ما هو دور الثنائيات في-حماية بدء تشغيل توربينات الرياح؟

一, التحديات الأساسية ومنطق حماية الصمام الثنائي في ظل ظروف سرعة الرياح المنخفضة
1. الخصائص الفيزيائية ومخاطر ظروف سرعة الرياح المنخفضة
تتناسب الطاقة الناتجة لتوربينات الرياح بشكل مباشر مع القوة الثالثة لسرعة الرياح. عندما تكون سرعة الرياح أقل من قطع سرعة الرياح (عادة 3-5 م/ث)، تكون سرعة المولد غير كافية، وقد يكون جهد الخرج أقل من جهد البطارية أو الشبكة، مما يؤدي إلى المخاطر التالية:

التدفق العكسي الحالي: توفر البطارية أو شبكة الطاقة الطاقة في الاتجاه المعاكس من خلال لف المحرك، مما يتسبب في ارتفاع درجة حرارة المحرك وإزالة المغناطيسية من المغناطيس الدائم؛
تقلب الجهد: يؤدي جهد الخرج غير المستقر إلى تشغيل غير طبيعي لمحولات أو محولات DC/DC اللاحقة؛
انهيار الكفاءة: تنخفض كفاءة توليد الطاقة بشكل حاد عند سرعات الرياح المنخفضة، وفي حالة عدم وجود الحماية، قد يستمر النظام في استهلاك الطاقة بدلاً من توليد الكهرباء.
2. آلية حماية الثنائيات
تقوم الثنائيات ببناء حواجز عزل مادية من خلال التوصيل أحادي الاتجاه:

التوصيل الأمامي: عندما يكون جهد الخرج للمولد أعلى من الجهد عند طرف الحمل، يقوم الصمام الثنائي بالتوصيل ويتدفق التيار من المولد إلى الحمل؛
القطع العكسي: عندما يكون جهد المولد أقل من جهد طرف الحمل، ينقطع الصمام الثنائي تلقائيًا، مما يمنع مسار التيار العكسي.
لنأخذ توربينة رياح صغيرة مستقلة كمثال، فإن دائرة مقوم الجسر غير المنضبط ذات الثلاث مراحل-تستخدم 6 صمامات ثنائية (مثل MUR60120، تتحمل الجهد الكهربي 1200 فولت، والتيار 60 أمبير). عندما تكون سرعة الرياح أقل من 3m/s، يمكن لمجموعة الصمام الثنائي أن تمنع تمامًا مصدر الطاقة العكسي من البطارية إلى المولد، مع كفاءة حماية تزيد عن 99.9%.

2، سيناريوهات التطبيق النموذجية والتنفيذ الفني
1. نظام مستقل لتوليد طاقة الرياح-صغير الحجم
في سيناريوهات إمدادات الطاقة عن بعد، غالبًا ما تتبنى توربينات الرياح الصغيرة (طاقة 1-10 كيلووات) بنية "توربينات الرياح + البطارية + الحمل". يتضمن تصميمه الوقائي طبقتين من الثنائيات:

طبقة التصحيح: تعمل دائرة مقوم الجسر -ثلاثية الطور على تحويل التيار المتردد إلى تيار مباشر، وتحتاج معلمات الصمام الثنائي إلى تلبية ما يلي:
جهد الصمود العكسي أكبر من أو يساوي 1.5 مرة من ذروة جهد المولد (على سبيل المثال . 100يتم تحديد الصمام الثنائي V لنظام 24 فولت)؛
متوسط ​​التيار أكبر من أو يساوي 1.2 مرة من التيار المقنن للمولد (إذا كان نظام 5A يستخدم صمام ثنائي 6A).
طبقة مضادة للتدفق العكسي: قم بتوصيل صمامات شوتكي الثنائية (مثل MBR1045CT، V_F=0.4V) في سلسلة بين البطارية وطرف إخراج المقوم لتقليل خسائر التوصيل مع ضمان موثوقية القطع العكسي.
الحالة: في أحد مشاريع إمدادات الطاقة الريفية في أفريقيا، لا يزال بإمكان توربينات الرياح المصممة كما هو موضح أعلاه أن تنتج بشكل ثابت عند سرعة رياح تبلغ 2 م/ث. يتم تقليل التيار العكسي للبطارية من 0.5 أمبير إلى 0 أمبير، ويتم إطالة عمر النظام ثلاث مرات.

2. توربينات الرياح المتصلة بالشبكة
في توربينات الرياح المتصلة بشبكة مستوى MW، يجب دمج حماية الصمام الثنائي مع محولات الطاقة الإلكترونية لتحقيق ما يلي:

محول جانب الآلة: استخدام وحدة IGBT+ثنائية هجينة (مثل Infineon FF600R12ME4)، مع وقت استرداد عكسي للصمام الثنائي أقل من أو يساوي 100ns، لتجنب ارتفاع التيار العكسي تحت -تحويل التردد العالي؛
محول جانب الشبكة: قم بتثبيت صمامات TVS الثنائية (مثل 1.5KE33CA) بين ناقل التيار المستمر وجانب الشبكة لقمع الجهد الزائد العابر الناتج عن ضربات البرق أو أخطاء الشبكة؛
دائرة التفريغ: عندما تكون سرعة الرياح منخفضة جدًا ويكون جهد ناقل التيار المستمر مرتفعًا جدًا، يتم تشغيل فرع التفريغ من الثنائيات والمقاومات المتوازية تلقائيًا، مما يحول الطاقة الزائدة إلى طاقة حرارية للاستهلاك.
البيانات: تظهر القياسات الفعلية من مزرعة رياح بحرية معينة أنه بعد اعتماد نظام الحماية هذا، انخفض معدل فشل توربينات الرياح عند سرعات الرياح المنخفضة (4 م / ث) من 12٪ إلى 2٪، وزاد توليد الطاقة السنوي بنسبة 8٪.

3، المعايير الفنية الرئيسية ومبادئ الاختيار
1. مطابقة المعلمات الأساسية
انخفاض الجهد الإيجابي (V_F): يؤثر بشكل مباشر على كفاءة النظام. يبلغ الجهد V-F للثنائيات القائمة على السيليكون- حوالي 0.6-0.8 فولت، بينما يمكن لثنائيات شوتكي تقليله إلى 0.2-0.4 فولت. في توربينات الرياح بقدرة 100 كيلووات، يمكن أن يؤدي استخدام صمامات شوتكي الثنائية إلى تقليل الخسائر السنوية بمقدار 12000 كيلووات في الساعة.
وقت الاسترداد العكسي (Trr): في سيناريوهات التبديل ذات التردد العالي-، يجب أن يكون Trr أقل من أو يساوي 50ns لتجنب تبديل الخسائر. يبلغ Trr لثنائيات الاسترداد السريع (مثل FR107) حوالي 50 نانو ثانية، في حين يمكن تقليل جهد ثنائيات كربيد السيليكون (SiC) إلى 10 نانو ثانية.
القدرة الاستيعابية للتيار المفاجئ (I2FSM): تحتاج إلى تغطية التيار العالي العابر أثناء تشغيل توربينات الرياح - أو فشلها. على سبيل المثال، تحتاج توربينات الرياح بقدرة 2 ميجاوات إلى اختيار صمام ثنائي مع I2FSM أكبر من أو يساوي 300 أمبير للتعامل مع تأثير الدوائر القصيرة لشبكة الطاقة.
2. استراتيجية تحسين الاختيار
تعويض درجة الحرارة: في البيئات ذات درجات الحرارة العالية-(مثل المناطق الصحراوية)، قد تتجاوز درجة حرارة توصيل الثنائيات 150 درجة، ويجب تحديد-النماذج المقاومة لدرجات الحرارة المرتفعة (مثل الأجهزة المعتمدة من AEC-Q101) ؛
التصميم المتكرر: من خلال اعتماد إستراتيجية النسخ الاحتياطي N+1، يظل النظام قادرًا على الحفاظ على أكثر من 80% من سعة الإخراج عند فشل الصمام الثنائي الواحد؛
اتجاه التكامل: تم اعتماد الوحدات المتكاملة (مثل IPM) التي تستخدم الثنائيات وMOSFETs/IGBTs لتقليل الحث الطفيلي وتحسين موثوقية النظام.