Como integrar diodos de bypass em controladores de energia eólica?

一, A função principal do diodo de bypass: defesa ativa contra o efeito de ponto quente
A principal função dos diodos de bypass em sistemas de geração de energia eólica é evitar efeitos de pontos quentes. Quando as pás de uma turbina eólica estão obstruídas (como neve, excrementos de pássaros ou falhas locais), as células da bateria na área obstruída não conseguem gerar eletricidade e, em vez disso, tornam-se uma carga que consome a corrente gerada por outras células normais da bateria, resultando num aumento acentuado da temperatura local (até 200 graus ou mais) e na formação de pontos quentes. Os pontos quentes não apenas danificam permanentemente as células da bateria, reduzem a eficiência da geração de energia, mas podem até causar incêndios.

O diodo de bypass é conectado em paralelo reverso em ambas as extremidades da bateria e está em estado de corte reverso sob condições normais de operação, sem afetar a operação do circuito; Quando uma determinada célula da bateria está obstruída, a tensão em ambas as extremidades sobe até o limite de condução direta do diodo e a corrente desvia da área de falha para evitar a formação de pontos quentes. Por exemplo, uma unidade de turbina eólica offshore de 5MW adota um esquema de conexão paralela de um diodo de bypass para cada série de células de bateria. No teste de sombreamento local, a temperatura do ponto quente diminuiu de 185 graus para 45 graus e a vida útil do componente foi estendida em mais de três vezes.

2, Cenário integrado: extensão tecnológica de módulos fotovoltaicos a controladores de energia eólica
Embora os diodos bypass tenham sido aplicados pela primeira vez em sistemas fotovoltaicos, seus princípios técnicos apresentam alta adaptabilidade na geração de energia eólica. Nos controladores de energia eólica, a integração de diodos de bypass se reflete principalmente nos seguintes cenários:

1. Proteção lateral do rotor de turbinas eólicas duplamente alimentadas
Quando um gerador de indução de alimentação dupla sofre uma queda de tensão na rede elétrica, pode ocorrer sobrecorrente no lado do rotor, o que pode danificar o inversor. O circuito de proteção ativa Crowbar libera energia do rotor para o resistor de bypass através de uma ponte retificadora de diodos, onde cada braço da ponte retificadora é composto por dois diodos conectados em série, garantindo a liberação de energia em 10ms. Por exemplo, uma unidade offshore duplamente alimentada de 10 MW adota um circuito Crowbar tipo IGBT, combinado com diodos rápidos, para manter a operação estável do sistema mesmo quando a tensão cai para 20%.

2. Otimização do processo de retificação para unidade de ímã permanente de acionamento direto
A turbina eólica de ímã permanente de acionamento direto adota um circuito retificador de diodo incontrolável para converter energia CA trifásica em energia CC. Embora a estrutura seja simples, a perda de condução do diodo afeta diretamente a eficiência do sistema. Ao substituir os diodos de silício tradicionais por diodos Schottky de carboneto de silício (SiC), a queda de tensão de condução pode ser reduzida de 0,7 V para 0,3 V. Com uma corrente de 1.000 A, uma única unidade pode economizar até 200.000 kWh de eletricidade por ano.

3. Gerenciamento de bateria de controladores de energia eólica fora da rede
Em sistemas fora da rede, o controlador precisa evitar que a bateria descarregue no sentido inverso para a turbina eólica durante a noite ou em tempo nublado. Ao conectar diodos de bypass em série no circuito de carga, um caminho de corrente unidirecional é formado. Por exemplo, um projeto de microrrede em uma área remota utiliza um controlador com diodos anti-reversos, o que prolonga a vida útil da bateria de 3 para 6 anos e reduz o custo geral do sistema em 40%.

3, Critérios de seleção: da correspondência de parâmetros à verificação de confiabilidade
O desempenho dos diodos de bypass afeta diretamente a estabilidade dos controladores de energia eólica, e sua seleção precisa considerar de forma abrangente os seguintes parâmetros principais:

1. Corrente de trabalho e tensão de ruptura reversa
Corrente de trabalho: precisa ser maior que a corrente de-curto-circuito da sequência de células da bateria. Por exemplo, se a corrente de curto-circuito de uma célula de bateria de 210 mm for 18A, a corrente nominal do diodo de bypass precisa ser maior ou igual a 20A.
Tensão de ruptura reversa: Deve ser 1,2 vezes maior que a tensão de circuito aberto da célula da bateria. Tomando o sistema de 1500V como exemplo, a tensão suportável reversa do diodo precisa ser maior ou igual a 1800V.
2. Desempenho térmico e design de dissipação de calor
Temperatura de junção: Deve atender aos requisitos máximos de temperatura operacional do sistema. A temperatura ambiente do mar pode chegar a 55 graus, e a temperatura da junção do diodo precisa ser menor ou igual a 175 graus.
Resistência térmica: A baixa resistência térmica pode acelerar a condução de calor. Por exemplo, diodos embalados em substratos de cobre podem ter uma resistência térmica tão baixa quanto 0,5 K/W, que é 60% menor que as embalagens plásticas tradicionais.
3. Resposta dinâmica e testes de confiabilidade
Velocidade de comutação: Precisa se adaptar às mudanças repentinas na velocidade do vento. Por exemplo, uma determinada unidade terrestre requer diodos para completar a comutação de condução/corte dentro de 10 μs.
Teste de vida: É necessário passar no teste de fuga térmica na norma IEC 62979, o que significa que a temperatura da superfície aumenta em menos ou igual a 15 graus quando a corrente nominal é aplicada por 1 hora em um ambiente de 75 graus.