كيف تقوم الثنائيات بعزل الدوائر المحلية أثناء أعطال شبكة الكهرباء؟

一, الآلية الفيزيائية لعزل خطأ الصمام الثنائي
إن بنية الوصلة PN للديود تمنحه قدرة طبيعية على حجب التيار. عندما يحدث عطل في دائرة كهربائية قصيرة في شبكة الطاقة، ينخفض ​​الجهد عند نقطة العطل بشكل حاد، مما يشكل مجالًا كهربائيًا متحيزًا عكسيًا. في هذا الوقت، يدخل الصمام الثنائي في حالة القطع، ويمكن أن تصل المقاومة العكسية إلى مستوى ميغا أوم. بأخذ النظام المتصل بالشبكة الكهروضوئية كمثال، عندما تحدث دائرة قصر من قطب إلى قطب على جانب التيار المستمر، يمكن أن يتحمل صمام ثنائي شوتكي (مثل SB560، مع انخفاض الجهد الأمامي بمقدار 0.5 فولت) المتصل بالتوازي مع طرفي الوحدة الكهروضوئية جهدًا عكسيًا يزيد عن 1000 فولت وحجب التيار الكامل خلال 0.1 ميكرو ثانية، وهو أسرع بثلاثة أوامر من حيث الحجم من أنظمة الترحيل التقليدية.

في أنظمة الاتصالات، ترتبط خصائص عزل الثنائيات ارتباطًا وثيقًا بنوع العطل. عند حدوث خطأ تأريض أحادي الطور، يرتفع جهد الطور غير المعطل إلى مستوى جهد الخط. في هذا الوقت، يمكن للصمام الثنائي للاسترداد السريع (مثل FR307، وقت الاسترداد العكسي 100ns) المتصل بالتوازي المضاد لكلا طرفي جهاز التبديل أن يمنع بشكل فعال الشحن الزائد للمكثف. وفقًا لبيانات مشروع نقل Tennet's ± 500kV DC في ألمانيا، بعد اعتماد هذا المخطط، انخفض نطاق تقلب جهد مكثف الوحدة الفرعية من ± 15% إلى ± 3%، وتحسنت كفاءة النظام بنسبة 1.2 نقطة مئوية.

2، تطبيق عزل سيناريوهات الخطأ النموذجية
1. تقسيم المناطق الخاطئة لنظام توزيع التيار المستمر
في نظام توزيع التيار المستمر القائم على الصمام الثنائي، عندما تحدث دائرة قصر دائمة ذات قطبين في الخط، يرتفع التيار الأولي للخط المعيب بسرعة إلى 8.3 كيلو أمبير، بينما يتضاءل التيار الطرفي إلى 0 خلال 1 مللي ثانية بسبب خاصية القطع العكسي للصمام الثنائي. يُظهر البحث الذي أجراه فريق Li Bin في جامعة Tianjin أن هذا المخطط يمكن أن يحد من نطاق تأثير الأعطال بين محطتي تحويل، مما يقلله بنسبة 60% مقارنة بالمخططات التقليدية، ويقصر وقت انخفاض الجهد من 200 مللي ثانية إلى 20 مللي ثانية، مما يحسن بشكل كبير موثوقية مصدر الطاقة.

في التنفيذ المحدد، تم تجهيز كل جزء من ناقل DC بوحدة صمام ثنائي مضاد للتوازي. عندما يتجاوز تيار العطل العتبة، يقوم جهاز التبديل السريع بقطع مسار العطل خلال 100 ميكرو ثانية، ويشكل الصمام الثنائي تلقائيًا حاجز عزل. وبعد اعتماد هذه التقنية، قام العاكس الكهروضوئي Huawei SUN2000-125KTL بزيادة توليد الطاقة بنسبة 9.3% في سيناريوهات معاقة جزئيًا، مع كفاءة أوروبية تبلغ 98.8%.

2. وحدات حماية المحول متعدد المستويات
في الوحدة الفرعية MMC، تشكل الثنائيات وIGBTs بنية حجب ثنائية الاتجاه. عندما يتجاوز خلل الجهد في مكثف الوحدة الفرعية 10%، فإن سلسلة الصمام الثنائي كربيد السيليكون المتصل بالسلسلة (مثل C3D06060A) تواجه انخفاضًا في الجهد الأمامي بمقدار 1.3V@10A) يمكن أن يمنع الشحن الزائد للمكثف. بعد اعتماد هذا المخطط، قام مثبت الشبكة Siemens SICAM AIS بتقليل خسائر تحويل الوحدة الفرعية بنسبة 40% وتقصير وقت استجابة النظام من 10 مللي ثانية إلى 3 مللي ثانية.

في الممارسة الهندسية، يجب مراعاة خصائص الاسترداد العكسي للثنائيات. يمكن أن يؤدي استخدام ثنائيات الاسترداد السريع (مثل FR307) إلى تقليل خسائر تحويل IGBT بنسبة 35% مقارنة بالمقومات العادية. تقوم صمامات العزل الذكية من سلسلة Power Grid من ABB بمراقبة درجة حرارة الوصلة والتيار والمعلمات الأخرى في الوقت الفعلي من خلال أجهزة استشعار مدمجة، والتحذير من الأخطاء المحتملة بمقدار 0.5 مللي ثانية مقدمًا، وزيادة متوسط ​​الوقت بين أعطال النظام إلى 200000 ساعة.

3. التصميم الزائد لمصادر الطاقة الموزعة
في المحولات الكهروضوئية المتسلسلة، تحقق قنوات MPPT المتعددة تكرار الطاقة من خلال الثنائيات أو دوائر البوابة. عندما تنخفض طاقة الخرج لقناة معينة بسبب إعاقة الظل، يتحول صمام ثنائي شوتكي (مثل MBR2045CT، مع انخفاض الجهد الأمامي بمقدار 0.32 فولت) تلقائيًا إلى القناة السليمة. وقد أظهرت الاختبارات أن هذا المخطط يمكن أن يزيد من توليد الطاقة من المصفوفات الكهروضوئية بنسبة 8٪ -12٪، خاصة في السيناريوهات المعيقة جزئيًا حيث تكون المزايا كبيرة.

يعتمد نظام تخزين الطاقة Tesla Megapack نظام عزل متكامل، ووحدة تحكم الصمام الثنائي المثالية القائمة على MOSFET (مثل LM5050) تحقق صفر وقت استرداد عكسي. يقلل هذا المخطط من فقدان العزل بين مجموعات البطاريات من 2.5 واط إلى 0.3 واط، ويحسن كفاءة دورة النظام بنسبة 0.2 نقطة مئوية، ويقلل من انخفاض جهد التوصيل بمقدار 0.05 فولت بنسبة 90% مقارنة بالثنائيات التقليدية.

3، التحسين الهندسي واستراتيجيات تحسين الأداء
1. اختيار مكونات منخفضة الخسارة
أصبح فقدان التوصيل في ثنائيات السيليكون التقليدية بمثابة عنق الزجاجة في التطبيقات عالية التردد. يمكن أن يؤدي استخدام ثنائيات شوتكي من كربيد السيليكون إلى تقليل فقد التوصيل بنسبة 60%. في العاكس الكهروضوئي بقدرة 100 كيلوواط، يقلل هذا المخطط من خسائر الصمام الثنائي من 120 واط إلى 48 واط ويحسن كفاءة النظام بنسبة 0.05 نقطة مئوية. يتميز الصمام الثنائي EPC2054 GaN الذي أطلقته شركة EPC بانخفاض الجهد الأمامي بمقدار 0.2 فولت فقط عند تيار 10 أمبير، وهو أقل بنسبة 85% من أجهزة SiC.

2. تحسين الإدارة الحرارية
في التطبيقات عالية الطاقة، يعد التحكم في درجة حرارة وصلة الصمام الثنائي أمرًا بالغ الأهمية. يمكن لنظام تبديد الحرارة المركب الذي يستخدم شحم السيليكون الموصل الحراري (المقاومة الحرارية 0.5 درجة / واط) والركيزة المصنوعة من الألومنيوم (المقاومة الحرارية 1 درجة / واط) تقليل درجة حرارة الوصلة من 125 درجة إلى 85 درجة تحت تيار 100 أمبير، مما يطيل عمر الجهاز بأكثر من ثلاث مرات. تستخدم محولات هواوي تقنية التبريد السائل للتحكم في درجة حرارة وصلة الصمام الثنائي ضمن 105 درجة وزيادة كثافة الطاقة إلى 1.2 كيلو واط/كجم.

3. تصميم التوافق الكهرومغناطيسي
يجب قمع ضوضاء di / dt الناتجة عن مفاتيح الصمام الثنائي بواسطة دائرة عازلة RC. في عاكس بقدرة 10 كيلو وات، يمكن لدائرة عازلة تستخدم مكثفات فيلمية 0.1 μ F ومقاومات 10 Ω أن تقلل تجاوز الجهد من 50 فولت إلى 5 فولت، مما يلبي معيار التوافق الكهرومغناطيسي IEC 61000-4-5. يعمل صمام ثنائي العزل الذكي من سلسلة Siemens SIRIUS على منع ضوضاء التبديل التي تقل عن 20 ديسيبل من خلال شبكة RC مدمجة.

4، اتجاهات التكنولوجيا الحدودية
1. تطبيقات أشباه الموصلات واسعة النطاق
Gallium nitride diodes, with their ultra-low on resistance (0.1m Ω· cm ²) and high-frequency characteristics (fT>1 جيجا هرتز)، تحل محل أجهزة السيليكون تدريجيًا في المجالات المتطورة مثل مصادر طاقة المحطة الأساسية 5G وإمدادات الطاقة الفضائية. يتميز الصمام الثنائي EPC2054 GaN الذي أطلقته شركة EPC بانخفاض الجهد الأمامي بمقدار 0.2 فولت فقط عند تيار 10 أمبير، وهو أقل بنسبة 85% من أجهزة SiC.

2. دمج تكنولوجيا العزل الذكية
يمكن لوحدة الصمام الثنائي الذكي المدمجة مع تكنولوجيا التحكم الرقمي تحقيق تعويض انخفاض الجهد الديناميكي والتنبؤ بالخطأ. تعمل صمامات العزل الذكية من سلسلة Power Grid التي أطلقتها شركة ABB على مراقبة درجة حرارة الوصلة والتيار والمعلمات الأخرى في الوقت الفعلي من خلال أجهزة استشعار مدمجة، وتحذر من الأخطاء المحتملة قبل 0.5 مللي ثانية مقدمًا، مما يزيد متوسط ​​الوقت الخالي من الأخطاء للنظام إلى 200000 ساعة.

5، حالات تطبيق الصناعة
1. مشروع نقل Tennet DC في ألمانيا
في مشروع نقل التيار المستمر بجهد ± 500 كيلو فولت، تعمل الوحدة الفرعية MMC التي تستخدم وحدات الصمام الثنائي من كربيد السيليكون على تقليل نطاق تقلب الجهد لمكثف الوحدة الفرعية من ± 15% إلى ± 3%، وتحسين كفاءة النظام بنسبة 1.2 نقطة مئوية. وتصل قدرة النقل السنوية لهذا المشروع إلى 12 مليار كيلووات/ساعة، وهو ما يعادل خفض استهلاك الفحم القياسي بمقدار 3.6 مليون طن.

2. نظام تخزين الطاقة Tesla Megapack
يعمل نظام عزل مجموعة البطاريات المعتمد على ثنائيات GaN على تحسين كفاءة دورة النظام بنسبة 0.2 نقطة مئوية، مع تقليل انخفاض جهد التوصيل بنسبة 90% مقارنة بالثنائيات التقليدية عند 0.05 فولت. وتم نشر النظام عالميًا بقدرة تزيد عن 10 جيجاوات في الساعة، مما يدعم استهلاك الطاقة المتجددة.