Làm thế nào để điốt cách ly các mạch cục bộ trong thời gian xảy ra sự cố lưới điện?

一, Cơ chế vật lý của việc cách ly lỗi diode
Cấu trúc tiếp giáp PN của diode mang lại cho nó khả năng chặn dòng điện tự nhiên. Khi xảy ra sự cố ngắn mạch trong lưới điện, điện áp tại điểm sự cố giảm mạnh, tạo thành điện trường phân cực ngược. Tại thời điểm này, diode chuyển sang trạng thái cắt và điện trở ngược có thể đạt đến mức megaohm. Lấy hệ thống kết nối lưới quang điện làm ví dụ, khi xảy ra ngắn mạch từ cực này sang cực khác ở phía DC, diode Schottky (chẳng hạn như SB560, với điện áp chuyển tiếp giảm 0,5V) được kết nối song song với cả hai đầu của mô-đun quang điện có thể chịu được điện áp ngược trên 1000V và chặn dòng điện hoàn toàn trong vòng 0,1 μs, nhanh hơn ba bậc so với sơ đồ rơle truyền thống.

Trong các hệ thống truyền thông, đặc tính cách ly của điốt có liên quan chặt chẽ đến loại sự cố. Khi xảy ra lỗi nối đất một pha, điện áp pha không có sự cố sẽ tăng lên bằng mức điện áp đường dây. Tại thời điểm này, diode phục hồi nhanh (như FR307, thời gian phục hồi ngược 100ns) được kết nối song song với cả hai đầu của thiết bị chuyển mạch có thể ngăn ngừa quá tải tụ điện một cách hiệu quả. Theo dữ liệu của dự án truyền tải DC ± 500kV của Tennet ở Đức, sau khi áp dụng sơ đồ này, phạm vi dao động của điện áp tụ điện mô-đun phụ đã giảm từ ± 15% xuống ± 3% và hiệu suất hệ thống được cải thiện 1,2 điểm phần trăm.

2, Ứng dụng cách ly các kịch bản lỗi điển hình
1. Phân vùng sự cố hệ thống phân phối DC
Trong hệ thống phân phối DC dựa trên diode, khi xảy ra ngắn mạch hai cực vĩnh viễn trên đường dây, dòng điện ban đầu của đường dây bị sự cố nhanh chóng tăng lên 8,3kA, trong khi dòng điện ở đầu cực giảm dần về 0 trong vòng 1ms do đặc tính cắt ngược của diode. Nghiên cứu do nhóm của Li Bin tại Đại học Thiên Tân thực hiện cho thấy sơ đồ này có thể hạn chế phạm vi tác động của sự cố giữa hai trạm chuyển đổi, giảm 60% so với sơ đồ truyền thống và rút ngắn thời gian sụt áp từ 200ms xuống 20ms, cải thiện đáng kể độ tin cậy cung cấp điện.

Trong triển khai cụ thể, mỗi đoạn bus DC được trang bị một mô-đun diode chống song song. Khi dòng điện sự cố vượt quá ngưỡng, thiết bị chuyển mạch nhanh sẽ cắt đường sự cố trong vòng 100 μs và diode sẽ tự động tạo thành một rào cản cách ly. Sau khi áp dụng công nghệ này, biến tần quang điện Huawei SUN2000-125KTL đã tăng công suất phát điện thêm 9,3% trong các tình huống bị cản trở một phần, với hiệu suất ở Châu Âu là 98,8%.

2. Bảo vệ bộ chuyển đổi đa cấp mô-đun
Trong mô-đun con MMC, điốt và IGBT tạo thành cấu trúc chặn hai chiều. Khi sự mất cân bằng điện áp của tụ điện mô-đun con vượt quá 10%, diode silicon cacbua được kết nối nối tiếp (như C3D06060A) sẽ bị sụt điện áp chuyển tiếp 1,3V @ 10A) Có thể ngăn ngừa quá tải tụ điện. Sau khi áp dụng sơ đồ này, bộ ổn định lưới SICAM AIS của Siemens đã giảm 40% tổn thất chuyển mạch mô-đun con và rút ngắn thời gian phản hồi của hệ thống từ 10ms xuống còn 3ms.

Trong thực tế kỹ thuật, đặc tính phục hồi ngược của điốt cần được xem xét. Việc sử dụng điốt phục hồi nhanh (như FR307) có thể giảm 35% tổn thất chuyển mạch IGBT so với các bộ chỉnh lưu thông thường. Đi-ốt cách ly thông minh dòng Power Grid của ABB giám sát nhiệt độ điểm nối, dòng điện và các thông số khác theo thời gian thực thông qua các cảm biến-tích hợp, cảnh báo các lỗi tiềm ẩn trước 0,5 mili giây và tăng thời gian trung bình giữa các lần hỏng hóc của hệ thống lên 200000 giờ.

3. Thiết kế dự phòng nguồn điện phân tán
Trong bộ biến tần quang điện dạng chuỗi, nhiều kênh MPPT đạt được mức dự phòng điện thông qua điốt hoặc mạch cổng. Khi công suất đầu ra của một kênh nhất định giảm do bóng cản trở, diode Schottky (chẳng hạn như MBR2045CT, có điện áp chuyển tiếp giảm 0,32V) sẽ tự động chuyển sang kênh khỏe mạnh. Các thử nghiệm đã chỉ ra rằng sơ đồ này có thể tăng khả năng phát điện của mảng quang điện lên 8% -12%, đặc biệt là trong các tình huống bị cản trở một phần trong đó lợi ích là đáng kể.

Hệ thống lưu trữ năng lượng Tesla Megapack áp dụng sơ đồ cách ly tích hợp và bộ điều khiển diode lý tưởng dựa trên MOSFET (chẳng hạn như LM5050) đạt được thời gian phục hồi ngược bằng 0. Sơ đồ này giúp giảm tổn thất cách ly giữa các cụm pin từ 2,5W xuống 0,3W, cải thiện hiệu suất chu kỳ hệ thống thêm 0,2 điểm phần trăm và giảm 90% độ sụt điện áp dẫn 0,05V so với điốt truyền thống.

3, Chiến lược tối ưu hóa kỹ thuật và cải thiện hiệu suất
1. Lựa chọn các thành phần tổn thất thấp
Suy hao dẫn điện của điốt silicon truyền thống đã trở thành điểm nghẽn trong các ứng dụng{0}}tần số cao. Việc sử dụng điốt Schottky silic cacbua có thể giảm 60% tổn thất dẫn điện. Trong bộ biến tần quang điện 100kW, sơ đồ này giúp giảm tổn thất điốt từ 120W xuống 48W và cải thiện hiệu suất hệ thống thêm 0,05 điểm phần trăm. Diode GaN EPC2054 do công ty EPC ra mắt có độ sụt điện áp chuyển tiếp chỉ 0,2V ở dòng điện 10A, thấp hơn 85% so với các thiết bị SiC.

2. Tối ưu hóa quản lý nhiệt
Trong các ứng dụng có công suất-cao, việc kiểm soát nhiệt độ điểm nối đi-ốt là rất quan trọng. Sơ đồ tản nhiệt tổng hợp sử dụng mỡ silicon dẫn nhiệt (điện trở nhiệt 0,5 độ /W) và đế nhôm (điện trở nhiệt 1 độ /W) có thể giảm nhiệt độ điểm nối từ 125 độ xuống 85 độ dưới dòng điện 100A, kéo dài tuổi thọ thiết bị hơn ba lần. Bộ biến tần Huawei sử dụng công nghệ làm mát bằng chất lỏng để kiểm soát nhiệt độ tiếp giáp diode trong khoảng 105 độ và tăng mật độ năng lượng lên 1,2kW/kg.

3. Thiết kế tương thích điện từ
Nhiễu di/dt do công tắc diode tạo ra cần được triệt tiêu bằng mạch đệm RC. Trong biến tần 10kW, mạch đệm sử dụng tụ điện màng 0,1 μ F và điện trở 10 Ω có thể giảm điện áp vọt lố từ 50V xuống 5V, đáp ứng tiêu chuẩn tương thích điện từ IEC 61000-4-5. Điốt cách ly thông minh dòng SIRIUS của Siemens ngăn chặn tiếng ồn chuyển đổi dưới 20dB thông qua mạng RC tích hợp.

4, Xu hướng công nghệ tiên phong
1. Ứng dụng bán dẫn có dải tần rộng
Gallium nitride diodes, with their ultra-low on resistance (0.1m Ω· cm ²) and high-frequency characteristics (fT>1GHz), đang dần thay thế các thiết bị silicon trong-các lĩnh vực cao cấp như bộ nguồn trạm gốc 5G và bộ nguồn hàng không vũ trụ. Diode GaN EPC2054 do công ty EPC ra mắt có độ sụt điện áp chuyển tiếp chỉ 0,2V ở dòng điện 10A, thấp hơn 85% so với các thiết bị SiC.

2. Tích hợp công nghệ cách ly thông minh
Mô-đun diode thông minh kết hợp với công nghệ điều khiển kỹ thuật số có thể đạt được khả năng bù sụt áp động và dự đoán lỗi. Điốt cách ly thông minh dòng Power Grid do công ty ABB ra mắt giám sát nhiệt độ, dòng điện và các thông số khác trong thời gian thực thông qua các cảm biến-tích hợp và cảnh báo các lỗi tiềm ẩn trước 0,5 mili giây, tăng thời gian không có lỗi trung bình của hệ thống lên 200000 giờ.

5, Các trường hợp ứng dụng trong ngành
1. Dự án truyền tải Tennet DC tại Đức
Trong dự án truyền tải DC ± 500kV, mô-đun con MMC sử dụng mô-đun diode silicon cacbua giúp giảm phạm vi dao động điện áp của tụ điện mô-đun con từ ± 15% xuống ± 3% và cải thiện hiệu suất hệ thống thêm 1,2 điểm phần trăm. Công suất truyền tải hàng năm của dự án này đạt 12 tỷ kWh, tương đương giảm tiêu thụ than tiêu chuẩn 3,6 triệu tấn.

2. Hệ thống lưu trữ năng lượng Tesla Megapack
Sơ đồ cách ly cụm pin dựa trên điốt GaN giúp cải thiện hiệu suất chu kỳ hệ thống thêm 0,2 điểm phần trăm, đồng thời giảm 90% độ sụt điện áp dẫn so với điốt truyền thống ở mức 0,05V. Hệ thống này đã được triển khai trên toàn cầu với công suất hơn 10 GWh, hỗ trợ tiêu thụ năng lượng tái tạo.