Bagaimana cara menggunakan dioda untuk mencapai transmisi energi searah di microgrid?

1, Dasar fisik konduktivitas searah dioda
Struktur inti dioda adalah sambungan PN, yang dibentuk oleh kombinasi semikonduktor tipe P-(dengan konsentrasi lubang tinggi) dan semikonduktor tipe N-(dengan konsentrasi elektron tinggi). Pada antarmuka sambungan PN, elektron berdifusi dari daerah N ke daerah P, dan lubang berdifusi dari daerah P ke daerah N, menyebabkan daerah P bermuatan negatif di dekat persimpangan dan daerah N bermuatan positif di dekat persimpangan, membentuk medan listrik internal (daerah muatan ruang). Medan listrik ini memiliki dua karakteristik utama:

Konduksi positif: Bila wilayah P dihubungkan ke kutub positif catu daya dan wilayah N dihubungkan ke kutub negatif, medan listrik eksternal melemahkan medan listrik bawaan, wilayah muatan ruang menyempit, dan sebagian besar pembawa (elektron dan lubang) dapat melintasi wilayah persimpangan untuk membentuk arus, sehingga menghasilkan keadaan resistansi dioda yang rendah.
Pemutusan terbalik: Bila wilayah P dihubungkan ke elektroda negatif dan wilayah N dihubungkan ke elektroda positif, medan listrik eksternal memperkuat medan listrik bawaan, wilayah ruang muatan melebar, sebagian besar pembawa muatan diblokir, dan hanya sedikit pembawa muatan yang membentuk arus balik kecil (arus bocor), sehingga menghasilkan keadaan resistansi tinggi dioda.
Karakteristik ini menjadikan dioda sebagai komponen ideal untuk mencapai aliran energi searah. Mengambil contoh dioda silikon, penurunan tegangan konduksi majunya sekitar 0,6-0,7V, dan tegangan tembus baliknya dapat mencapai beberapa ratus volt, yang dapat memenuhi persyaratan isolasi DC tegangan rendah (seperti 48V) hingga DC tegangan menengah (seperti 400V) di microgrid.

2, Persyaratan inti untuk transmisi energi searah dalam microgrid
Aliran energi mikrogrid memiliki karakteristik multi-sumber, dua arah, dan dinamis, dan pengelolaan energinya perlu mengatasi tiga masalah inti:

Isolasi antar sumber daya: untuk mencegah sumber daya yang berbeda (seperti fotovoltaik, penyimpanan energi, generator diesel) saling mempengaruhi karena fluktuasi tegangan atau gangguan.
Kontrol umpan balik energi: Untuk mencegah energi mengalir kembali ke jaringan lemah dan menyebabkan kenaikan tegangan selama pengereman motor atau pembangkitan fotovoltaik.
Isolasi kesalahan cepat: Ketika catu daya atau beban mengalami korsleting, jalur gangguan terputus untuk mencegah penyebaran gangguan.
Solusi tradisional mengandalkan kontaktor atau pemutus sirkuit, namun mengalami waktu respons yang lambat (dalam milidetik), keausan mekanis, dan masalah lainnya. Dioda, dengan kecepatan respons nanodetik dan tanpa karakteristik kontak mekanis, telah menjadi komponen kunci untuk mencapai isolasi energi yang cepat dan andal.

3, Skenario aplikasi khas dioda dalam microgrid
(1) Transmisi energi bus DC searah
Dalam mikrogrid DC, dioda biasanya digunakan untuk membangun hubungan konduktif searah, memungkinkan kontrol aliran energi antara busbar dengan level tegangan berbeda. Misalnya:

Sistem penyimpanan energi fotovoltaik: Rangkaian fotovoltaik menyuplai daya ke bus 48V DC melalui dioda, dan baterai penyimpan energi dihubungkan ke bus yang sama melalui konverter DC/DC. Ketika daya keluaran fotovoltaik melebihi kebutuhan beban, dioda mencegah energi mengalir kembali ke panel fotovoltaik, menghindari kerusakan pada panel karena pemanasan bias terbalik; Sementara itu, sistem penyimpanan energi menyerap kelebihan energi melalui konverter DC/DC dua arah.
Koneksi paralel beberapa sumber daya: Dalam mikrogrid pelengkap penyimpanan energi surya angin, sumber daya yang berbeda dihubungkan secara paralel ke bus DC melalui dioda. Ketika catu daya dimatikan karena adanya gangguan, dioda secara otomatis memutus sambungannya ke bus untuk mencegah tegangan gangguan mempengaruhi sumber daya lainnya.
(2) Penekanan umpan balik energi di sisi komunikasi
Dalam mikrogrid komunikasi, kombinasi dioda dengan thyristor atau IGBT dapat membangun rangkaian penekan umpan balik energi. Misalnya:

Sistem penggerak motor: Ketika motor dalam kondisi pengereman, energi yang dihasilkan diumpankan kembali ke bus DC melalui dioda paralel terbalik. Jika tegangan bus terlalu tinggi, dioda dihubungkan secara seri dengan resistor pengereman untuk mengubah kelebihan energi menjadi konsumsi energi panas, sehingga mencegah tegangan berlebih pada bus DC.
Koneksi jaringan pembangkitan terdistribusi: Di ​​ujung keluaran inverter, dioda dapat mencegah energi mengalir kembali ke inverter jika terjadi gangguan jaringan (seperti lonjakan tegangan), sehingga melindungi perangkat listrik dari kerusakan arus berlebih.
(3) Isolasi dan perlindungan kesalahan cepat
Dioda memiliki keunggulan unik dalam perlindungan kesalahan mikrogrid. Misalnya:

Perlindungan hubung singkat-DC: Dalam mikrogrid DC, jika hubung singkat terjadi di cabang, arus hubung singkat-akan membentuk rangkaian impedansi rendah melalui dioda. Pada saat ini, sekring cepat atau pemutus arus dapat mendeteksi sinyal arus berlebih dan memutus cabang yang rusak, sedangkan dioda dapat mencegah arus hubung singkat mengalir kembali ke cabang lain yang sehat.
Isolasi kesalahan pembumian: Dalam sistem pembumian TI, dioda dapat digunakan untuk membangun sirkuit pemantauan isolasi. Ketika gangguan pentanahan terjadi pada fasa tertentu, dioda bekerja membentuk arus kecil, dan perangkat pemantau menemukan titik gangguan dengan mendeteksi arus ini. Pada saat yang sama, dioda membatasi amplitudo arus gangguan untuk mencegah kerusakan peralatan.
4, Poin teknis utama dalam praktik teknik
(1) Pemilihan dioda dan pencocokan parameter
Dalam aplikasi microgrid, pemilihan dioda harus mempertimbangkan parameter berikut:

Tegangan terukur: Ini harus lebih besar dari tegangan operasi maksimum sistem dan menyisakan margin 20% -50%. Misalnya, pada bus 400V DC, dioda dengan tegangan penahan 600V atau lebih tinggi harus dipilih.
Nilai arus: Perlu dipilih berdasarkan arus beban maksimum dan kapasitas beban berlebih. Misalnya, dalam sistem fotovoltaik, arus pengenal dioda harus lebih besar daripada arus hubung pendek-dari susunan fotovoltaik.
Waktu pemulihan terbalik: Dalam aplikasi peralihan frekuensi tinggi (seperti modulasi PWM), dioda pemulihan cepat dengan waktu pemulihan terbalik singkat (<50ns) should be selected to reduce switching losses.
Ketahanan termal dan pembuangan panas: Suhu sambungan dioda harus dikontrol di bawah 150 derajat, dan metode pembuangan panas yang sesuai (seperti pendinginan alami, pendinginan udara, atau pendinginan cair) harus dipilih sesuai dengan konsumsi daya.
(2) Optimasi topologi sistem
Struktur topologi dioda dalam microgrid perlu dirancang sesuai dengan kebutuhan spesifik. Misalnya:

Dioda seri: digunakan untuk meningkatkan tingkat ketahanan tegangan, tetapi perhatian harus diberikan pada pemerataan tegangan untuk mencegah kerusakan tegangan lebih pada dioda karena distribusi tegangan yang tidak merata.
Dioda paralel: digunakan untuk meningkatkan daya dukung arus, tetapi pembagian arus harus diperhatikan untuk mencegah panas berlebih dan kerusakan dioda karena distribusi arus yang tidak merata.
Topologi hibrid dioda MOSFET/IGBT: Dalam skenario yang memerlukan aliran energi dua arah, topologi hibrid dioda dan MOSFET/IGBT dapat digunakan. Misalnya, dalam konverter DC/DC dua arah, dioda digunakan untuk konduksi searah dan MOSFET digunakan untuk konduksi terbalik, sehingga mencapai kontrol aliran energi dua arah.
(3) Strategi pengendalian kolaboratif
Manajemen energi dioda dalam microgrid perlu dikoordinasikan dengan strategi pengendalian. Misalnya:

Algoritme manajemen energi berdasarkan dioda: Dengan memantau tegangan bus DC dan daya keluaran berbagai sumber daya, secara dinamis menyesuaikan keadaan konduksi dioda untuk mencapai alokasi energi yang optimal.
Strategi perlindungan kesalahan: Merancang algoritma deteksi dan isolasi kesalahan yang cepat dan andal berdasarkan karakteristik konduksi dioda. Misalnya, ketika arus abnormal terdeteksi pada cabang tertentu, dioda cabang tersebut segera diputus untuk mencegah penyebaran gangguan.
5, Studi kasus: Penerapan dioda pada mikrogrid pulau
Proyek microgrid di pulau tertentu mengadopsi arsitektur bus DC, mengintegrasikan fotovoltaik, penyimpanan energi, generator diesel, dan beban. Rencana pengelolaan energi adalah sebagai berikut:

Sistem fotovoltaik: Rangkaian fotovoltaik menyuplai daya ke bus 48V DC melalui dioda, yang mencegah energi mengalir kembali ke panel fotovoltaik pada malam hari atau selama terjadi gangguan.
Sistem penyimpanan energi: Baterai litium dihubungkan ke bus melalui konverter DC/DC dua arah untuk mencapai kontrol pengisian dan pengosongan energi.
Generator diesel: Sebagai sumber listrik cadangan, dihubungkan ke busbar melalui dioda untuk mencegah aliran balik energi dari busbar saat generator dimatikan.
Manajemen beban: Beban DC dihubungkan langsung ke bus, sedangkan beban AC dihubungkan melalui inverter. Terminal keluaran inverter dilengkapi dengan dioda untuk mencegah energi mengalir kembali ke inverter jika terjadi gangguan jaringan.
Skema ini mencapai isolasi yang aman dan aliran energi searah antara fotovoltaik, penyimpanan energi, dan generator diesel melalui dioda, meningkatkan efisiensi sistem hingga 92% dan memperpendek waktu respons kesalahan hingga 10 μs.