Hoe voeren diodes signaalrichtingscontrole uit in het elektriciteitsnet?

一, De fysieke basis van unidirectionele geleidbaarheid van diodes
De kernstructuur van een diode is een PN-overgang, die een uitputtingsgebied vormt op de kruising van een halfgeleider van het P--type (rijk aan gaten) en een halfgeleider van het N--type (rijk aan elektronen). Wanneer de diode voorwaarts is voorgespannen (waarbij de P-terminal is verbonden met de positieve elektrode en de N-terminal is verbonden met de negatieve elektrode), wordt het uitputtingsgebied smaller en stromen de dragers vrij, waardoor een pad met lage weerstand wordt gevormd; Bij omgekeerde voorspanning wordt het uitputtingsgebied breder, waardoor alleen lekstroom van microampère wordt doorgelaten, wat een hoge weerstandstoestand oplevert. Deze eigenschap maakt diodes tot een natuurlijke "elektronische klep" die de richting van de stroom nauwkeurig kan regelen.

Belangrijkste parameters:

Voorwaartse spanningsval (VF): ongeveer 0,6-0,7V voor siliciumdiodes en zo laag als 0,15-0,4V voor Schottky-diodes.
Reverse Recovery Time (TRR): gewone diodes hebben een hersteltijd van enkele honderden nanoseconden, snelle hersteldiodes kunnen worden ingekort tot tientallen nanoseconden en Schottky-diodes hebben een hersteltijd van bijna nul.
Omgekeerde doorslagspanning (VRRM): Deze bepaalt de maximale sperspanning die een diode kan weerstaan ​​en is een belangrijke indicator voor selectie in toepassingen op het elektriciteitsnet.
2, Typische toepassingsscenario's van signaalrichtingcontrole op het elektriciteitsnet
1. Rectificatie- en DC-voedingssysteem
In de gelijkstroomtransmissieverbinding van het elektriciteitsnet zetten diodegelijkrichterbruggen (zoals drie- volledige bruggen) wisselstroom om in gelijkstroom, waardoor de basis wordt gelegd voor hoog-gelijkstroomtransmissie (HVDC). In ± 800 kV ultra-gelijkstroomprojecten met hoge spanning moeten diodegelijkrichters bijvoorbeeld duizenden ampère stroom en verschillende megavolt spanning kunnen weerstaan, en hun omgekeerde herstelkarakteristieken hebben een directe invloed op de systeemefficiëntie.

Optimalisatiestrategie:

Gebruik van snelle hersteldiodes (FRD) of siliciumcarbidediodes (SiC) om omgekeerde herstelverliezen te verminderen.
Door gebruik te maken van parallelle stroomuitwisselingstechnologie om de stroom te verspreiden en de betrouwbaarheid van het apparaat te verbeteren.
2. Directionele isolatie bij de integratie van nieuwe energie in het net
In fotovoltaïsche omvormers en windenergieomvormers worden diodes gebruikt om omgekeerde stroomtoevoer naar het elektriciteitsnet te voorkomen. Fotovoltaïsche arrays zijn bijvoorbeeld via diodes met omvormers verbonden. Wanneer het elektriciteitsnet uitvalt of de omvormer wordt uitgeschakeld, blokkeren de diodes automatisch de tegenstroom, waardoor de apparatuur tegen schade wordt beschermd.

Casusanalyse:
Een fotovoltaïsche energiecentrale van 10 MW heeft een modulair parallel ontwerp, waarbij elke fotovoltaïsche tak in serie is verbonden met diodes. Uit feitelijke testgegevens blijkt dat wanneer de netspanning tot 30% daalt, de diode de tegenstroom snel kan blokkeren, waardoor een stabiele DC-zijdespanning van de omvormer wordt gegarandeerd en overspanning van de apparatuur wordt vermeden.

3. Relaisbescherming en foutisolatie
In het relaisbeveiligingsapparaat van het elektriciteitsnet worden diodes gecombineerd met apparaten zoals thyristors en IGBT's om een ​​snelle uitschakeling-van foutstromen te bereiken. DC-stroomonderbrekers maken bijvoorbeeld gebruik van de omgekeerde blokkeerkarakteristiek van diodes om de defecte tak te isoleren in het geval van een fout, waardoor de verspreiding van de fout wordt voorkomen.

Technologische doorbraak:
Een DC-stroomonderbreker op basis van SiC MOSFET en diode-hybride kan binnen 5 ms duizenden ampère foutstroom onderbreken, met een responssnelheid die meer dan 10 keer sneller is dan traditionele mechanische stroomonderbrekers.

4. Signaalmodulatie en communicatie
Bij Power Line Carrier Communication (PLC) worden diodes gebruikt voor signaalmodulatie en demodulatie. Door bijvoorbeeld een diodedetectiecircuit te gebruiken om hoog-communicatiesignalen te extraheren, kan real-transmissie van elektriciteitsnetgegevens worden bereikt.

Toepassingsvoorbeeld:
Bij de constructie van het "Ubiquitous Power Internet of Things" van het State Grid kunnen PLC-modules die diodedetectietechnologie gebruiken een datatransmissie van 1 Mbps bereiken op 10 kV-distributielijnen met een foutenpercentage van minder dan 10 ^ -6.

3, Uitdagingen en optimalisatiestrategieën in elektriciteitsnettoepassingen
1. Betrouwbaarheidsproblemen in scenario's met hoge- spanning en hoge stroom
Bij gelijkstroomtransmissie met ultra-hoge spanning moeten diodes bestand zijn tegen tienduizenden ampère stroom en verschillende megavolt spanning, en hun omgekeerde herstelkarakteristieken kunnen spanningspieken veroorzaken, wat kan leiden tot apparaatstoringen.

Oplossing:

Apparaatselectie: SiC-diodes hebben de voorkeur omdat ze een 90% kortere omgekeerde hersteltijd hebben en een vermindering van 50% in geleidingsverlies vergeleken met siliciumdiodes.
Absorptiecircuitontwerp: Parallel RC-buffercircuit is aan beide uiteinden van de diode aangesloten om spanningspieken te onderdrukken. In een ± 1100 kV DC-project werd de piekspanning bijvoorbeeld verlaagd van 2,1 keer de nominale waarde naar 1,3 keer door de RC-parameters te optimaliseren.
2. Onderdrukking van elektromagnetische interferentie (EMI).
De hoogfrequente oscillatie die wordt gegenereerd tijdens het omgekeerde herstelproces van diodes kan EMI veroorzaken en de communicatieapparatuur op het elektriciteitsnet verstoren.

Optimalisatiemaatregelen:

Optimalisatie van de lay-out: Verkort de lengte van de diodekabels en verminder de zwerfinductie.
Filterontwerp: voeg common-mode-inductie en Y-condensator toe aan de uitgangsaansluiting van de diode om hoogfrequente ruis te onderdrukken. Uit daadwerkelijke tests blijkt dat de geoptimaliseerde EMI-stralingsintensiteit met 15 dB wordt verminderd.
3. Temperatuur- en levensduurbeheer
De gebruiksomgeving van apparatuur op het elektriciteitsnet is complex en hoge temperaturen kunnen een stijging van de temperatuur van de diodeovergangen en veroudering van versnellercomponenten veroorzaken.

Technisch pad:

Thermisch ontwerp: gebruik van koellichamen en vloeistofkoelingstechnologie om de junctietemperatuur onder de 150 graden te regelen.
Levensduurvoorspelling: Stel op basis van de junctietemperatuur en het huidige spanningsmodel een algoritme voor het voorspellen van de levensduur van de diode vast om preventief onderhoud te bereiken.