چگونه دیودها از خروجی توربین های بادی و ژنراتورها در سرعت های پایین محافظت می کنند؟

一، چالش های اصلی و منطق حفاظت از دیود در شرایط سرعت باد کم
1. مشخصات فیزیکی و خطرات شرایط سرعت کم باد
توان خروجی یک توربین بادی با توان سوم سرعت باد نسبت مستقیم دارد. هنگامی که سرعت باد کمتر از سرعت باد است (معمولاً 3-5 متر بر ثانیه)، سرعت ژنراتور کافی نیست و ولتاژ خروجی ممکن است کمتر از ولتاژ باتری یا شبکه باشد که در نتیجه خطرات زیر را به همراه دارد:

جریان برگشتی: باتری یا شبکه برق به صورت معکوس از طریق سیم پیچ موتور برق را تامین می کند و باعث گرم شدن بیش از حد موتور و مغناطیس زدایی آهنربای دائمی می شود.
نوسانات ولتاژ: ولتاژ خروجی ناپایدار منجر به عملکرد غیرعادی مبدل ها یا اینورترهای DC/DC بعدی می شود.
سقوط راندمان: راندمان تولید برق در سرعت های کم باد به شدت کاهش می یابد و در صورت عدم وجود حفاظت، ممکن است سیستم به جای تولید برق به مصرف انرژی ادامه دهد.
2. مکانیسم حفاظتی دیودها
دیودها موانع جداسازی فیزیکی را از طریق رسانایی یک طرفه ایجاد می کنند:

هدایت رو به جلو: زمانی که ولتاژ خروجی ژنراتور از ولتاژ ترمینال بار بیشتر باشد، دیود هدایت می شود و جریان از ژنراتور به بار می رسد.
قطع معکوس: هنگامی که ولتاژ ژنراتور کمتر از ولتاژ ترمینال بار باشد، دیود به طور خودکار قطع می شود و مسیر جریان معکوس را مسدود می کند.
با در نظر گرفتن یک توربین بادی کوچک مستقل به عنوان مثال، مدار یکسو کننده پل کنترل نشده سه فاز آن از 6 دیود (مانند MUR60120، ولتاژ تحمل 1200 ولت، جریان 60 آمپر) استفاده می کند. هنگامی که سرعت باد کمتر از 3 متر بر ثانیه است، آرایه دیود می تواند به طور کامل منبع تغذیه معکوس از باتری به ژنراتور را با بازده حفاظتی بیش از 99.9٪ مسدود کند.

2، سناریوهای کاربردی معمولی و پیاده سازی فنی
1. سیستم تولید برق بادی در مقیاس کوچک- مستقل
در سناریوهای منبع تغذیه از راه دور، توربین های بادی کوچک (قدرت 1-10 کیلووات) اغلب از معماری "توربین بادی + باتری + بار" استفاده می کنند. طراحی محافظ آن شامل دو لایه دیود است:

لایه یکسوسازی: مدار یکسوکننده پل سه فاز، جریان متناوب را به جریان مستقیم تبدیل می‌کند و پارامترهای دیود باید مطابق با:
ولتاژ مقاومت معکوس بزرگتر یا مساوی 1.5 برابر ولتاژ پیک ژنراتور (به عنوان مثال. 100دیود V برای سیستم 24 ولت انتخاب شده است).
جریان متوسط ​​بیشتر یا مساوی 1.2 برابر جریان نامی ژنراتور است (اگر یک سیستم 5 آمپر از دیود 6 آمپر استفاده می کند).
لایه ضد جریان برگشتی: دیودهای شاتکی (مانند MBR1045CT، V_F{2}}V) را به صورت سری بین باتری و ترمینال خروجی یکسوساز وصل کنید تا تلفات هدایت را کاهش دهید و در عین حال از قابلیت اطمینان قطع معکوس اطمینان حاصل کنید.
مورد: در یک پروژه تامین برق روستایی در آفریقا، توربین بادی طراحی شده همانطور که در بالا توضیح داده شد همچنان می تواند با سرعت باد 2 متر بر ثانیه به طور پایدار خروجی داشته باشد. جریان معکوس باتری از 0.5 آمپر به 0 آمپر کاهش می یابد و عمر سیستم سه برابر افزایش می یابد.

2. توربین های بادی متصل به شبکه
در توربین‌های بادی متصل به شبکه سطح مگاوات، حفاظت دیود باید با مبدل‌های الکترونیکی قدرت ترکیب شود تا به موارد زیر دست یابد:

مبدل سمت ماشین: با استفاده از ماژول هیبریدی IGBT+دیود (مانند Infineon FF600R12ME4)، با زمان بازیابی معکوس دیود کمتر یا مساوی 100 ثانیه، برای جلوگیری از افزایش جریان معکوس تحت سوئیچینگ فرکانس بالا-.
مبدل سمت شبکه: دیودهای TVS (مانند 1.5KE33CA) را بین گذرگاه DC و سمت شبکه نصب کنید تا اضافه ولتاژ گذرا ناشی از برخورد صاعقه یا خطای شبکه را سرکوب کنید.
مدار تخلیه: زمانی که سرعت باد خیلی کم و ولتاژ باس DC خیلی زیاد است، شاخه تخلیه دیودها و مقاومت های موازی به طور خودکار وارد عمل شده و انرژی اضافی را به انرژی حرارتی برای مصرف تبدیل می کند.
داده ها: اندازه گیری های واقعی از یک مزرعه بادی دریایی مشخص نشان می دهد که پس از اتخاذ این طرح حفاظتی، میزان خرابی توربین های بادی در سرعت باد کم (4 متر بر ثانیه) از 12٪ به 2٪ کاهش یافته است و تولید برق سالانه 8٪ افزایش یافته است.

3، پارامترهای فنی کلیدی و اصول انتخاب
1. تطبیق پارامتر اصلی
افت ولتاژ مثبت (V_F): به طور مستقیم بر راندمان سیستم تأثیر می گذارد. V-F دیودهای مبتنی بر سیلیکون- حدود 0.6-0.8V است، در حالی که دیودهای شاتکی می توانند آن را به 0.2-0.4V کاهش دهند. در یک توربین بادی 100 کیلوواتی، استفاده از دیودهای شاتکی می تواند تلفات سالانه را تا 12000 کیلووات ساعت کاهش دهد.
زمان بازیابی معکوس (Trr): در سناریوهای{0}}سوئیچینگ فرکانس بالا، Trr باید کمتر یا مساوی 50 ثانیه باشد تا از تلفات سوئیچینگ جلوگیری شود. Trr دیودهای بازیابی سریع (مانند FR107) حدود 50 نانو ثانیه است، در حالی که دیودهای کاربید سیلیکون (SiC) را می توان به 10 ثانیه کاهش داد.
ظرفیت حمل جریان موجی (I2FSM): باید جریان بالای گذرا را در هنگام راه‌اندازی-یا خرابی توربین بادی پوشش دهد. به عنوان مثال، یک توربین بادی 2 مگاواتی باید دیودی با I2FSM بزرگتر یا مساوی 300 آمپر انتخاب کند تا بتواند با تأثیرات اتصال کوتاه شبکه برق مقابله کند.
2. استراتژی بهینه سازی انتخاب
جبران دما: در محیط‌های با دمای بالا (مانند مناطق بیابانی)، دمای محل اتصال دیودها ممکن است از 150 درجه تجاوز کند و مدل‌های مقاوم در برابر دمای بالا (مانند دستگاه‌های دارای گواهی AEC-Q101) باید انتخاب شوند.
طراحی اضافی: با اتخاذ استراتژی N{0}} پشتیبان، سیستم همچنان می‌تواند بیش از ۸۰ درصد ظرفیت خروجی را در صورت خرابی یک دیود حفظ کند.
روند یکپارچه سازی: ماژول های یکپارچه (مانند IPM) با استفاده از دیودها و MOSFET/IGBT برای کاهش اندوکتانس انگلی و بهبود قابلیت اطمینان سیستم به کار گرفته شده اند.