Qual è il ruolo dei diodi nei sistemi di alimentazione eolica distribuita?

1, circuito di rettifica: raggiungimento di una conversione efficiente da CA a CC
Una delle funzioni principali di un sistema di alimentazione eolica distribuita è convertire la potenza CA prodotta dalle turbine eoliche in potenza CC per l'immagazzinamento in batterie o l'azionamento diretto di carichi CC. In questo processo il diodo forma un ponte raddrizzatore incontrollabile, ottenendo la "rettifica dell'onda intera" della potenza CA attraverso la conduttività unidirezionale, convertendo i segnali CA a mezzo ciclo positivo e negativo in potenza CC pulsante unidirezionale.

Vantaggi tecnici:

Struttura semplice e affidabile: il ponte raddrizzatore non controllato a diodi trifase- richiede solo 6 diodi, senza la necessità di circuiti di controllo complessi e ha un basso tasso di guasto. Ad esempio, il diodo MUR60120 di Fuji (resistente a una tensione di 1.200 V, corrente nominale di 60 A) è ampiamente utilizzato nelle turbine eoliche di piccole e medie-dimensioni, con una caduta di tensione di conduzione di soli 0,7 V e un'efficienza di rettifica del 98,5% nei sistemi a livello di 10 kW.
Notevole efficacia in termini di costi-: rispetto ai circuiti raddrizzatori controllabili composti da IGBT o MOSFET, il costo del ponte raddrizzatore a diodi è ridotto di oltre il 60% e non è necessario progettare il circuito di pilotaggio e la dissipazione del calore, riducendo significativamente l'investimento iniziale del sistema.
Adattarsi ad ambienti difficili: il diodo può funzionare stabilmente nell'intervallo di temperatura compreso tra -40 gradi e 150 gradi, resistere a temperature elevate, polvere e vibrazioni negli scenari di generazione di energia eolica e avere una durata di oltre 20 anni.
Caso di ingegneria:
Un parco eolico offshore utilizza una valvola raddrizzatore a diodi per sostituire la tradizionale valvola raddrizzatore modulare multi-livello (MMC). A parità di capacità di trasmissione, la stazione di conversione ha ridotto il volume dell'80%, il peso del 65% e il tempo di installazione del 20%. Il motivo principale è che la valvola raddrizzatore a diodi non ha bisogno di controllare in modo indipendente ciascun sottomodulo, riducendo la probabilità di guasto del 90% e riducendo la perdita di conduzione del 20% rispetto a MMC, con un conseguente aumento del 3,2% dell'efficienza del sistema.

2, protezione anti-connessione inversa: costruire la prima linea di difesa per la sicurezza del sistema
L'interfaccia di ricarica del sistema di alimentazione eolica distribuita deve essere compatibile con più ingressi di alimentazione (come alimentazione di rete, generatori diesel e batterie). Se l'utente inverte accidentalmente la polarità dell'alimentatore, i condensatori interni, i MOSFET e altri componenti del controller potrebbero bruciarsi. Collegando i diodi in serie all'ingresso di alimentazione, è possibile costruire un circuito di protezione anti-inversione a basso-costo e altamente affidabile.

Punti di progettazione:

Ottimizzazione della caduta di tensione di conduzione diretta: i diodi Schottky (come MBR1045CT) hanno una caduta di tensione diretta di soli 0,3 V e, nei controller di livello da 5 kW, la perdita di conduzione rappresenta meno dello 0,6%, molto inferiore rispetto ai tradizionali diodi al silicio (0,7 V).
Controllo della corrente di dispersione inversa: i diodi integrati ideali (come LTC4412) possono sopprimere la corrente di dispersione inversa al di sotto di 1 μ A, evitando il degrado della capacità della batteria a causa della corrente di dispersione in modalità standby.
Soppressione della corrente di picco: collegando i termistori NTC in parallelo ai diodi, è possibile limitare la corrente di picco al momento dell'accensione, proteggendo il condensatore a valle. Ad esempio, una certa marca di sistemi di accumulo di energia impilati adotta uno schema composito di "diodo Schottky + termistore NTC". Nel test di connessione inversa, la corrente inversa è limitata entro 10 mA e il sistema non viene danneggiato.
Analisi della modalità di guasto:
In un caso di manutenzione di un controller per energia eolica, a causa della mancanza di protezione anti-inversione, l'utente ha collegato erroneamente l'alimentazione, provocando l'esplosione del condensatore di ingresso. Il successivo piano di miglioramento-adotta un circuito composito di "diodo Schottky+fusibile autoripristinante", che interrompe il diodo e fonde il fusibile quando invertito, isolando completamente il guasto e riducendo i costi di manutenzione dell'80%.

3, Controllo del percorso di recupero dell'energia: ottimizzazione della gestione della potenza dei resistori di frenatura
Quando la velocità del vento supera il valore nominale, la turbina eolica deve consumare l'energia in eccesso attraverso il controllo del passo o le resistenze di frenatura. Se il circuito della resistenza di frenatura non è progettato correttamente, la corrente inversa potrebbe fluire nel controller attraverso il diodo del corpo IGBT, provocando il surriscaldamento dei componenti. Il diodo può costruire un percorso di recupero energetico indipendente, garantendo che la corrente di frenatura venga rilasciata solo attraverso il resistore.

Applicazioni tipiche:

Diodo a ricircolo libero del circuito buck: nei circuiti buck CC/CC, i diodi a ricircolo libero (come 1N5819WS) forniscono un percorso di rilascio per l'accumulo induttivo di energia, evitando la generazione di forza elettromotrice di ritorno ad alta-tensione quando l'IGBT è spento. Secondo i dati di test effettivi, l'aumento della temperatura del resistore di frenatura utilizzando questo schema è diminuito da 120 gradi a 85 gradi e l'efficienza del sistema è aumentata del 3,2%.
Diodo antiriflusso del circuito boost: in un circuito boost, un diodo (come MBR20100CT) impedisce alla tensione di uscita di rifluire al terminale di ingresso, proteggendo i componenti lato bassa-tensione. Ad esempio, dopo che una determinata marca di inverter eolici da 5 kW adotta questo schema, la durata utile del resistore di frenatura viene estesa di tre volte e il ciclo di manutenzione viene esteso da 6 mesi a 18 mesi.
4, nuova applicazione del materiale: il diodo al carburo di silicio guida l'aggiornamento del sistema
Con la maturità dei diodi al carburo di silicio (SiC), le loro caratteristiche di recupero di carica inversa pari a zero (Qrr ≈ 0) e resistenza alle alte temperature (200 gradi) stanno accelerando la sostituzione dei diodi a base di silicio- nel campo dell'alimentazione eolica distribuita. Ad esempio, il diodo Schottky SiC C3D10060A di Cree riduce la perdita di conduzione del 75% rispetto ai diodi al silicio in condizioni di 100 A/600 V, con una perdita di recupero inverso che si avvicina allo zero.

Scenario applicativo:

Convertitore DC/DC ad alta frequenza: i diodi SiC possono aumentare la frequenza di commutazione fino a oltre 200kHz, riducendo significativamente le dimensioni di induttori e condensatori. Dopo aver adottato i diodi SiC nell'inverter eolico da 10 kW di una determinata marca, il volume è ridotto del 40%, il peso è ridotto del 30% e la densità di potenza è aumentata a 5 kW/kg.
Convertitore di frequenza a media tensione: nei convertitori di energia eolica da 10 kV, i diodi SiC possono ridurre il numero di cascate e ridurre la complessità del sistema. Siemens utilizza una topologia a ponte H-in cascata a cinque livelli con diodi SiC per ottenere un'uscita a 9 livelli, triplicare la frequenza di commutazione equivalente, ridurre la distorsione armonica al di sotto dell'1,5% e ridurre il volume del filtro del 40%.