarm in evenwicht brengen en doorslag van componenten veroorzaakt door ongelijkmatige spanning voorkomen. In een windenergiesysteem met directe aandrijving met permanente magneet bereikt deze topologie bijvoorbeeld een directe middenspanningsnetaansluiting via een gelijkrichter met 12 pulsen en een omvormer met vijf niveaus. De klemdiode reduceert de spanningsbelasting van de schakelapparaten tot de helft van de DC-busspanning, waardoor de systeembetrouwbaarheid aanzienlijk wordt verbeterd.

Technologische doorbraak:
Siemens gebruikt een diode-geklemde topologie voor convertorstations voor offshore windenergie, waardoor een output van 9 niveaus wordt bereikt, de equivalente schakelfrequentie wordt verdrievoudigd, de harmonische vervorming wordt verminderd tot minder dan 1,5% en het filtervolume met 40% wordt verminderd.

5. Geavanceerde technologie: diode met brede bandafstand stimuleert de upgrade van het windenergiesysteem
Nu siliciumcarbidediodes (SiC) volwassener worden, versnellen hun nul-reverse-charge-herstel (Qrr ≈ 0) en hoge temperatuurbestendigheid (200 graden) de vervanging van op silicium-gebaseerde diodes op het gebied van windenergie. De C3D10060A SiC Schottky-diode van Cree vermindert bijvoorbeeld het geleidingsverlies met 75% vergeleken met siliciumdiodes onder 100A/600V-omstandigheden, waarbij het omgekeerde herstelverlies bijna nul benadert.

Toepassingsscenario:

Hoogfrequente DC/DC-omzetter: SiC-diodes kunnen de schakelfrequentie verhogen tot meer dan 200 kHz, waardoor de grootte van inductoren en condensatoren aanzienlijk wordt verkleind.
Middenspanningsfrequentieomvormer: In 10 kV-windenergieomvormers kunnen SiC-diodes het aantal cascades verminderen en de systeemcomplexiteit verminderen.