Как настроить диоды в системах сопряжения ветроэнергетических накопителей?

一, Выбор типа диода: точное соответствие в зависимости от сценариев применения
Система сопряжения накопителей энергии ветра охватывает множество аспектов, таких как выработка энергии ветра, преобразование энергии, а также зарядка и разрядка накопителя энергии. Существуют значительные различия в требованиях к производительности диодов в разных сценариях, поэтому необходимо выбирать целевые типы устройств.

1. Процесс выпрямления: диоды из карбида кремния повышают эффективность преобразования.
В модуле выпрямления переменного/постоянного тока ветряных турбин традиционные диоды на основе кремния-имеют высокие потери переключения из-за длительного времени обратного восстановления (50–100 нс), тогда как диоды из карбида кремния (SiC) могут значительно снизить потери на выпрямление благодаря своим сверхбыстрым характеристикам обратного восстановления (Trr).<10ns) and low forward voltage drop (Vf<0.3V). For example, Cree's GaN HEMT diode reduces reverse recovery loss by 90% compared to silicon-based devices at a switching frequency of 1MHz, resulting in rectifier module efficiency exceeding 98%. In the offshore wind power scenario, Siemens uses a diode flexible rectifier valve instead of a modular multi-level rectifier valve, and reduces the converter station's volume by 80%, weight by 65%, and transmission loss by 20% under the same transmission capacity through the bridge arm series integrated pulse control strategy.

2. Канал хранения энергии: TVS-диод усиливает защиту от перенапряжения.
В системах хранения энергии на литиевых батареях TVS-диоды фиксируют перенапряжение в безопасном диапазоне с миллисекундной скоростью срабатывания. Если взять в качестве примера аккумуляторный модуль CTP3.0 компании CATL, используемый в нем TVS-диод Dongwo Electronics SMBJ15CA (Pppm=600W, Vc=18V) снизил повышение температуры поверхности аккумуляторного модуля на 42 % в тесте на разгонный температурный режим UL9540A и увеличил время срабатывания системы противопожарной защиты более чем в 10 раз. Для систем хранения энергии на топливных элементах каталитические датчики сгорания и TVS-диоды должны быть настроены на быстрое размыкание цепи в случае утечки водорода. Давление открытия взрывозащитного устройства должно контролироваться в пределах 0,01 МПа.

3. Фотоэлектрическая вспомогательная линия: оптимизированная теневая устойчивость байпасного диода.
В системах накопления солнечной энергии ветра фотоэлектрические модули часто испытывают внезапное падение выходной мощности из-за локальных теней. Подключая один байпасный диод последовательно с каждыми 18-20 компонентами, можно передавать ток экранированных компонентов, уменьшая потери мощности. Например, при полной закупорке одной ячейки выходная мощность монокристаллического кремниевого модуля может снизиться на 75%, а при настройке байпасных диодов потери мощности можно контролировать в пределах 10%. Кроме того, следует использовать технологию инфракрасного обнаружения для регулярного сканирования компонентов и оперативного устранения проблем с горячими точками, когда разница температур превышает 10 градусов.

2. Оптимизация топологии: построение эффективных и надежных силовых электронных сетей.
Топологический метод подключения диодов напрямую влияет на эффективность потока энергии и способность изоляции неисправностей системы, поэтому требуется целенаправленное проектирование, основанное на пути преобразования энергии связанной системы.

1. Схема защиты от обратного заряда: составная конструкция блокирующего диода и МОП-транзистора.
Традиционная схема антиреверса P-MOS имеет такие проблемы, как высокое сопротивление и неспособность блокировать обратный ток. Идеальный диодный контроллер LM74700-Q1 от TI обеспечивает сопротивление 0,01 Ом и скорость обратного выключения на наносекундном уровне за счет интеграции N-MOS и схемы управления. В низковольтной системе 48 В идеального автомобиля L9 это решение снижает потери при обратном соединении с 8 Вт до 0,2 Вт, а повышение температуры системы с 15 до 2 градусов, полностью устраняя риск теплового сбоя во время холодного запуска.

2. Многоуровневое выпрямление: топология диодного зажима.
В сценариях передачи постоянного тока с высоким-высоким напряжением многоуровневые выпрямители (NPC) с диодной фиксацией обеспечивают баланс напряжения за счет последовательного соединения конденсаторов и диодов, что снижает требования к сопротивлению коммутационных устройств по напряжению. В проекте передачи постоянного тока сверхвысокого напряжения ±800 кВ топология NPC снижает выдерживаемое напряжение отдельных устройств с 1600 В до 650 В, одновременно уменьшая коэффициент гармонических искажений (THDu) с 15 % до 3 %, что значительно улучшает качество электроэнергии.

3. Координация гибридного хранения энергии: изоляция диодов и распределение мощности.
В гибридной системе хранения энергии, состоящей из литиевых батарей и суперконденсаторов, распределение мощности должно обеспечиваться посредством диодов. Литиевые батареи компенсируют длительные-колебания низкой-мощности, а суперконденсаторы выдерживают кратковременные-мощные-удары мощности. Например, в стратегии управления подключением к ветроэнергетической сети, когда уровень колебаний мощности превышает 5%, суперконденсатор быстро заряжается и разряжается через диоды, чтобы подавить уровень колебаний с точностью до 2%; А литиевые батареи медленно регулируются со скоростью 0,1C, чтобы гарантировать поддержание SOC (состояния заряда) в безопасном диапазоне 20–80%.

3. Сотрудничество в области управления температурным режимом: контроль температуры от уровня компонентов до уровня системы.
Термический отказ диодов является одной из основных причин сбоев систем хранения энергии, а контроль температуры на протяжении всего жизненного цикла должен обеспечиваться за счет инноваций в материалах, структурной оптимизации и теплового проектирования на уровне системы.

1. Обновление материала: полупроводник с широкой запрещенной зоной снижает тепловые потери.
Диоды SiC выдерживают температуру до 600 градусов, что в три раза выше, чем у устройств на основе кремния-; GaN-диоды могут стабильно работать при температуре 200 градусов и обеспечивать тепловое резервирование для платформ высокого-напряжения 800 В. В модуле SiC четвертого поколения от ROHM применяется двухсторонняя конструкция рассеивания тепла, позволяющая снизить тепловое сопротивление с 10 К/Вт до 2 К/Вт и достичь удельной мощности более 100 кВт/л. В системе накопления энергии BYD Cube технология жидкостного охлаждения стабилизирует рабочую температуру диода ниже 45 градусов, снижая обратный ток утечки на 78 % по сравнению с решением с воздушным-охлаждением.

2. Структурные инновации: 3D-упаковка и встроенный отвод тепла.
Путем укладки чипов и внедрения структур рассеивания тепла можно значительно снизить термическое сопротивление диодов. Например, серия Smart Diode от Infineon включает в себя датчики температуры внутри чипа для мониторинга кривых VF Tj в-режиме реального времени. Когда температура достигает порогового значения, за 10 секунд до достижения порогового значения выдается предупреждение, что обеспечивает время активного вмешательства для управления температурой системы.

3. Тепловая связь на уровне системы: синергия температуры хранения солнечной и ветровой энергии.
В системе накопления солнечной энергии ветра необходимо создать единую платформу управления температурным режимом. Например, электростанция совместного хранения энергии в Цинхае использует систему производства водорода из морской воды, которая использует отходящее тепло электролизера для нагрева литиевой батареи, снижая скорость снижения емкости батареи с 30% до 5% в условиях низких температур зимой. В то же время трубопровод жидкостного охлаждения фотоэлектрического модуля разделяет охлаждающую жидкость с масляным контуром редуктора ветряной турбины, обеспечивая каскадное использование энергии.