Como configurar diodos em sistemas de acoplamento de armazenamento de energia eólica?

一, Seleção do tipo de diodo: correspondência precisa com base em cenários de aplicação
O sistema de acoplamento de armazenamento de energia eólica cobre vários aspectos, como geração de energia eólica, conversão de energia e carga e descarga de armazenamento de energia. Existem diferenças significativas nos requisitos de desempenho dos diodos em diferentes cenários, e os tipos de dispositivos específicos precisam ser selecionados.

1. Processo de retificação: Diodos de carboneto de silício melhoram a eficiência de conversão
No módulo retificador CA/CC de turbinas eólicas, os diodos tradicionais-baseados em silício apresentam altas perdas de comutação devido ao seu longo tempo de recuperação reversa (50-100ns), enquanto os diodos de carboneto de silício (SiC) podem reduzir significativamente as perdas de retificação devido às suas características de recuperação reversa ultrarrápida (Trr<10ns) and low forward voltage drop (Vf<0.3V). For example, Cree's GaN HEMT diode reduces reverse recovery loss by 90% compared to silicon-based devices at a switching frequency of 1MHz, resulting in rectifier module efficiency exceeding 98%. In the offshore wind power scenario, Siemens uses a diode flexible rectifier valve instead of a modular multi-level rectifier valve, and reduces the converter station's volume by 80%, weight by 65%, and transmission loss by 20% under the same transmission capacity through the bridge arm series integrated pulse control strategy.

2. Link de armazenamento de energia: o diodo TVS aumenta a proteção contra sobretensão
Em sistemas de armazenamento de energia de bateria de lítio, os diodos TVS limitam a sobretensão a uma faixa segura com velocidade de resposta em milissegundos. Tomando o módulo de bateria CTP3.0 de CATL como exemplo, o diodo Dongwo Electronics SMBJ15CA TVS (Pppm=600W, Vc=18V) usado nele reduziu o aumento da temperatura da superfície do módulo de bateria em 42% no teste de fuga térmica UL9540A e obteve mais de 10 vezes o tempo de resposta para o sistema de proteção contra incêndio. Para sistemas de armazenamento de energia de células de combustível, sensores de combustão catalítica e diodos TVS precisam ser configurados para desligar rapidamente o circuito em caso de vazamento de hidrogênio. A pressão de abertura do dispositivo de alívio de explosão deve ser controlada dentro de 0,01 MPa.

3. Link auxiliar fotovoltaico: diodo de bypass com tolerância de sombra otimizada
Em sistemas de acoplamento de armazenamento de energia solar eólica, os módulos fotovoltaicos frequentemente sofrem uma queda repentina na potência de saída devido a sombras locais. Ao conectar um diodo de bypass em série com cada 18-20 componentes, a corrente dos componentes blindados pode ser transferida, reduzindo a perda de energia. Por exemplo, quando uma única célula está completamente obstruída, a potência de saída de um módulo de silício monocristalino pode diminuir em 75%, enquanto com a configuração de diodos de bypass, a perda de potência pode ser controlada em 10%. Além disso, a tecnologia de detecção infravermelha deve ser usada para verificar regularmente os componentes e resolver prontamente problemas de pontos quentes quando a diferença de temperatura exceder 10 graus.

2, Otimização de topologia: Construindo redes eletrônicas de potência eficientes e confiáveis
O método de conexão da topologia dos diodos afeta diretamente a eficiência do fluxo de energia e a capacidade de isolamento de falhas do sistema, e um projeto direcionado é necessário com base no caminho de conversão de energia do sistema acoplado.

1. Circuito de carregamento anti-reverso: design composto de diodo de bloqueio e MOSFET
O esquema anti-reverso P-MOS tradicional tem problemas como alta resistência e incapacidade de bloquear a corrente reversa. O controlador de diodo ideal LM74700-Q1 da TI atinge 0,01 Ω na resistência e velocidade de desligamento reverso em nível de nanossegundos integrando N-MOS e circuito de controle. No sistema de baixa tensão de 48 V do carro ideal L9, esta solução reduz a perda de conexão anti-reversa de 8 W para 0,2 W e o aumento da temperatura do sistema de 15 graus para 2 graus, resolvendo completamente o risco de falha térmica durante a partida a frio.

2. Retificação multinível: topologia de braçadeira de diodo
Para cenários de transmissão de corrente contínua de alta-tensão, os retificadores multiníveis fixados por diodo (NPCs) alcançam o equilíbrio de tensão conectando capacitores e diodos em série, reduzindo os requisitos de resistência de tensão dos dispositivos de comutação. No projeto de transmissão de corrente contínua de ultra-tensão ± 800kV, a topologia NPC reduz a tensão suportável de dispositivos individuais de 1600V para 650V, ao mesmo tempo que reduz a taxa de distorção harmônica (THDu) de 15% para 3%, melhorando significativamente a qualidade da energia.

3. Coordenação híbrida de armazenamento de energia: isolamento de diodo e distribuição de energia
Num sistema híbrido de armazenamento de energia composto por baterias de lítio e supercapacitores, a distribuição de energia precisa ser feita através de diodos. As baterias de lítio compensam flutuações de energia-baixa-de longo prazo, enquanto os supercapacitores lidam com choques de energia-alta{4}}de curto prazo. Por exemplo, na estratégia de controle de conexão à rede de energia eólica, quando a taxa de flutuação de energia excede 5%, o supercapacitor carrega e descarrega rapidamente através de diodos para suprimir a taxa de flutuação para dentro de 2%; E as baterias de lítio são reguladas lentamente a uma taxa de 0,1C para garantir que o SOC (estado de carga) seja mantido dentro da faixa segura de 20% -80%.

3, Colaboração de gerenciamento térmico: controle de temperatura do nível do componente ao nível do sistema
A falha térmica dos diodos é uma das principais causas de falhas no sistema de armazenamento de energia, e o controle da temperatura ao longo de todo o ciclo de vida precisa ser alcançado por meio de inovação de materiais, otimização estrutural e projeto térmico em nível de sistema.

1. Atualização de material: semicondutor de banda larga reduz a perda de calor
Os diodos de SiC podem suportar temperaturas de até 600 graus, o que é três vezes maior do que os dispositivos baseados em silício; Os diodos GaN podem operar de forma estável a 200 graus e fornecer redundância térmica para plataformas de alta-tensão de 800 V. O módulo SiC de quarta geração da ROHM adota um-design de dissipação de calor de dupla face, reduzindo a resistência térmica de 10K/W para 2K/W e alcançando uma densidade de potência de mais de 100kW/L. No sistema de armazenamento de energia BYD Cube, a tecnologia de resfriamento líquido estabiliza a temperatura operacional do diodo abaixo de 45 graus, reduzindo a corrente de fuga reversa em 78% em comparação com a solução-resfriada a ar.

2. Inovação estrutural: embalagem 3D e dissipação de calor incorporada
Ao empilhar chips e incorporar estruturas de dissipação de calor, a resistência térmica dos diodos pode ser significativamente reduzida. Por exemplo, a série Smart Diode da Infineon integra sensores de temperatura dentro do chip para obter monitoramento-em tempo real das curvas VF Tj. Quando a temperatura atinge o limite, é emitido um aviso 10 segundos antes do limite, que fornece tempo de intervenção ativa para gestão térmica do sistema.

3. Acoplamento térmico em nível de sistema: sinergia de temperatura de armazenamento solar eólica
No sistema de acoplamento de armazenamento de energia solar eólica, é necessário estabelecer uma plataforma unificada de gestão térmica. Por exemplo, uma central eléctrica de armazenamento de energia partilhada em Qinghai adopta um sistema de produção de hidrogénio de água do mar, que utiliza o calor residual da célula electrolítica para aquecer a bateria de lítio, reduzindo a taxa de degradação da capacidade da bateria de 30% para 5% sob condições de baixa temperatura no Inverno. Ao mesmo tempo, a tubulação de resfriamento líquido do módulo fotovoltaico compartilha o líquido de resfriamento com o circuito de óleo da caixa de engrenagens da turbina eólica, alcançando a utilização da cascata de energia.