چگونه از دیودها برای رسیدن به انتقال انرژی یک طرفه در ریزشبکه ها استفاده کنیم؟

1، اساس فیزیکی هدایت یک طرفه دیودها
ساختار هسته یک دیود یک اتصال PN است که از ترکیب یک نیمه هادی نوع P{0} (با غلظت سوراخ بالا) و یک نیمه هادی نوع N- (با غلظت الکترون بالا) تشکیل می شود. در فصل مشترک اتصال PN، الکترون ها از ناحیه N به ناحیه P و حفره ها از ناحیه P به ناحیه N منتشر می شوند و باعث می شوند که ناحیه P در نزدیکی اتصال بار منفی داشته باشد و ناحیه N در نزدیکی اتصال بار مثبت داشته باشد و یک میدان الکتریکی داخلی (منطقه بار فضایی) تشکیل شود. این میدان الکتریکی دو ویژگی کلیدی دارد:

رسانایی مثبت: وقتی ناحیه P به قطب مثبت منبع تغذیه و منطقه N به قطب منفی متصل می شود، میدان الکتریکی خارجی در میدان الکتریکی ساخته شده ضعیف می شود، ناحیه بار فضا باریک می شود و اکثر حامل ها (الکترون ها و سوراخ ها) می توانند از ناحیه اتصال عبور کنند تا جریان ایجاد کنند و در نتیجه حالت مقاومت پایین دیود ایجاد شود.
قطع معکوس: وقتی ناحیه P به الکترود منفی و ناحیه N به الکترود مثبت وصل می‌شود، میدان الکتریکی خارجی میدان الکتریکی ساخته شده را تقویت می‌کند، ناحیه بار فضایی گسترده می‌شود، اکثر حامل‌های بار مسدود می‌شوند و تنها چند حامل بار جریان معکوس کوچکی (جریان نشتی) تشکیل می‌دهند که در نتیجه حالت مقاومت بالایی دیود ایجاد می‌شود.
این ویژگی دیودها را به یک جزء ایده آل برای دستیابی به جریان انرژی یک طرفه تبدیل می کند. با در نظر گرفتن دیودهای سیلیکونی به عنوان مثال، افت ولتاژ هدایت رو به جلو آنها حدود 0.6-0.7 ولت است و ولتاژ شکست معکوس آنها می تواند به چند صد ولت برسد که می تواند الزامات جداسازی ولتاژ DC پایین (مانند 48 ولت) تا ولتاژ متوسط ​​DC (مانند 400 ولت) را برآورده کند.

2، نیاز اصلی برای انتقال انرژی یک طرفه در ریزشبکه ها
جریان انرژی ریزشبکه‌ها دارای ویژگی‌های چند منبع، دو طرفه و پویا است و مدیریت انرژی آن باید به سه موضوع اصلی رسیدگی کند:

جداسازی بین منابع برق: برای جلوگیری از تأثیرگذاری منابع مختلف برق (مانند فتوولتائیک، ذخیره انرژی، ژنراتورهای دیزل) به دلیل نوسانات یا خطاهای ولتاژ.
کنترل بازخورد انرژی: برای جلوگیری از برگشت انرژی به شبکه ضعیف و افزایش ولتاژ در هنگام ترمز موتور یا فتوولتائیک در طول تولید.
جداسازی سریع خطا: هنگامی که منبع تغذیه یا بار با اتصال کوتاه مواجه می شود، مسیر خطا برای جلوگیری از گسترش خطا قطع می شود.
راه حل های سنتی به کنتاکتورها یا قطع کننده های مدار متکی هستند، اما از زمان پاسخ آهسته (در میلی ثانیه)، سایش مکانیکی و سایر مشکلات رنج می برند. دیود با سرعت پاسخ نانوثانیه و بدون ویژگی تماس مکانیکی، به یک جزء کلیدی برای دستیابی به انزوا سریع و مطمئن انرژی تبدیل شده است.

3، سناریوهای کاربردی معمولی دیودها در ریزشبکه ها
(1) انتقال یک طرفه انرژی باس DC
در ریزشبکه های DC، معمولاً از دیودها برای ایجاد پیوندهای رسانای یک جهته استفاده می شود که امکان کنترل جریان انرژی بین شین های با سطوح ولتاژ مختلف را فراهم می کند. به عنوان مثال:

سیستم ذخیره انرژی فتوولتائیک: آرایه فتوولتائیک برق باس 48 ولت DC را از طریق دیود تامین می کند و باتری ذخیره انرژی از طریق مبدل DC/DC به همان باس متصل می شود. هنگامی که توان خروجی فتوولتائیک از تقاضای بار بیشتر می شود، دیود از برگشت انرژی به پنل فتوولتائیک جلوگیری می کند و از آسیب دیدن پانل به دلیل گرمایش بایاس معکوس جلوگیری می کند. در همین حال، سیستم ذخیره انرژی، انرژی اضافی را از طریق مبدل های DC/DC دو طرفه جذب می کند.
اتصال موازی چندین منبع برق: در یک ریزشبکه مکمل ذخیره انرژی خورشیدی بادی، منابع انرژی مختلف به صورت موازی از طریق دیودها به باس DC متصل می شوند. هنگامی که منبع تغذیه به دلیل یک خطا خاموش می شود، دیود به طور خودکار اتصال خود را به باس قطع می کند تا از تاثیر ولتاژ خطا بر سایر منابع برق جلوگیری کند.
(2) سرکوب بازخورد انرژی در سمت ارتباط
در ریزشبکه ارتباطی، ترکیب دیودها با تریستورها یا IGBT ها می تواند مدارهای سرکوب بازخورد انرژی را بسازد. به عنوان مثال:

سیستم محرک موتور: هنگامی که موتور در حالت ترمز قرار دارد، انرژی بازسازی شده از طریق دیودهای موازی معکوس به باس DC بازگردانده می شود. اگر ولتاژ باس خیلی زیاد باشد، دیود به صورت سری به مقاومت ترمز متصل می شود تا انرژی اضافی را به انرژی حرارتی تبدیل کند و از اضافه ولتاژ شین DC جلوگیری کند.
اتصال شبکه تولید پراکنده: در انتهای خروجی اینورتر، دیودها می توانند از برگشت انرژی به اینورتر در صورت بروز خطاهای شبکه (مانند نوسانات ولتاژ) جلوگیری کنند و از دستگاه های برق در برابر آسیب جریان اضافی محافظت کنند.
(3) جداسازی و حفاظت سریع خطا
دیودها مزایای منحصر به فردی در حفاظت از خطای ریزشبکه دارند. به عنوان مثال:

حفاظت از اتصال کوتاه-DC: در ریزشبکه DC، اگر یک اتصال کوتاه در یک انشعاب رخ دهد، جریان اتصال کوتاه، یک مدار امپدانس کم از طریق یک دیود ایجاد می‌کند. در این زمان، فیوز سریع یا قطع کننده مدار می تواند سیگنال اضافه جریان را تشخیص دهد و شاخه معیوب را قطع کند، در حالی که دیود می تواند از بازگشت جریان مدار کوتاه-به سایر شاخه های سالم جلوگیری کند.
جداسازی خطای زمین: در سیستم های اتصال زمین فناوری اطلاعات، می توان از دیودها برای ساخت مدارهای نظارت بر عایق استفاده کرد. هنگامی که یک خطای زمین در یک فاز خاص رخ می دهد، دیود جریان کوچکی ایجاد می کند و دستگاه نظارت با تشخیص این جریان، نقطه خطا را تعیین می کند. در عین حال، دیود دامنه جریان خطا را برای جلوگیری از آسیب تجهیزات محدود می کند.
4، نکات فنی کلیدی در عمل مهندسی
(1) انتخاب دیود و تطبیق پارامتر
در کاربردهای ریزشبکه، انتخاب دیودها باید پارامترهای زیر را در نظر بگیرد:

ولتاژ نامی: باید بیشتر از حداکثر ولتاژ عملیاتی سیستم باشد و حاشیه 20% -50% باقی بگذارد. به عنوان مثال، در یک باس 400 ولت DC، دیودهایی با ولتاژ تحمل 600 ولت یا بالاتر باید انتخاب شوند.
جریان نامی: باید بر اساس حداکثر جریان بار و ظرفیت اضافه بار انتخاب شود. به عنوان مثال، در یک سیستم فتوولتائیک، جریان نامی دیود باید بیشتر از جریان مدار کوتاه آرایه فتوولتائیک باشد.
زمان بازیابی معکوس: در برنامه‌های{0}}سوئیچینگ فرکانس بالا (مانند مدولاسیون PWM)، دیودهای بازیابی سریع با زمان بازیابی معکوس کوتاه (<50ns) should be selected to reduce switching losses.
مقاومت حرارتی و اتلاف گرما: دمای محل اتصال دیود باید زیر 150 درجه کنترل شود و روش اتلاف حرارت مناسب (مانند خنک کننده طبیعی، خنک کننده هوا یا خنک کننده مایع) باید با توجه به مصرف برق انتخاب شود.
(2) بهینه سازی توپولوژی سیستم
ساختار توپولوژی دیودها در ریزشبکه ها باید مطابق با الزامات خاص طراحی شود. به عنوان مثال:

دیود سری: برای بهبود سطح ولتاژ مقاومت استفاده می شود، اما باید به یکسان سازی ولتاژ توجه شود تا از خرابی بیش از حد ولتاژ یک دیود به دلیل توزیع ناهموار ولتاژ جلوگیری شود.
دیود موازی: برای بهبود ظرفیت حمل جریان استفاده می شود، اما باید به اشتراک جریان توجه کرد تا از گرم شدن بیش از حد و آسیب دیود به دلیل توزیع ناهموار جریان جلوگیری شود.
توپولوژی هیبریدی دیود MOSFET/IGBT: در سناریوهایی که جریان انرژی دوطرفه مورد نیاز است، می توان از توپولوژی ترکیبی دیود و MOSFET/IGBT استفاده کرد. به عنوان مثال، در مبدل های DC/DC دو طرفه، از دیودها برای هدایت یک طرفه و از ماسفت ها برای هدایت معکوس استفاده می شود که به کنترل جریان دو طرفه انرژی دست می یابد.
(3) استراتژی کنترل مشارکتی
مدیریت انرژی دیودها در ریزشبکه ها باید با استراتژی های کنترل هماهنگ شود. به عنوان مثال:

الگوریتم مدیریت انرژی بر اساس دیودها: با نظارت بر ولتاژ باس DC و توان خروجی منابع مختلف برق، تنظیم پویا وضعیت هدایت دیودها برای دستیابی به تخصیص بهینه انرژی.
استراتژی حفاظت از خطا: الگوریتم های تشخیص و جداسازی عیب سریع و قابل اعتماد را بر اساس ویژگی های هدایت دیودها طراحی کنید. به عنوان مثال، هنگامی که جریان غیرعادی در یک شاخه خاص تشخیص داده می شود، دیود آن انشعاب بلافاصله قطع می شود تا از گسترش عیب جلوگیری شود.
5، مطالعه موردی: کاربرد دیودها در ریزشبکه های جزیره ای
پروژه ریزشبکه در یک جزیره خاص از معماری باس DC استفاده می کند که فتوولتائیک، ذخیره انرژی، ژنراتورهای دیزل و بارها را یکپارچه می کند. برنامه مدیریت انرژی به شرح زیر است:

سیستم فتوولتائیک: آرایه فتوولتائیک برق باس 48 ولت DC را از طریق دیودها تامین می کند، که از برگشت انرژی به پنل فتوولتائیک در شب یا هنگام خطا جلوگیری می کند.
سیستم ذخیره‌سازی انرژی: باتری‌های لیتیومی از طریق یک مبدل دوطرفه DC/DC به اتوبوس متصل می‌شوند تا به کنترل شارژ و دشارژ انرژی دست یابند.
دیزل ژنراتور: به عنوان منبع تغذیه پشتیبان، از طریق دیودها به شینه متصل می شود تا در هنگام خاموش شدن ژنراتور از برگشت انرژی از شینه جلوگیری شود.
مدیریت بار: بارهای DC مستقیماً به باس متصل می شوند، در حالی که بارهای AC از طریق یک اینورتر متصل می شوند. ترمینال خروجی اینورتر مجهز به دیودهایی است که در صورت بروز خطاهای شبکه از برگشت انرژی به اینورتر جلوگیری می کند.
این طرح به جداسازی ایمن و جریان انرژی یک طرفه بین فتوولتائیک، ذخیره انرژی، و ژنراتورهای دیزلی از طریق دیودها، بهبود بازده سیستم تا 92 درصد و کوتاه شدن زمان پاسخ خطا به 10 میکروثانیه را می‌رساند.