Kuidas kaitsevad dioodid tuuleturbiinide ja generaatorite väljundit madalatel pööretel?

一, põhiprobleemid ja dioodikaitse loogika madala tuulekiiruse tingimustes
1. Madala tuulekiiruse tingimuste füüsilised omadused ja riskid
Tuuleturbiini väljundvõimsus on otseselt võrdeline tuule kiiruse kolmanda võimsusega. Kui tuule kiirus on väiksem kui tuule kiiruse kärpimine (tavaliselt 3-5 m/s), on generaatori kiirus ebapiisav ja väljundpinge võib olla madalam kui aku või võrgu pinge, mille tulemuseks on järgmised riskid:

Voolu tagasivool: aku või toitevõrk varustab toidet tagurpidi läbi mootori mähise, põhjustades mootori ülekuumenemise ja püsimagneti demagnetiseerumise;
Pinge kõikumine: ebastabiilne väljundpinge põhjustab järgnevate DC/DC muundurite või inverterite ebanormaalset tööd;
Tõhususe kokkuvarisemine: madala tuulekiiruse korral langeb elektritootmise efektiivsus järsult ja kui kaitse puudub, võib süsteem elektri tootmise asemel jätkata energia tarbimist.
2. Dioodide kaitsemehhanism
Dioodid ehitavad ühesuunalise juhtivuse kaudu füüsilise isolatsioonitõkked:

Edasijuhtivus: kui generaatori väljundpinge on kõrgem pingest koormusklemmil, juhib diood ja vool liigub generaatorist koormusele;
Vastupidine väljalülitus: kui generaatori pinge on koormusklemmide pingest madalam, lülitub diood automaatselt välja, blokeerides pöördvoolu tee.
Võttes näiteks sõltumatu väikese tuuleturbiini, kasutab selle kolmefaasiline kontrollimatu sillaalaldi kolm{0}}faasi 6 dioodi (nt MUR60120, pinge 1200V, vool 60A). Kui tuule kiirus on alla 3 m/s, võib dioodide massiiv täielikult blokeerida vastupidise toiteallika akust generaatorisse, kaitseefektiivsusega üle 99,9%.

2, tüüpilised rakendusstsenaariumid ja tehniline teostus
1. Sõltumatu väikesemahuline-tuuleenergia tootmissüsteem
Kaugtoiteallika stsenaariumide korral kasutavad väikesed tuuleturbiinid (võimsus 1–10 kW) sageli „tuuleturbiin+aku+koormus” arhitektuuri. Selle kaitsekonstruktsioon sisaldab kahte dioodikihti:

Alalduskiht: kolme-faasilise silla alaldi ahel muudab vahelduvvoolu alalisvooluks ja dioodi parameetrid peavad vastama:
Vastupidavuspinge Suurem kui 1,5-kordne generaatori tipppinge või sellega võrdne (nt . 100V-diood on valitud 24V süsteemi jaoks);
Keskmine vool on suurem või võrdne 1,2-kordse generaatori nimivooluga (kui 5A süsteem kasutab 6A dioodi).
Tagasivooluvastane kiht: ühendage Schottky dioodid (nt MBR1045CT, V_F=0.4V) järjestikku aku ja alaldi väljundklemmi vahele, et vähendada juhtivuskadusid, tagades samal ajal tagasilöögi töökindluse.
Juhtum: Aafrika maapiirkondade elektrivarustuse projektis suudab ülalkirjeldatud viisil konstrueeritud tuuleturbiin endiselt stabiilselt töötada tuule kiirusel 2 m/s. Aku pöördvool väheneb 0,5A-lt 0A-le ja süsteemi eluiga pikeneb kolm korda.

2. Võrku ühendatud tuuleturbiinid
MW tasemel võrku ühendatud tuuleturbiinides tuleb dioodkaitse kombineerida jõuelektrooniliste muunduritega, et saavutada:

Masinapoolne muundur: kasutab IGBT+dioodi hübriidmoodulit (nagu Infineon FF600R12ME4), dioodi tagasipööratud taastumisajaga Vähem kui 100 n või sellega võrdne, et vältida pöördvoolu hüppeid kõrge{5}}sageduse ümberlülitamisel;
Võrgupoolne muundur: paigaldage TVS-dioodid (nt 1,5KE33CA) alalisvoolu siini ja võrgu poole vahele, et summutada äikeselöögist või võrgurikkest põhjustatud mööduvat ülepinget;
Mahalaadimisahel: kui tuule kiirus on liiga madal ja alalisvoolu siini pinge liiga kõrge, lülitatakse paralleeldioodide ja takistite mahalaadimisharu automaatselt tööle, muutes liigse energia tarbimiseks kasutatavaks soojusenergiaks.
Andmed: teatud meretuulepargi tegelikud mõõtmised näitavad, et pärast selle kaitseskeemi kasutuselevõttu on tuuleturbiinide rikete määr madalal tuulekiirusel (4m/s) vähenenud 12%-lt 2%-le ja aastane elektritootmine on kasvanud 8%.

3, Peamised tehnilised parameetrid ja valikupõhimõtted
1. Põhiparameetrite sobitamine
Positiivne pingelang (V_F): mõjutab otseselt süsteemi tõhusust. Räni-põhiste dioodide V-F on umbes 0,6–0,8 V, samas kui Schottky dioodid võivad seda vähendada 0,2–0,4 V-ni. 100 kW tuuliku puhul võib Schottky dioodide kasutamine vähendada aastaseid kadusid 12 000 kWh võrra.
Pöördtaasteaeg (Trr): kõrge{0}}sagedusega ümberlülitamise stsenaariumide korral peaks Trr olema 50 n-st väiksem või sellega võrdne, et vältida ümberlülituskadusid. Kiire taastumisega dioodide (nt FR107) Trr on umbes 50 ns, samas kui ränikarbiiddioodide (SiC) Trr saab vähendada 10 ns-i.
Liigpingevoolu kandevõime (I2FSM): see peab katma tuuleturbiini käivitamise{1}}või rikke ajal tekkiva siirdevoolu. Näiteks 2MW tuuleturbiin peab valima dioodi, mille I2FSM on suurem või võrdne 300A, et tulla toime elektrivõrgu lühiste mõjuga.
2. Valiku optimeerimise strateegia
Temperatuuri kompenseerimine: kõrge -temperatuuriga keskkondades (nagu kõrbealad) võib dioodide ühendustemperatuur ületada 150 kraadi ja valida tuleks kõrgele -temperatuurile vastupidavad mudelid (nt AEC-Q101 sertifikaadiga seadmed);
Üleliigne disain: N+1 varundusstrateegiat kasutades suudab süsteem säilitada rohkem kui 80% väljundvõimsusest, kui üks diood ebaõnnestub;
Integratsioonitrend: dioode ja MOSFET-e/IGBT-sid kasutavad integreeritud moodulid (nagu IPM) võetakse kasutusele, et vähendada parasiit-induktiivsust ja parandada süsteemi töökindlust.