Come progettare una rete di diodi in un sistema di accoppiamento multienergia?

1, Posizionamento funzionale: il ruolo principale delle reti di diodi
I sistemi di accoppiamento multienergia tipicamente integrano varie forme di energia come il fotovoltaico, l’energia eolica, l’accumulo di energia e le turbine a gas, e il loro flusso di energia mostra multidirezionalità e dinamismo. La rete di diodi assume tre funzioni principali in questo scenario:

Blocco della corrente inversa: quando un ramo subisce una caduta di tensione a causa di un guasto o di un'ostruzione ombra, i diodi paralleli possono bloccare l'alimentazione inversa da altri rami al ramo difettoso, evitando effetti hot spot o danni alle apparecchiature. Ad esempio, negli impianti fotovoltaici, i diodi di bypass possono cortocircuitare-i rami difettosi quando un singolo pannello solare è ostruito, proteggendo i normali pannelli solari dai picchi di corrente inversa.
Bloccaggio e stabilizzazione della tensione: un circuito di bloccaggio della tensione graduato è costruito collegando diodi in serie, che può limitare la gamma di fluttuazioni della tensione del sistema. Ad esempio, in un sistema di accumulo di energia con batteria al litio, più diodi al silicio sono collegati in serie per formare una caduta di tensione fissa di 1,8 V. Quando la tensione del pacco batteria supera questo valore, i diodi conducono e scaricano a terra la tensione in eccesso, proteggendo il carico backend.
Assistenza alla conversione dell'energia: nel sistema di cogenerazione elettrico caldo-freddo, i diodi possono assistere le unità di cogenerazione (CHP) nel raggiungimento dell'utilizzo dell'energia a cascata. Ad esempio, quando il calore di scarto generato dalle unità di cogenerazione viene convertito in capacità di raffreddamento attraverso la refrigerazione ad assorbimento, i diodi possono impedire alla capacità di raffreddamento di rifluire verso il lato della fonte di calore, garantendo l'efficienza del sistema.
2, struttura della topologia: design flessibile che si adatta a molteplici scenari
La struttura topologica di una rete di diodi deve essere adattata dinamicamente in base al tipo di energia, alle dimensioni del sistema e alla modalità operativa. Le strutture comuni includono:

Rete parallela: adatta per fotovoltaico distribuito, energia eolica e altri scenari, collegando diodi di blocco in serie all'ingresso di ciascun ramo, impedisce ai rami a bassa-tensione di diventare "buchi neri energetici". Ad esempio, un progetto fotovoltaico in un parco industriale adotta una rete di diodi paralleli. Quando la tensione di un ramo diminuisce a causa dell'ombreggiamento, il diodo di blocco viene interrotto per impedire al ramo normale di fornire alimentazione al contrario al ramo difettoso, riducendo la perdita di potenza dal 75% al ​​10%.
Rete in serie: adatta per la trasmissione di corrente continua ad alta tensione (HVDC) o sistemi di accumulo di energia, la sovrapposizione della tensione e il controllo della direzione sono ottenuti tramite diodi in serie. Ad esempio, nei sistemi di accumulo dell'energia con batterie al litio, una rete di diodi in serie viene utilizzata per costruire un circuito di bilanciamento del pacco batterie. Quando una determinata batteria è sovraccarica, il diodo corrispondente conduce, trasferendo l'energia in eccesso ad altre batterie e prolungandone la durata.
Rete ibrida: combinazione di strutture parallele e in serie, adatte a scenari complessi di accoppiamento multienergia. Ad esempio, in un sistema combinato di raffreddamento, riscaldamento ed alimentazione, viene utilizzata una rete di diodi ibridi per coordinare i tre flussi energetici di elettricità, calore e freddo: diodi paralleli vengono utilizzati per isolare i rami difettosi e diodi in serie vengono utilizzati per il blocco della tensione e il controllo della direzione della conversione dell'energia, ottenendo un miglioramento complessivo dell'efficienza del sistema.
3, Selezione del dispositivo: bilanciamento di prestazioni e costi
La selezione dei diodi richiede una considerazione completa di parametri quali tensione, corrente, frequenza, consumo energetico e costi. I tipi comuni includono:

Diodo al silicio: adatto per scenari a bassa tensione e corrente elevata, come i diodi di bypass fotovoltaici. La sua caduta di tensione è di circa 0,6 V, con un costo contenuto ma un consumo energetico elevato. Ad esempio, un certo progetto fotovoltaico utilizza diodi al silicio 1N4007 come componenti di protezione di bypass per soddisfare i requisiti di tensione inversa di 1000 V e corrente diretta di 1 A, controllando il costo di una singola scheda entro 0,5 yuan.
Diodo Schottky: adatto per scenari ad alta-frequenza e bassa-tensione, come alimentatori a commutazione, azionamenti di motori, ecc. La caduta di tensione è di soli 0,4 V e il tempo di recupero inverso è breve, ma la resistenza alla tensione è debole. Ad esempio, un certo progetto di stazione di ricarica per veicoli elettrici utilizza diodi Schottky come componenti a ruota libera per ridurre il tempo di recupero inverso da microsecondi a nanosecondi, sopprimendo efficacemente i picchi di tensione durante l’avviamento e l’arresto del motore.
Diodi al carburo di silicio (SiC): adatti per scenari ad alta tensione, alta temperatura e alta frequenza, come reti intelligenti, veicoli a nuova energia, ecc. La sua pressione scende a 0,2 V, il tempo di recupero inverso è estremamente breve e la sua resistenza alla temperatura supera i 200 gradi. Ad esempio, un progetto di trasmissione di corrente continua ad alta-tensione utilizza diodi SiC per costruire valvole di conversione, riducendo le perdite di conduzione del 40% e migliorando l'efficienza del sistema del 5%.
4, Strategia di ottimizzazione: migliorare l'affidabilità del sistema e l'efficienza energetica
Per migliorare ulteriormente le prestazioni delle reti di diodi nei sistemi di accoppiamento multienergia, è possibile adottare le seguenti strategie di ottimizzazione:

Integrazione del controllo intelligente: combinazione di sensori e algoritmi di controllo per ottenere la regolazione dinamica delle reti di diodi. Ad esempio, nelle microreti, monitorando i parametri di tensione e corrente di ciascun ramo in tempo reale-, regolando dinamicamente la soglia di conduzione dei diodi e ottimizzando l'allocazione dell'energia. Il progetto completo del sistema energetico in una determinata regione adotta un controller a diodi intelligente, che migliora la velocità di risposta del sistema al livello del millisecondo e riduce il tempo di isolamento del guasto dell'80%.
Ottimizzazione della gestione termica: per scenari ad alta-potenza, riduci la temperatura di giunzione dei diodi attraverso la progettazione della dissipazione del calore. Ad esempio, quando più diodi sono collegati in parallelo, viene utilizzato un design comune del dissipatore di calore per garantire l'equilibrio della temperatura. Il progetto UPS di un data center ha ottimizzato il percorso di dissipazione del calore, riducendo la temperatura di giunzione del diodo da 150 gradi a 120 gradi e prolungandone la durata di tre volte.
Design modulare: incapsula la rete di diodi in moduli standard per una rapida implementazione e manutenzione. Ad esempio, un progetto di accoppiamento multienergia in un parco industriale adotta un array di diodi modulari, che aumenta il supporto di potenza di un singolo modulo a 100 kW e supporta l'hot plug, riducendo i tempi di espansione del sistema da giorni a ore.
5, Caso di studio: applicazione pratica della rete di diodi
Prendendo come esempio un progetto di microrete su un’isola, il sistema integra fotovoltaico, energia eolica, generatori diesel e dispositivi di accumulo di energia e ottimizza il flusso di energia attraverso una rete di diodi

Protezione del ramo fotovoltaico: collegare i diodi di blocco in serie all'ingresso di ciascun ramo fotovoltaico per evitare la corrente inversa causata dall'ostruzione dell'ombra. I dati operativi del progetto mostrano che la rete di diodi ha ridotto il tasso di guasto dei pannelli fotovoltaici dal 5% allo 0,2% e ha aumentato la produzione annua di energia dell’8%.
Bilanciamento del sistema di accumulo dell'energia: una rete di diodi in serie viene utilizzata per costruire un circuito di bilanciamento del pacco batteria. Quando una determinata batteria è sovraccarica, il diodo corrispondente conduce, trasferendo l'energia in eccesso ad altre batterie. I test del progetto dimostrano che questo design estende la durata della batteria del 40% e riduce i costi di manutenzione del 30%.
Coordinamento complementare multienergia: coordinando il flusso di elettricità, calore e freddo attraverso una rete di diodi ibridi, si ottengono la risposta sul lato della domanda e la pianificazione dinamica. Dopo un anno di attività del progetto, l’efficienza energetica complessiva del sistema è aumentata dal 65% al ​​78% e le emissioni di carbonio sono diminuite del 25%.