Quin és el paper dels díodes en la protecció-de posada en marxa dels aerogeneradors?

一, reptes bàsics i lògica de protecció de díodes en condicions de baixa velocitat del vent
1. Característiques físiques i riscos de condicions de baixa velocitat del vent
La potència de sortida d'un aerogenerador és directament proporcional a la tercera potència de la velocitat del vent. Quan la velocitat del vent és inferior a la velocitat del vent retallada (generalment 3-5 m/s), la velocitat del generador és insuficient i la tensió de sortida pot ser inferior a la tensió de la bateria o de la xarxa, la qual cosa comporta els riscos següents:

Flux de corrent: la bateria o la xarxa elèctrica subministra energia a la inversa a través del bobinatge del motor, provocant que el motor es sobreescalfi i que l'imant permanent es desimanti;
Fluctuació de tensió: la tensió de sortida inestable provoca un funcionament anormal dels posteriors convertidors o inversors DC/DC;
Col·lapse de l'eficiència: l'eficiència de generació d'energia disminueix bruscament a velocitats de vent baixes i, si no hi ha protecció, el sistema pot continuar consumint energia en lloc de generar electricitat.
2. Mecanisme de protecció dels díodes
Els díodes construeixen barreres d'aïllament físic mitjançant conductivitat unidireccional:

Conducció directa: quan la tensió de sortida del generador és superior a la tensió al terminal de càrrega, el díode condueix i el corrent flueix des del generador a la càrrega;
Tall invers: quan la tensió del generador és inferior a la tensió del terminal de càrrega, el díode es talla automàticament, bloquejant el camí del corrent invers.
Prenent com a exemple una petita turbina eòlica independent, el seu circuit rectificador de pont trifàsic no controlat utilitza 6 díodes (com ara MUR60120, tensió suportada 1200 V, corrent 60 A). Quan la velocitat del vent és inferior a 3 m/s, la matriu de díodes pot bloquejar completament la font d'alimentació inversa de la bateria al generador, amb una eficiència de protecció superior al 99,9%.

2, Escenaris d'aplicació típics i implementació tècnica
1. Sistema independent de generació d'energia eòlica-a petita escala
En escenaris de subministrament d'energia remot, els aerogeneradors petits (potència 1-10kW) solen adoptar una arquitectura "aerogenerador + bateria + càrrega". El seu disseny protector inclou dues capes de díodes:

Capa de rectificació: el circuit rectificador de pont trifàsic-converteix el corrent altern en corrent continu i els paràmetres del díode han de complir:
Tensió de resistència inversa Major o igual a 1,5 vegades la tensió màxima del generador (per exemple, el díode . 100V es selecciona per al sistema de 24 V);
El corrent mitjà és superior o igual a 1,2 vegades el corrent nominal del generador (si un sistema de 5 A utilitza un díode de 6 A).
Capa antiretorn: connecteu els díodes Schottky (com MBR1045CT, V_F=0.4V) en sèrie entre la bateria i el terminal de sortida del rectificador per reduir les pèrdues de conducció alhora que garanteix la fiabilitat del tall invers.
Cas: en un projecte de subministrament d'energia rural a l'Àfrica, l'aerogenerador dissenyat com es descriu anteriorment encara pot sortir de manera estable a una velocitat del vent de 2 m/s. El corrent invers de la bateria es redueix de 0,5 A a 0 A i la vida del sistema s'allarga tres vegades.

2. Aerogeneradors connectats a la xarxa
A les turbines eòliques connectades a la xarxa a nivell de MW, la protecció de díodes s'ha de combinar amb convertidors electrònics de potència per aconseguir:

Convertidor lateral de la màquina: utilitzant un mòdul híbrid IGBT+díode (com Infineon FF600R12ME4), amb un temps de recuperació inversa del díode Menor o igual a 100 ns, per evitar sobretensions de corrent inversa en commutació d'alta -freqüència;
Convertidor del costat de la xarxa: instal·leu díodes TVS (com ara 1.5KE33CA) entre el bus de CC i el costat de la xarxa per suprimir la sobretensió transitòria causada per llamps o fallades de la xarxa;
Circuit de descàrrega: quan la velocitat del vent és massa baixa i la tensió del bus de CC massa alta, la branca de descàrrega de díodes i resistències paral·leles es posa en funcionament automàticament, convertint l'excés d'energia en energia tèrmica per al consum.
Dades: les mesures reals d'un determinat parc eòlic marí mostren que després d'adoptar aquest esquema de protecció, la taxa de fallada dels aerogeneradors a baixa velocitat del vent (4 m/s) ha disminuït del 12% al 2% i la generació d'energia anual ha augmentat un 8%.

3, Paràmetres tècnics clau i principis de selecció
1. Coincidència de paràmetres bàsics
Caiguda de tensió positiva (V_F): afecta directament l'eficiència del sistema. El V-F dels díodes-de silici és d'aproximadament 0,6-0,8 V, mentre que els díodes Schottky poden reduir-lo a 0,2-0,4 V. En un aerogenerador de 100 kW, l'ús de díodes Schottky pot reduir les pèrdues anuals en 12.000 kWh.
Temps de recuperació inversa (Trr): en escenaris de commutació d'-alta freqüència, Trr hauria de ser inferior o igual a 50 ns per evitar pèrdues de commutació. El Trr dels díodes de recuperació ràpida (com FR107) és d'uns 50 ns, mentre que el dels díodes de carbur de silici (SiC) es pot reduir a 10 ns.
Capacitat de càrrega de corrent de sobretensió (I2FSM): ha de cobrir l'alta corrent transitòria durant l'arrencada-o la fallada de l'aerogenerador. Per exemple, un aerogenerador de 2 MW ha de triar un díode amb un I2FSM superior o igual a 300 A per fer front a l'impacte dels curtcircuits de la xarxa elèctrica.
2. Estratègia d'optimització de la selecció
Compensació de temperatura: en entorns d'alta-temperatura (com ara zones desèrtiques), la temperatura d'unió dels díodes pot superar els 150 graus i s'han de seleccionar models resistents a altes-temperatura (com ara dispositius certificats AEC-Q101);
Disseny redundant: adoptant l'estratègia de còpia de seguretat N+1, el sistema encara pot mantenir més del 80% de la capacitat de sortida quan falla un únic díode;
Tendència d'integració: s'adopten mòduls integrats (com ara IPM) que utilitzen díodes i MOSFET/IGBT per reduir la inductància parasitària i millorar la fiabilitat del sistema.