Как интегрировать байпасные диоды в контроллеры ветроэнергетических установок?

一, Основная функция байпасного диода: активная защита от эффекта горячей точки.
Основная функция байпасных диодов в системах ветроэнергетики — предотвращение эффектов горячих точек. Когда лопасти ветряной турбины заблокированы (например, снегом, птичьим пометом или локальными неисправностями), элементы батареи в зоне препятствий не могут генерировать электроэнергию и вместо этого становятся нагрузкой, которая потребляет ток, генерируемый другими обычными элементами батареи, что приводит к резкому увеличению локальной температуры (до 200 градусов и выше) и образованию горячих точек. Горячие точки не только необратимо повреждают элементы аккумуляторной батареи, снижают эффективность выработки электроэнергии, но могут даже стать причиной пожара.

Байпасный диод подключен обратно-параллельно на обоих концах аккумуляторной батареи и находится в состоянии обратного отключения при нормальных условиях эксплуатации, не влияя на работу схемы; Когда определенный элемент батареи заблокирован, напряжение на обоих концах повышается до порога прямой проводимости диода, и ток обходит область повреждения, чтобы избежать образования горячих точек. Например, морская ветряная установка мощностью 5 МВт использует схему параллельного подключения байпасного диода для каждой серии аккумуляторных элементов. В тесте на локальное затенение температура горячей точки снизилась со 185 до 45 градусов, а срок службы компонента увеличился более чем в три раза.

2. Интегрированный сценарий: технологическое расширение от фотоэлектрических модулей до контроллеров ветровой энергии.
Хотя байпасные диоды впервые были применены в фотоэлектрических системах, их технические принципы хорошо адаптируются к производству энергии ветра. В контроллерах ветроэнергетических установок интеграция байпасных диодов в основном отражается в следующих сценариях:

1. Защита со стороны ротора ветряных турбин с двойным питанием.
Когда асинхронный генератор с двойным питанием испытывает падение напряжения в электросети, на стороне ротора может возникнуть перегрузка по току, что может привести к повреждению инвертора. Схема активной защиты Crowbar передает энергию ротора на шунтирующий резистор через диодный выпрямительный мост, где каждое плечо выпрямительного моста состоит из двух диодов, соединенных последовательно, обеспечивая выделение энергии в течение 10 мс. Например, морская установка с двойным питанием мощностью 10 МВт использует схему Crowbar типа IGBT в сочетании с быстродействующими диодами для поддержания стабильной работы системы даже при падении напряжения до 20%.

2. Оптимизация процесса ректификации блока с постоянными магнитами с прямым приводом.
Ветряная турбина с постоянным магнитом и прямым приводом использует неуправляемую схему диодного выпрямителя для преобразования трехфазного переменного тока в мощность постоянного тока. Хотя структура проста, потери проводимости диода напрямую влияют на эффективность системы. Заменив традиционные кремниевые диоды карбидокремниевыми (SiC) диодами Шоттки, падение напряжения проводимости можно уменьшить с 0,7 В до 0,3 В. При силе тока 1000А один блок может экономить до 200000 кВтч электроэнергии в год.

3. Управление батареями автономных контроллеров ветровой энергии
В автономных системах контроллер должен предотвращать разряд батареи в обратном направлении к ветряной турбине в ночное время или в пасмурную погоду. Путем последовательного подключения байпасных диодов в цепи зарядки формируется однонаправленная цепь тока. Например, в проекте микросети в удаленном районе используется контроллер с антиобратными диодами, что продлевает срок службы батареи с 3 до 6 лет и снижает общую стоимость системы на 40%.

3. Критерии выбора: от сопоставления параметров до проверки надежности.
Производительность байпасных диодов напрямую влияет на стабильность контроллеров ветровой энергии, и при их выборе необходимо всесторонне учитывать следующие основные параметры:

1. Рабочий ток и обратное напряжение пробоя.
Рабочий ток: он должен быть больше, чем ток короткого-замыкания цепочки аккумуляторных элементов. Например, если ток короткого-замыкания аккумуляторного элемента размером 210 мм составляет 18 А, номинальный ток байпасного диода должен быть больше или равен 20 А.
Напряжение обратного пробоя: оно должно быть в 1,2 раза выше напряжения холостого хода элемента аккумуляторной батареи. Если взять в качестве примера систему 1500 В, обратное выдерживаемое напряжение диода должно быть больше или равно 1800 В.
2. Тепловые характеристики и конструкция рассеивания тепла.
Температура соединения: она должна соответствовать требованиям к максимальной рабочей температуре системы. Температура морской среды может достигать 55 градусов, а температура диодного перехода должна быть меньше или равна 175 градусов.
Термическое сопротивление: низкое термическое сопротивление может ускорить теплопроводность. Например, диоды, упакованные на медные подложки, могут иметь тепловое сопротивление всего 0,5 К/Вт, что на 60% ниже, чем у традиционной пластиковой упаковки.
3. Тестирование динамического отклика и надежности.
Скорость переключения: необходимо адаптироваться к внезапным изменениям скорости ветра. Например, для определенной береговой установки требуются диоды для завершения переключения проводимости/отсечки в течение 10 мкс.
Испытание на срок службы: необходимо пройти испытание на тепловой разгон по стандарту IEC 62979, что означает, что температура поверхности повышается менее чем на 15 градусов при подаче номинального тока в течение 1 часа при температуре окружающей среды 75 градусов.