Hoe bypass-diodes in windenergiecontrollers integreren?

一, De kernfunctie van bypass-diode: actieve verdediging tegen hotspot-effect
De kernfunctie van bypass-diodes in systemen voor de opwekking van windenergie is het voorkomen van hotspot-effecten. Wanneer de bladen van een windturbine worden geblokkeerd (door bijvoorbeeld sneeuw, vogelpoep of lokale fouten), kunnen de batterijcellen in het geblokkeerde gebied geen elektriciteit opwekken en in plaats daarvan een belasting worden die de stroom verbruikt die door andere normale batterijcellen wordt gegenereerd, wat resulteert in een scherpe stijging van de lokale temperatuur (tot 200 graden of hoger) en de vorming van hotspots. Hotspots beschadigen niet alleen de batterijcellen permanent, verminderen de efficiëntie van de energieopwekking, maar kunnen zelfs brand veroorzaken.

De bypass-diode is omgekeerd parallel geschakeld aan beide uiteinden van het batterijpakket en bevindt zich onder normale bedrijfsomstandigheden in een omgekeerde uitschakelstatus, zonder de werking van het circuit te beïnvloeden; Wanneer een bepaalde batterijcel wordt geblokkeerd, stijgt de spanning aan beide uiteinden naar de voorwaartse geleidingsdrempel van de diode, en omzeilt de stroom het foutgebied om de vorming van hotspots te voorkomen. Een offshore windturbine-eenheid van 5 MW gebruikt bijvoorbeeld een schema van parallelle aansluiting van een bypass-diode voor elke serie batterijcellen. Bij de lokale schaduwtest daalde de hotspottemperatuur van 185 graden naar 45 graden en werd de levensduur van de componenten met meer dan drie keer verlengd.

2, Geïntegreerd scenario: technologische uitbreiding van fotovoltaïsche modules naar windenergiecontrollers
Hoewel bypass-diodes voor het eerst werden toegepast in fotovoltaïsche systemen, hebben hun technische principes een hoog aanpassingsvermogen bij de opwekking van windenergie. Bij windenergieregelaars komt de integratie van bypass-diodes vooral tot uiting in de volgende scenario's:

1. Rotorzijbescherming van dubbel gevoede windturbines
Wanneer een dubbel gevoede inductiegenerator een spanningsval in het elektriciteitsnet ervaart, kan er aan de rotorzijde overstroom ontstaan, waardoor de omvormer beschadigd kan raken. Het actieve beveiligingscircuit van de koevoet geeft rotorenergie af aan de bypass-weerstand via een diode-gelijkrichterbrug, waarbij elke brugarm van de gelijkrichterbrug bestaat uit twee in serie geschakelde diodes, waardoor de vrijgave van energie binnen 10 ms wordt gegarandeerd. Een dubbel gevoede offshore-eenheid van 10 MW maakt bijvoorbeeld gebruik van een IGBT-type Crowbar-circuit, gecombineerd met snelle diodes, om een ​​stabiele werking van het systeem te behouden, zelfs als de spanning tot 20% daalt.

2. Optimalisatie van het rectificatieproces voor permanente magneeteenheden met directe aandrijving
De direct aangedreven windturbine met permanente magneet maakt gebruik van een oncontroleerbaar diodegelijkrichtercircuit om drie- wisselstroom om te zetten in gelijkstroom. Hoewel de structuur eenvoudig is, heeft het geleidingsverlies van de diode rechtstreeks invloed op de systeemefficiëntie. Door traditionele siliciumdiodes te vervangen door Schottky-diodes van siliciumcarbide (SiC), kan de geleidingsspanningsval worden teruggebracht van 0,7 V naar 0,3 V. Bij een stroomsterkte van 1000A kan één enkele unit tot 200.000 kWh elektriciteit per jaar besparen.

3. Batterijbeheer van off-grid windenergiecontrollers
Bij off-grid-systemen moet de controller voorkomen dat de batterij tijdens de nacht of bij bewolkt weer omgekeerd ontlaadt ten opzichte van de windturbine. Door bypass-diodes in serie in het laadcircuit aan te sluiten, wordt een unidirectioneel stroompad gevormd. Een microgridproject in een afgelegen gebied maakt bijvoorbeeld gebruik van een controller met anti-reverse diodes, waardoor de levensduur van de batterij wordt verlengd van 3 naar 6 jaar en de totale systeemkosten met 40% worden verlaagd.

3, Selectiecriteria: van parametermatching tot betrouwbaarheidsverificatie
De prestaties van bypass-diodes hebben een directe invloed op de stabiliteit van windenergieregelaars, en bij de selectie ervan moet uitgebreid rekening worden gehouden met de volgende kernparameters:

1. Werkstroom en omgekeerde doorslagspanning
Werkstroom: deze moet groter zijn dan de kortsluitstroom- van de batterijcelreeks. Als de kortsluitstroom van een batterijcel van 210 mm bijvoorbeeld 18 A is, moet de nominale stroom van de bypass-diode groter dan of gelijk aan 20 A zijn.
Omgekeerde doorslagspanning: deze moet 1,2 keer hoger zijn dan de nullastspanning van de batterijcel. Als we het 1500V-systeem als voorbeeld nemen, moet de omgekeerde weerstandsspanning van de diode groter zijn dan of gelijk zijn aan 1800V.
2. Thermische prestaties en ontwerp van warmteafvoer
Verbindingstemperatuur: deze moet voldoen aan de maximale bedrijfstemperatuurvereisten van het systeem. De temperatuur van de zeeomgeving kan 55 graden bereiken en de temperatuur van de diodeverbinding moet kleiner dan of gelijk zijn aan 175 graden.
Thermische weerstand: Een lage thermische weerstand kan de warmtegeleiding versnellen. Diodes die op koperen substraten zijn verpakt, kunnen bijvoorbeeld een thermische weerstand van slechts 0,5 K/W hebben, wat 60% lager is dan traditionele plastic verpakkingen.
3. Testen van dynamische respons en betrouwbaarheid
Schakelsnelheid: Het moet zich aanpassen aan plotselinge veranderingen in de windsnelheid. Een bepaalde onshore-eenheid heeft bijvoorbeeld diodes nodig om de geleidings-/afsnijdingsschakeling binnen 10 μs te voltooien.
Levensduurtest: Het is vereist om de thermische runaway-test volgens de IEC 62979-norm te doorstaan, wat betekent dat de oppervlaktetemperatuur met minder dan of gelijk aan 15 graden stijgt wanneer de nominale stroom gedurende 1 uur wordt toegepast in een omgeving van 75 graden.