Kaip diodai izoliuoja vietines grandines elektros tinklo gedimų metu?

一, fizinis diodo gedimo izoliavimo mechanizmas
Diodo PN jungties struktūra suteikia jam natūralią srovės blokavimo galimybę. Kai elektros tinkle įvyksta trumpojo jungimo gedimas, įtampa gedimo taške smarkiai nukrenta ir susidaro atvirkštinio poslinkio elektrinis laukas. Šiuo metu diodas pereina į išjungimo būseną, o atvirkštinė varža gali pasiekti megaomų lygį. Atsižvelgiant į fotovoltinio tinklo prijungtą sistemą, kai nuolatinės srovės pusėje įvyksta trumpasis jungimas su poliais, Šotkio diodas (pvz., SB560, su 0,5 V įtampos kritimu), prijungtas lygiagrečiai prie abiejų fotovoltinio modulio galų, gali atlaikyti atvirkštinę įtampą, viršijančią 1000 V, o visiškas srovės blokavimas yra 3 μs. nei tradicinės estafetės.

Ryšių sistemose diodų izoliavimo charakteristikos yra glaudžiai susijusios su gedimo tipu. Kai įvyksta vienos-fazės įžeminimo gedimas, ne gedimo fazės įtampa pakyla iki linijos įtampos lygio. Šiuo metu greito atkūrimo diodas (pvz., FR307, atvirkštinis atkūrimo laikas 100 n), prijungtas lygiagrečiai prie abiejų perjungimo įrenginio galų, gali veiksmingai užkirsti kelią kondensatoriaus perkrovimui. Tennet ± 500kV nuolatinės srovės perdavimo projekto Vokietijoje duomenimis, priėmus šią schemą submodulio kondensatoriaus įtampos svyravimų diapazonas sumažėjo nuo ± 15% iki ± 3%, o sistemos efektyvumas pagerėjo 1,2 procentinio punkto.

2, tipinių gedimų scenarijų išskyrimas
1. Nuolatinės srovės paskirstymo sistemos gedimų zonavimas
Diodų pagrindu veikiančioje nuolatinės srovės paskirstymo sistemoje, kai linijoje įvyksta nuolatinis dviejų polių trumpasis jungimas, pradinė sugedusios linijos srovė greitai pakyla iki 8,3 kA, o gnybtų srovė sumažėja iki 0 per 1 ms dėl diodo atvirkštinės išjungimo charakteristikos. Li Bin komandos Tiandzino universitete atliktas tyrimas rodo, kad ši schema gali apriboti gedimų tarp dviejų keitiklių stočių poveikio diapazoną, sumažindama jį 60%, palyginti su tradicinėmis schemomis, ir sutrumpinant įtampos kritimo laiką nuo 200 ms iki 20 ms, o tai žymiai pagerina maitinimo patikimumą.

Konkrečiame įgyvendinime kiekviename nuolatinės srovės magistralės segmente yra sumontuotas anti-lygiagretus diodų modulis. Kai gedimo srovė viršija slenkstį, greito perjungimo įtaisas per 100 μs nutraukia gedimo kelią, o diodas automatiškai sudaro izoliacinę barjerą. Pritaikius šią technologiją, „Huawei SUN2000-125KTL“ fotovoltinis keitiklis padidino savo energijos gamybą 9,3 %, kai scenarijus iš dalies užblokuotas, o Europos efektyvumas siekė 98,8 %.

2. Modulinė daugiapakopė keitiklio apsauga
MMC submodulyje diodai ir IGBT sudaro dvikryptę blokavimo struktūrą. Kai submodulio kondensatoriaus įtampos disbalansas viršija 10%, nuosekliai prijungtas silicio karbido diodas (pvz., C3D06060A) patiria tiesioginės įtampos kritimą 1,3 V@10A. Gali užkirsti kelią kondensatoriaus perkrovimui. Pritaikius šią schemą, Siemens SICAM AIS tinklo stabilizatorius sumažino submodulių perjungimo nuostolius 40% ir sutrumpino sistemos atsako laiką nuo 10 ms iki 3 ms.

Inžinerinėje praktikoje reikia atsižvelgti į atvirkštines diodų atkūrimo charakteristikas. Greito atkūrimo diodų naudojimas (pvz., FR307) gali sumažinti IGBT perjungimo nuostolius 35%, palyginti su įprastais lygintuvais. ABB „Power Grid“ serijos išmanieji izoliaciniai diodai stebi sankryžos temperatūrą, srovę ir kitus parametrus realiu laiku naudodami įmontuotus -jutiklius, įspėdami apie galimus gedimus 0,5 ms iš anksto ir padidindami vidutinį laiką tarp sistemos gedimų iki 200 000 valandų.

3. Perteklinis paskirstytų maitinimo šaltinių projektavimas
Styginiuose fotovoltiniuose keitikliuose keli MPPT kanalai užtikrina galios dubliavimą per diodus arba vartų grandines. Kai tam tikro kanalo išvesties galia sumažėja dėl šešėlio obstrukcijos, Schottky diodas (pvz., MBR2045CT, kurio tiesioginis įtampos kritimas yra 0,32 V) automatiškai persijungia į sveiką kanalą. Bandymai parodė, kad ši schema gali padidinti fotovoltinių matricų energijos gamybą 8–12%, ypač iš dalies užblokuotuose scenarijuose, kai pranašumai yra reikšmingi.

„Tesla Megapack“ energijos kaupimo sistema naudoja integruotą izoliavimo schemą, o idealus MOSFET pagrindu sukurtas diodų valdiklis (pvz., LM5050) pasiekia nulinį atvirkštinio atkūrimo laiką. Ši schema sumažina izoliacijos nuostolius tarp baterijų grupių nuo 2,5 W iki 0,3 W, pagerina sistemos ciklo efektyvumą 0,2 procentinio punkto ir sumažina laidumo įtampos kritimą 0,05 V 90%, palyginti su tradiciniais diodais.

3, Inžinerinio optimizavimo ir veiklos gerinimo strategijos
1. Mažų nuostolių komponentų parinkimas
Tradicinių silicio diodų laidumo praradimas tapo kliūtimi naudojant aukšto dažnio{0}}diodus. Silicio karbido Schottky diodų naudojimas gali sumažinti laidumo nuostolius 60%. 100 kW fotovoltiniame inverteryje ši schema sumažina diodų nuostolius nuo 120 W iki 48 W ir 0,05 procentinio punkto pagerina sistemos efektyvumą. EPC bendrovės išleistas EPC2054 GaN diodas turi tik 0,2 V įtampos kritimą, esant 10 A srovei, o tai yra 85% mažesnė nei SiC įrenginių.

2. Šiluminio valdymo optimizavimas
Didelės{0}}galios programose diodų sankryžos temperatūros valdymas yra labai svarbus. Sudėtinė šilumos išsklaidymo schema, naudojant šilumą laidus silikono tepalą (šiluminė varža 0,5 laipsnio /W) ir aliuminio pagrindą (šiluminė varža 1 laipsnis /W), gali sumažinti jungties temperatūrą nuo 125 laipsnių iki 85 laipsnių, esant 100 A srovei, pratęsiant įrenginio tarnavimo laiką daugiau nei tris kartus. „Huawei“ inverteriai naudoja aušinimo skysčiu technologiją, kad kontroliuotų diodų jungties temperatūrą 105 laipsnių ribose ir padidintų galios tankį iki 1,2 kW/kg.

3. Elektromagnetinio suderinamumo dizainas
Diodų jungiklių generuojamas di/dt triukšmas turi būti slopinamas RC buferio grandine. 10 kW keitiklio buferinė grandinė, naudojanti 0,1 μF plėvelės kondensatorius ir 10 Ω rezistorius, gali sumažinti įtampos viršijimą nuo 50 V iki 5 V, atitinkanti IEC 61000-4-5 elektromagnetinio suderinamumo standartą. Siemens SIRIUS serijos išmanusis izoliacinis diodas per integruotą RC tinklą slopina jungiklio triukšmą iki 20 dB.

4, Frontier technologijų tendencijos
1. Plataus dažnio juostos puslaidininkių taikymas
Gallium nitride diodes, with their ultra-low on resistance (0.1m Ω· cm ²) and high-frequency characteristics (fT>1 GHz), palaipsniui pakeičia silicio įrenginius aukščiausios klasės- srityse, pvz., 5G bazinių stočių maitinimo šaltiniuose ir aviacijos ir kosmoso maitinimo šaltiniuose. EPC bendrovės išleistas EPC2054 GaN diodas turi tik 0,2 V įtampos kritimą, esant 10 A srovei, o tai yra 85% mažesnė nei SiC įrenginių.

2. Išmaniosios izoliacijos technologijos integravimas
Išmanusis diodų modulis kartu su skaitmeninio valdymo technologija gali pasiekti dinamišką įtampos kritimo kompensavimą ir gedimų numatymą. ABB kompanijos išleisti išmanieji „Power Grid“ serijos izoliaciniai diodai realiu laiku stebi sankryžos temperatūrą, srovę ir kitus parametrus per įmontuotus -daviklius ir įspėja apie galimus gedimus prieš 0,5 ms, padidindami vidutinį sistemos laiką be gedimų iki 200 000 valandų.

5, pramonės taikymo atvejai
1. Tennet DC perdavimo projektas Vokietijoje
± 500kV nuolatinės srovės perdavimo projekte MMC submodulis, naudojant silicio karbido diodų modulius, sumažina submodulio kondensatoriaus įtampos svyravimo diapazoną nuo ± 15% iki ± 3%, o sistemos efektyvumą pagerina 1,2 procentinio punkto. Metinis šio projekto perdavimo pajėgumas siekia 12 milijardų kilovatvalandžių, o tai prilygsta standartinės anglies suvartojimo sumažinimui 3,6 mln. tonų.

2. Tesla Megapack energijos kaupimo sistema
Baterijų klasterio izoliavimo schema, pagrįsta GaN diodais, pagerina sistemos ciklo efektyvumą 0,2 procentinio punkto, tuo pačiu sumažindama laidumo įtampos kritimą 90%, palyginti su tradiciniais 0,05 V diodais. Sistema visame pasaulyje buvo įdiegta daugiau nei 10 GWh, o tai palaiko atsinaujinančios energijos vartojimą.