Wie integriert man Bypass-Dioden in Windkraftsteuerungen?

一, Die Kernfunktion der Bypass-Diode: aktive Abwehr gegen Hot-Spot-Effekte
Die Kernfunktion von Bypass-Dioden in Windkraftanlagen besteht darin, Hot-Spot-Effekte zu verhindern. Wenn die Rotorblätter einer Windkraftanlage blockiert sind (z. B. durch Schnee, Vogelkot oder lokale Störungen), können die Batteriezellen im blockierten Bereich keinen Strom erzeugen und werden stattdessen zu einer Last, die den von anderen normalen Batteriezellen erzeugten Strom verbraucht, was zu einem starken Anstieg der lokalen Temperatur (bis zu 200 Grad oder mehr) und der Bildung von Hot Spots führt. Heiße Stellen schädigen nicht nur Batteriezellen dauerhaft, verringern die Effizienz der Stromerzeugung, sondern können sogar Brände verursachen.

Die Bypass-Diode ist an beiden Enden des Batteriepakets umgekehrt parallel geschaltet und befindet sich unter normalen Betriebsbedingungen in einem umgekehrten Sperrzustand, ohne den Betrieb der Schaltung zu beeinträchtigen; Wenn eine bestimmte Batteriezelle blockiert ist, steigt die Spannung an beiden Enden auf die Durchlassleitungsschwelle der Diode und der Strom umgeht den Fehlerbereich, um die Bildung von Hot Spots zu vermeiden. Beispielsweise verwendet eine 5-MW-Offshore-Windkraftanlage ein Schema der Parallelschaltung einer Bypass-Diode für jede Reihe von Batteriezellen. Im Local-Shading-Test sank die Hot-Spot-Temperatur von 185 Grad auf 45 Grad und die Lebensdauer der Komponenten wurde um mehr als das Dreifache verlängert.

2, Integriertes Szenario: Technologieerweiterung von Photovoltaikmodulen zu Windkraftreglern
Obwohl Bypass-Dioden zuerst in Photovoltaikanlagen eingesetzt wurden, sind ihre technischen Prinzipien sehr gut auf die Windenergieerzeugung anwendbar. Bei Windkraftsteuerungen kommt die Integration von Bypass-Dioden vor allem in folgenden Szenarien zum Ausdruck:

1. Rotorseitiger Schutz von doppelt gespeisten Windenergieanlagen
Wenn es bei einem doppelt gespeisten Asynchrongenerator zu einem Spannungsabfall im Stromnetz kommt, kann es auf der Rotorseite zu einem Überstrom kommen, der den Wechselrichter beschädigen kann. Die aktive Crowbar-Schutzschaltung gibt Rotorenergie über eine Dioden-Gleichrichterbrücke an den Bypass-Widerstand ab, wobei jeder Brückenzweig der Gleichrichterbrücke aus zwei in Reihe geschalteten Dioden besteht und so eine Energiefreisetzung innerhalb von 10 ms gewährleistet. Beispielsweise verwendet eine 10-MW-Offshore-Einheit mit doppelter Einspeisung eine Crowbar-Schaltung vom IGBT-Typ in Kombination mit schnellen Dioden, um einen stabilen Systembetrieb auch dann aufrechtzuerhalten, wenn die Spannung auf 20 % abfällt.

2. Optimierung des Gleichrichtungsprozesses für eine Permanentmagneteinheit mit Direktantrieb
Die direkt angetriebene Permanentmagnet-Windkraftanlage verwendet eine unkontrollierbare Diodengleichrichterschaltung, um dreiphasigen Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln. Obwohl die Struktur einfach ist, wirkt sich der Leitungsverlust der Diode direkt auf die Systemeffizienz aus. Durch den Ersatz herkömmlicher Siliziumdioden durch Schottky-Dioden aus Siliziumkarbid (SiC) kann der Leitungsspannungsabfall von 0,7 V auf 0,3 V reduziert werden. Bei einem Strom von 1000A kann ein einzelnes Gerät bis zu 200000 kWh Strom pro Jahr einsparen.

3. Batteriemanagement von netzunabhängigen Windkraftsteuerungen
In netzunabhängigen Systemen muss die Steuerung verhindern, dass sich die Batterie nachts oder bei bewölktem Wetter umgekehrt zur Windkraftanlage entlädt. Durch die Reihenschaltung von Bypass-Dioden im Ladekreis entsteht ein unidirektionaler Strompfad. Beispielsweise wird bei einem Mikronetzprojekt in einer abgelegenen Gegend ein Controller mit Anti-Reverse-Dioden verwendet, der die Batterielebensdauer von 3 auf 6 Jahre verlängert und die Gesamtsystemkosten um 40 % senkt.

3, Auswahlkriterien: vom Parameterabgleich bis zur Zuverlässigkeitsüberprüfung
Die Leistung von Bypass-Dioden wirkt sich direkt auf die Stabilität von Windkraftreglern aus, und bei ihrer Auswahl müssen die folgenden Kernparameter umfassend berücksichtigt werden:

1. Arbeitsstrom und Sperrspannung
Arbeitsstrom: Er muss größer sein als der Kurzschlussstrom-des Batteriezellenstrangs. Wenn beispielsweise der Kurzschlussstrom einer 210 mm großen Batteriezelle 18 A beträgt, muss der Nennstrom der Bypass-Diode größer oder gleich 20 A sein.
Sperrspannung: Sie sollte 1,2-mal höher sein als die Leerlaufspannung der Batteriezelle. Am Beispiel des 1500-V-Systems muss die Sperrspannung der Diode größer oder gleich 1800 V sein.
2. Wärmeleistung und Wärmeableitungsdesign
Sperrschichttemperatur: Sie muss den maximalen Betriebstemperaturanforderungen des Systems entsprechen. Die Temperatur der Meeresumgebung kann 55 Grad erreichen, und die Temperatur der Diodensperrschicht muss kleiner oder gleich 175 Grad sein.
Wärmewiderstand: Ein geringer Wärmewiderstand kann die Wärmeleitung beschleunigen. Beispielsweise können auf Kupfersubstraten verpackte Dioden einen Wärmewiderstand von nur 0,5 K/W haben, was 60 % niedriger ist als bei herkömmlichen Kunststoffverpackungen.
3. Dynamische Reaktions- und Zuverlässigkeitstests
Schaltgeschwindigkeit: Es muss sich an plötzliche Änderungen der Windgeschwindigkeit anpassen. Beispielsweise benötigt eine bestimmte Onshore-Anlage Dioden, um die Leitungs-/Abschaltumschaltung innerhalb von 10 μs abzuschließen.
Lebensdauertest: Es ist erforderlich, den Thermal Runaway-Test gemäß der Norm IEC 62979 zu bestehen. Dies bedeutet, dass die Oberflächentemperatur um weniger als oder gleich 15 Grad ansteigt, wenn der Nennstrom 1 Stunde lang in einer Umgebung mit 75 Grad angelegt wird.