Kako z diodami doseči enosmerni prenos energije v mikroomrežjih?

1, Fizikalne osnove enosmerne prevodnosti diod
Struktura jedra diode je spoj PN, ki ga tvori kombinacija polprevodnika tipa P- (z visoko koncentracijo lukenj) in polprevodnika tipa N- (z visoko koncentracijo elektronov). Na vmesniku PN spoja elektroni difundirajo iz območja N v območje P, luknje pa iz področja P v območje N, zaradi česar je območje P v bližini spoja negativno nabito, območje N pa pozitivno nabito v bližini spoja, kar tvori notranje električno polje (območje prostorskega naboja). To električno polje ima dve ključni značilnosti:

Pozitivna prevodnost: Ko je območje P povezano s pozitivnim polom napajalnika in območje N z negativnim polom, zunanje električno polje oslabi vgrajeno -električno polje, območje prostorskega naboja se zoži in večina nosilcev (elektronov in lukenj) lahko prečka območje spoja in tvori tok, kar ima za posledico stanje nizkega upora diode.
Reverzna prekinitev: Ko je območje P povezano z negativno elektrodo in območje N povezano s pozitivno elektrodo, zunanje električno polje poveča vgrajeno-električno polje, območje prostorskega naboja se razširi, večina nosilcev naboja je blokiranih in le nekaj nosilcev naboja tvori majhen povratni tok (uhajajoči tok), kar ima za posledico stanje visoke upornosti diode.
Zaradi te lastnosti so diode idealna komponenta za doseganje enosmernega pretoka energije. Če za primer vzamemo silicijeve diode, je njihov padec napetosti prevoda naprej približno 0,6–0,7 V, njihova povratna prebojna napetost pa lahko doseže nekaj sto voltov, kar lahko izpolni zahteve po izolaciji nizkonapetostnega enosmernega toka (kot je 48 V) do srednjenapetostnega enosmernega toka (kot je 400 V) v mikroomrežjih.

2, Osnovna zahteva za enosmerni prenos energije v mikroomrežjih
Energijski tok mikroomrežij ima značilnosti več-virnega, dvosmernega in dinamičnega, njegovo upravljanje z energijo pa mora obravnavati tri bistvena vprašanja:

Izolacija med viri energije: preprečiti, da bi različni viri energije (kot so fotovoltaika, hranilniki energije, dizelski generatorji) vplivali drug na drugega zaradi nihanj napetosti ali napak.
Nadzor povratne informacije o energiji: Preprečiti povratni tok energije v šibko omrežje in povzročiti dvig napetosti med zaviranjem motorja ali prekomerno proizvodnjo fotovoltaike.
Hitra izolacija napake: Ko napajalnik ali obremenitev doživita kratek stik, se pot napake prekine, da se prepreči širjenje napake.
Tradicionalne rešitve temeljijo na kontaktorjih ali odklopnikih, vendar imajo težave s počasnimi odzivnimi časi (v milisekundah), mehansko obrabo in drugimi težavami. Dioda je s svojo nanosekundno hitrostjo odziva in brez mehanskih kontaktnih karakteristik postala ključna komponenta za doseganje hitre in zanesljive energetske izolacije.

3, Tipični scenariji uporabe diod v mikromrežah
(1) Enosmerni prenos energije enosmernega vodila
V enosmernih mikroomrežjih se diode običajno uporabljajo za izdelavo enosmernih prevodnih povezav, ki omogočajo nadzor pretoka energije med zbiralkami različnih napetostnih nivojev. Na primer:

Fotovoltaični sistem za shranjevanje energije: fotovoltaični niz napaja vodilo 48 V DC prek diod, baterija za shranjevanje energije pa je na isto vodilo povezana prek pretvornika DC/DC. Ko fotonapetostna izhodna moč preseže povpraševanje po obremenitvi, dioda prepreči povratni tok energije v fotonapetostno ploščo, s čimer prepreči poškodbe plošče zaradi obratnega segrevanja; Medtem pa sistem za shranjevanje energije absorbira odvečno energijo prek dvosmernih DC/DC pretvornikov.
Vzporedna povezava več virov energije: V komplementarnem mikroomrežju za shranjevanje vetrne in sončne energije so različni viri energije povezani vzporedno z vodilom DC prek diod. Ko se napajalnik izklopi zaradi napake, dioda samodejno prekine svojo povezavo z vodilom, da prepreči, da bi napetost napake vplivala na druge vire napajanja.
(2) Zatiranje energijskih povratnih informacij na komunikacijski strani
V komunikacijskem mikromrežju lahko kombinacija diod s tiristorji ali IGBT konstruira vezja za dušenje povratne energije. Na primer:

Sistem motornega pogona: Ko je motor v stanju zaviranja, se regenerirana energija vrne nazaj v vodilo DC preko reverzno vzporednih diod. Če je napetost vodila previsoka, se dioda zaporedno poveže z zavornim uporom, da pretvori presežek energije v porabo toplotne energije in prepreči prenapetost vodila DC.
Omrežna povezava porazdeljene proizvodnje: na izhodnem koncu pretvornika lahko diode preprečijo povratni tok energije v pretvornik v primeru napak v omrežju (kot so napetostni sunki), s čimer ščitijo napajalne naprave pred poškodbami zaradi prevelikega toka.
(3) Hitra izolacija in zaščita napak
Diode imajo edinstvene prednosti pri zaščiti pred napakami mikromrež. Na primer:

Zaščita kratkega-tokokroga enosmernega toka: Če v mikroomrežju enosmernega toka pride do kratkega stika v veji, bo tok kratkega{1}}stika skozi diodo oblikoval vezje z nizko impedanco. V tem času lahko hitra varovalka ali odklopnik zazna pretokovni signal in prekine okvarjeno vejo, medtem ko lahko dioda prepreči tok kratkega-vezja, da teče nazaj v druge zdrave veje.
Izolacija napake pri ozemljitvi: V sistemih za ozemljitev IT se diode lahko uporabljajo za izgradnjo tokokrogov za nadzor izolacije. Ko v določeni fazi pride do ozemljitvene napake, dioda prevaja, da tvori majhen tok, nadzorna naprava pa locira točko napake tako, da zazna ta tok. Istočasno dioda omejuje amplitudo toka napake, da prepreči poškodbe opreme.
4, Ključne tehnične točke v inženirski praksi
(1) Izbira diode in ujemanje parametrov
V aplikacijah z mikromrežami je treba pri izbiri diod upoštevati naslednje parametre:

Nazivna napetost: Biti mora večja od največje delovne napetosti sistema in pustiti rezervo 20% -50%. Na primer, v vodilu 400 V DC je treba izbrati diode z vzdržljivo napetostjo 600 V ali več.
Nazivni tok: Izbrati ga je treba glede na največji obremenitveni tok in preobremenitveno zmogljivost. Na primer, v fotovoltaičnem sistemu mora biti nazivni tok diode večji od kratko{1}}toka fotovoltaičnega niza.
Čas povratne obnovitve: V aplikacijah z visoko-preklopom (kot je modulacija PWM) so diode za hitro obnovitev s kratkim časom povratne obnovitve (<50ns) should be selected to reduce switching losses.
Toplotna upornost in odvajanje toplote: temperaturo spoja diode je treba nadzorovati pod 150 stopinj, ustrezno metodo odvajanja toplote (kot je naravno hlajenje, zračno hlajenje ali tekočinsko hlajenje) pa je treba izbrati glede na porabo energije.
(2) Optimizacija topologije sistema
Topološko strukturo diod v mikroomrežjih je treba oblikovati v skladu s posebnimi zahtevami. Na primer:

Serijska dioda: uporablja se za izboljšanje nivoja vzdržljive napetosti, vendar je treba posvetiti pozornost izenačitvi napetosti, da preprečite prenapetostni razpad diode zaradi neenakomerne porazdelitve napetosti.
Vzporedna dioda: uporablja se za izboljšanje tokovne nosilnosti, vendar je treba posvetiti pozornost delitvi toka, da preprečite pregrevanje in poškodbe diode zaradi neenakomerne porazdelitve toka.
Diodna hibridna topologija MOSFET/IGBT: V scenarijih, kjer je potreben dvosmerni pretok energije, je mogoče uporabiti hibridno topologijo diode in MOSFET/IGBT. Na primer, v dvosmernih pretvornikih DC/DC se diode uporabljajo za enosmerno prevajanje, MOSFET-ji pa za obratno prevajanje, s čimer se doseže dvosmerni nadzor pretoka energije.
(3) Strategija sodelovalnega nadzora
Upravljanje z energijo diod v mikroomrežjih je treba uskladiti s strategijami nadzora. Na primer:

Algoritem upravljanja z energijo, ki temelji na diodah: s spremljanjem napetosti enosmernega vodila in izhodne moči različnih virov energije, dinamično prilagajanje stanja prevodnosti diod za doseganje optimalne porazdelitve energije.
Strategija zaščite pred napakami: Načrtujte hitro in zanesljivo algoritme za odkrivanje napak in izolacijo na podlagi prevodnih karakteristik diod. Na primer, ko je v določeni veji zaznan nenormalen tok, se dioda te veje takoj prekine, da se prepreči širjenje napake.
5, Študija primera: Uporaba diod v otočnih mikromrežah
Projekt mikroomrežja na določenem otoku sprejme arhitekturo vodila DC, ki vključuje fotovoltaiko, shranjevanje energije, dizelske generatorje in obremenitve. Načrt upravljanja z energijo je naslednji:

Fotovoltaični sistem: fotovoltaični niz napaja vodilo 48 V DC preko diod, ki preprečujejo povratni tok energije v fotovoltaični panel ponoči ali med okvarami.
Sistem za shranjevanje energije: Litijeve baterije so povezane z vodilom prek dvosmernega pretvornika DC/DC, da se doseže nadzor polnjenja in praznjenja energije.
Dizelski generator: Kot rezervni vir napajanja je povezan z zbiralko prek diod, da prepreči povratni tok energije iz zbiralke, ko je generator izklopljen.
Upravljanje obremenitve: obremenitve DC so neposredno povezane z vodilom, medtem ko so obremenitve AC povezane prek pretvornika. Izhodni priključek pretvornika je opremljen z diodami, ki preprečujejo povratni tok energije v pretvornik v primeru napak v omrežju.
Ta shema doseže varno izolacijo in enosmerni pretok energije med fotonapetostnimi generatorji, generatorji za shranjevanje energije in dizelskimi generatorji prek diod, izboljša učinkovitost sistema na 92 ​​% in skrajša odzivni čas napake na 10 μs.