Làm thế nào để sử dụng điốt để đạt được khả năng truyền năng lượng một chiều trong lưới điện siêu nhỏ?

1, Cơ sở vật lý của tính dẫn điện một chiều của điốt
Cấu trúc lõi của diode là tiếp giáp PN, được hình thành bởi sự kết hợp giữa chất bán dẫn loại P- (có nồng độ lỗ trống cao) và chất bán dẫn loại N- (có nồng độ electron cao). Tại giao diện tiếp giáp PN, các electron khuếch tán từ vùng N sang vùng P và các lỗ trống khuếch tán từ vùng P sang vùng N, khiến vùng P tích điện âm gần điểm giao nhau và vùng N tích điện dương gần điểm giao nhau, tạo thành một điện trường bên trong (vùng tích điện không gian). Điện trường này có hai đặc điểm chính:

Dẫn điện dương: Khi vùng P được kết nối với cực dương của nguồn điện và vùng N được kết nối với cực âm, điện trường bên ngoài làm suy yếu-điện trường tích hợp, vùng điện tích không gian thu hẹp và hầu hết các hạt tải điện (electron và lỗ trống) có thể đi qua vùng tiếp giáp để tạo thành dòng điện, dẫn đến trạng thái điện trở thấp của điốt.
Ngắt ngược: Khi vùng P được kết nối với điện cực âm và vùng N được kết nối với điện cực dương, điện trường bên ngoài sẽ tăng cường-điện trường tích hợp, vùng điện tích không gian mở rộng, hầu hết các hạt mang điện bị chặn và chỉ một số hạt mang điện tạo thành dòng điện ngược nhỏ (dòng rò), dẫn đến trạng thái điện trở cao của điốt.
Đặc tính này làm cho điốt trở thành thành phần lý tưởng để đạt được dòng năng lượng một chiều. Lấy điốt silicon làm ví dụ, độ sụt điện áp dẫn thuận của chúng là khoảng 0,6-0,7V và điện áp đánh thủng ngược của chúng có thể đạt tới vài trăm volt, có thể đáp ứng các yêu cầu cách ly từ DC điện áp thấp (chẳng hạn như 48V) đến DC trung áp (chẳng hạn như 400V) trong lưới điện siêu nhỏ.

2, Yêu cầu cốt lõi về truyền tải năng lượng một chiều trong lưới điện siêu nhỏ
Dòng năng lượng của lưới điện siêu nhỏ có đặc điểm là đa nguồn, hai chiều và động, đồng thời việc quản lý năng lượng của nó cần giải quyết ba vấn đề cốt lõi:

Cách ly giữa các nguồn điện: nhằm ngăn chặn các nguồn điện khác nhau (như quang điện, lưu trữ năng lượng, máy phát điện diesel) ảnh hưởng lẫn nhau do dao động điện áp hoặc sự cố.
Kiểm soát phản hồi năng lượng: Để ngăn năng lượng chảy ngược vào lưới điện yếu và gây tăng điện áp trong quá trình phanh động cơ hoặc quang điện khi phát điện.
Cách ly lỗi nhanh: Khi nguồn điện hoặc tải bị đoản mạch, đường dẫn sự cố sẽ bị cắt để ngăn lỗi lan rộng.
Các giải pháp truyền thống dựa vào công tắc tơ hoặc bộ ngắt mạch nhưng có thời gian phản hồi chậm (tính bằng mili giây), hao mòn cơ học và các vấn đề khác. Diode, với tốc độ phản hồi nano giây và không có đặc tính tiếp xúc cơ học, đã trở thành thành phần quan trọng để đạt được khả năng cách ly năng lượng nhanh và đáng tin cậy.

3, Các kịch bản ứng dụng điển hình của điốt trong lưới điện siêu nhỏ
(1) Truyền năng lượng bus DC một chiều
Trong lưới điện siêu nhỏ DC, điốt thường được sử dụng để xây dựng các liên kết dẫn điện một chiều, cho phép kiểm soát dòng năng lượng giữa các thanh cái có mức điện áp khác nhau. Ví dụ:

Hệ thống lưu trữ năng lượng quang điện: Mảng quang điện cung cấp năng lượng cho bus 48V DC thông qua điốt và pin lưu trữ năng lượng được kết nối với cùng một bus thông qua bộ chuyển đổi DC/DC. Khi công suất đầu ra quang điện vượt quá nhu cầu tải, diode sẽ ngăn năng lượng chảy ngược vào tấm quang điện, tránh làm hỏng tấm do gia nhiệt phân cực ngược; Trong khi đó, hệ thống lưu trữ năng lượng sẽ hấp thụ năng lượng dư thừa thông qua bộ chuyển đổi DC/DC hai chiều.
Kết nối song song nhiều nguồn điện: Trong lưới điện siêu nhỏ bổ sung lưu trữ năng lượng mặt trời bằng gió, các nguồn điện khác nhau được kết nối song song với bus DC thông qua điốt. Khi nguồn điện bị ngắt do sự cố, diode sẽ tự động cắt kết nối với bus để ngăn điện áp sự cố ảnh hưởng đến các nguồn điện khác.
(2) Ngăn chặn phản hồi năng lượng ở phía truyền thông
Trong lưới điện siêu nhỏ truyền thông, sự kết hợp giữa điốt với thyristor hoặc IGBT có thể tạo nên các mạch triệt tiêu phản hồi năng lượng. Ví dụ:

Hệ thống truyền động động cơ: Khi động cơ ở trạng thái hãm, năng lượng tái tạo được đưa trở lại bus DC thông qua các điốt song song ngược. Nếu điện áp bus quá cao, diode được mắc nối tiếp với điện trở hãm để chuyển năng lượng dư thừa thành năng lượng nhiệt tiêu thụ, ngăn chặn quá điện áp của bus DC.
Kết nối lưới thế hệ phân tán: Ở đầu ra của biến tần, điốt có thể ngăn năng lượng chảy ngược vào biến tần trong trường hợp có sự cố lưới điện (chẳng hạn như tăng điện áp), bảo vệ các thiết bị điện khỏi hư hỏng do quá dòng.
(3) Cách ly và bảo vệ lỗi nhanh
Điốt có những ưu điểm độc đáo trong việc bảo vệ lỗi lưới điện siêu nhỏ. Ví dụ:

Bảo vệ ngắn mạch-DC: Trong lưới điện siêu nhỏ DC, nếu xảy ra đoản mạch ở một nhánh thì dòng điện-ngắn mạch sẽ tạo thành mạch có trở kháng thấp thông qua một điốt. Lúc này, cầu chì nhanh hoặc cầu dao có thể phát hiện tín hiệu quá dòng và cắt nhánh bị lỗi, trong khi đi-ốt có thể ngăn dòng điện ngắn mạch-chảy ngược sang các nhánh khỏe mạnh khác.
Cách ly lỗi nối đất: Trong hệ thống nối đất CNTT, điốt có thể được sử dụng để xây dựng các mạch giám sát cách điện. Khi xảy ra lỗi nối đất ở một pha nhất định, diode sẽ tiến hành tạo thành một dòng điện nhỏ và thiết bị giám sát sẽ xác định vị trí điểm lỗi bằng cách phát hiện dòng điện này. Đồng thời, diode giới hạn biên độ dòng điện sự cố để tránh hư hỏng thiết bị.
4, Những điểm kỹ thuật chính trong thực hành kỹ thuật
(1) Lựa chọn điốt và khớp tham số
Trong các ứng dụng lưới điện siêu nhỏ, việc lựa chọn điốt cần tính đến các tham số sau:

Điện áp định mức: Nó phải lớn hơn điện áp hoạt động tối đa của hệ thống và để lại mức chênh lệch 20% -50%. Ví dụ, trong bus DC 400V, nên chọn điốt có điện áp chịu được từ 600V trở lên.
Dòng điện định mức: Cần lựa chọn dựa trên dòng tải tối đa và khả năng quá tải. Ví dụ: trong hệ thống quang điện, dòng điện định mức của điốt phải lớn hơn dòng điện ngắn mạch-của mảng quang điện.
Thời gian khôi phục ngược: Trong các ứng dụng chuyển đổi tần số-cao (chẳng hạn như điều chếPWM), điốt khôi phục nhanh với thời gian khôi phục ngược ngắn (<50ns) should be selected to reduce switching losses.
Khả năng chịu nhiệt và tản nhiệt: Nhiệt độ tiếp giáp của diode phải được kiểm soát dưới 150 độ và nên chọn phương pháp tản nhiệt thích hợp (như làm mát tự nhiên, làm mát không khí hoặc làm mát bằng chất lỏng) theo mức tiêu thụ điện năng.
(2) Tối ưu hóa cấu trúc liên kết hệ thống
Cấu trúc cấu trúc liên kết của điốt trong lưới điện siêu nhỏ cần được thiết kế theo yêu cầu cụ thể. Ví dụ:

Diode nối tiếp: dùng để cải thiện mức điện áp chịu đựng, nhưng cần chú ý đến việc cân bằng điện áp để tránh đánh thủng quá áp của diode do phân bố điện áp không đều.
Diode song song: dùng để cải thiện khả năng mang dòng điện, nhưng cần chú ý đến việc chia sẻ dòng điện để tránh hiện tượng quá nhiệt và hư hỏng diode do phân bố dòng điện không đều.
Cấu trúc liên kết lai diode MOSFET/IGBT: Trong các trường hợp cần có dòng năng lượng hai chiều, có thể sử dụng cấu trúc liên kết lai giữa diode và MOSFET/IGBT. Ví dụ, trong bộ chuyển đổi DC/DC hai chiều, điốt được sử dụng để dẫn điện một chiều và MOSFET được sử dụng để dẫn điện ngược, đạt được khả năng kiểm soát dòng năng lượng hai chiều.
(3) Chiến lược kiểm soát hợp tác
Việc quản lý năng lượng của điốt trong lưới điện siêu nhỏ cần được phối hợp với các chiến lược kiểm soát. Ví dụ:

Thuật toán quản lý năng lượng dựa trên điốt: Bằng cách giám sát điện áp bus DC và công suất đầu ra của các nguồn điện khác nhau, điều chỉnh linh hoạt trạng thái dẫn điện của điốt để đạt được sự phân bổ năng lượng tối ưu.
Chiến lược bảo vệ lỗi: Thiết kế các thuật toán phát hiện và cách ly lỗi nhanh và đáng tin cậy dựa trên đặc tính dẫn điện của điốt. Ví dụ, khi phát hiện dòng điện bất thường ở một nhánh nào đó, diode của nhánh đó sẽ ngay lập tức bị cắt để ngăn lỗi lan rộng.
5, Nghiên cứu điển hình: Ứng dụng điốt trong lưới điện siêu nhỏ trên đảo
Dự án lưới điện siêu nhỏ trên một hòn đảo nhất định sử dụng kiến ​​trúc xe buýt DC, tích hợp quang điện, lưu trữ năng lượng, máy phát điện diesel và phụ tải. Kế hoạch quản lý năng lượng như sau:

Hệ thống quang điện: Mảng quang điện cung cấp năng lượng cho bus 48V DC thông qua điốt, giúp ngăn năng lượng chảy ngược vào tấm quang điện vào ban đêm hoặc khi có sự cố.
Hệ thống lưu trữ năng lượng: Pin lithium được kết nối với xe buýt thông qua bộ chuyển đổi DC/DC hai chiều để đạt được khả năng kiểm soát sạc và xả năng lượng.
Máy phát điện diesel: Là nguồn điện dự phòng, nó được kết nối với thanh cái thông qua điốt để ngăn năng lượng chảy ngược từ thanh cái khi máy phát điện ngừng hoạt động.
Quản lý tải: Tải DC được kết nối trực tiếp với bus, trong khi tải AC được kết nối thông qua biến tần. Đầu ra của biến tần được trang bị điốt để ngăn năng lượng chảy ngược vào biến tần trong trường hợp có sự cố lưới điện.
Sơ đồ này đạt được sự cách ly an toàn và dòng năng lượng một chiều giữa quang điện, bộ lưu trữ năng lượng và máy phát điện diesel thông qua điốt, cải thiện hiệu suất hệ thống lên 92% và rút ngắn thời gian phản hồi sự cố trong vòng 10 μs.