Comment concevoir un réseau de diodes dans un système de couplage multi-énergies ?

1, Positionnement fonctionnel : Le rôle central des réseaux de diodes
Les systèmes de couplage multi-énergies intègrent généralement diverses formes d'énergie telles que le photovoltaïque, l'énergie éolienne, le stockage d'énergie et les turbines à gaz, et leur flux d'énergie présente une multidirectionnalité et un dynamisme. Le réseau de diodes assume trois fonctions principales dans ce scénario :

Blocage du courant inverse : lorsqu'une branche subit une chute de tension en raison d'un défaut ou d'une obstruction fantôme, des diodes parallèles peuvent bloquer l'alimentation inverse des autres branches vers la branche défectueuse, évitant ainsi les effets de points chauds ou les dommages matériels. Par exemple, dans les panneaux photovoltaïques, les diodes de dérivation peuvent court-circuiter les branches défectueuses lorsqu'un seul panneau solaire est obstrué, protégeant ainsi les panneaux solaires normaux des surtensions de courant inverse.
Fixation et stabilisation de tension : un circuit de limitation de tension gradué est construit en connectant des diodes en série, ce qui peut limiter la plage des fluctuations de tension du système. Par exemple, dans un système de stockage d’énergie par batterie au lithium, plusieurs diodes au silicium sont connectées en série pour former une chute de tension fixe de 1,8 V. Lorsque la tension de la batterie dépasse cette valeur, les diodes conduisent et déchargent l'excès de tension vers la terre, protégeant ainsi la charge principale.
Aide à la conversion d'énergie : dans le système de cogénération électrique chaud-froid, les diodes peuvent aider les unités de cogénération (CHP) à réaliser une utilisation en cascade d'énergie. Par exemple, lorsque la chaleur perdue générée par les unités de cogénération est convertie en capacité de refroidissement grâce à la réfrigération par absorption, les diodes peuvent empêcher la capacité de refroidissement de refluer vers la source de chaleur, garantissant ainsi l'efficacité du système.
2, Structure de topologie : conception flexible qui s'adapte à plusieurs scénarios
La structure topologique d'un réseau de diodes doit être ajustée dynamiquement en fonction du type d'énergie, de la taille du système et du mode de fonctionnement. Les structures communes comprennent :

Réseau parallèle : adapté aux scénarios photovoltaïques, éoliens et autres distribués, en connectant des diodes de blocage en série à l'entrée de chaque branche, il empêche les branches basse -tension de devenir des « trous noirs énergétiques ». Par exemple, un projet photovoltaïque dans un parc industriel adopte un réseau de diodes parallèles. Lorsqu'une tension de branche chute en raison d'un ombrage, la diode de blocage est coupée pour empêcher la branche normale de fournir de l'énergie en sens inverse à la branche défectueuse, réduisant ainsi la perte de puissance de 75 % à 10 %.
Réseau série : adapté à la transmission de courant continu haute tension (HVDC) ou aux systèmes de stockage d'énergie, la superposition de tension et le contrôle de direction sont réalisés grâce à des diodes série. Par exemple, dans les systèmes de stockage d’énergie par batterie au lithium, un réseau de diodes en série est utilisé pour construire un circuit d’équilibrage de batterie. Lorsqu'une certaine batterie est surchargée, la diode correspondante conduit, transférant l'énergie excédentaire à d'autres batteries et prolongeant la durée de vie de la batterie.
Réseau hybride : combinant des structures parallèles et en série, adaptées aux scénarios complexes de couplage multi-énergies. Par exemple, dans un système combiné de refroidissement, de chauffage et d'alimentation, un réseau de diodes hybrides est utilisé pour coordonner les trois flux d'énergie : électricité, chaleur et froid : des diodes parallèles sont utilisées pour isoler les branches défectueuses, et des diodes en série sont utilisées pour le serrage de tension et le contrôle de la direction de conversion d'énergie, permettant ainsi d'améliorer l'efficacité globale du système.
3, Sélection de l'appareil : équilibrer les performances et les coûts
La sélection des diodes nécessite une prise en compte approfondie de paramètres tels que la tension, le courant, la fréquence, la consommation électrique et le coût. Les types courants incluent :

Diode au silicium : adaptée aux scénarios basse tension et courant élevé, tels que les diodes de dérivation photovoltaïques. Sa chute de tension est d'environ 0,6 V, avec un faible coût mais une consommation d'énergie élevée. Par exemple, un certain projet photovoltaïque utilise des diodes au silicium 1N4007 comme composants de protection de dérivation pour répondre aux exigences de tension inverse de 1 000 V et de courant direct de 1 A, tout en contrôlant le coût d'une seule carte à moins de 0,5 yuan.
Diode Schottky : convient aux scénarios haute-fréquence et basse-tension, tels que les alimentations à découpage, les entraînements de moteur, etc. Sa chute de tension n'est que de 0,4 V et le temps de récupération inverse est court, mais sa résistance à la tension est faible. Par exemple, un certain projet de station de recharge pour véhicules électriques utilise des diodes Schottky comme composants de roue libre pour réduire le temps de récupération inverse de quelques microsecondes à des nanosecondes, supprimant ainsi efficacement les surtensions lors du démarrage et de l'arrêt du moteur.
Diodes en carbure de silicium (SiC) : adaptées aux scénarios haute tension, haute température et haute fréquence, tels que les réseaux intelligents, les véhicules à énergie nouvelle, etc. Sa pression chute à 0,2 V, le temps de récupération inverse est extrêmement court et sa résistance à la température atteint plus de 200 degrés. Par exemple, un projet de transmission de courant continu haute tension utilise des diodes SiC pour construire des vannes de conversion, réduisant ainsi les pertes de conduction de 40 % et améliorant l'efficacité du système de 5 %.
4, stratégie d'optimisation : améliorer la fiabilité du système et l'efficacité énergétique
Pour améliorer encore les performances des réseaux de diodes dans les systèmes de couplage multi-énergies, les stratégies d'optimisation suivantes peuvent être adoptées :

Intégration de contrôle intelligent : combinaison de capteurs et d'algorithmes de contrôle pour réaliser un ajustement dynamique des réseaux de diodes. Par exemple, dans les micro-réseaux, en surveillant les paramètres de tension et de courant de chaque branche en temps réel-, en ajustant dynamiquement le seuil de conduction des diodes et en optimisant l'allocation d'énergie. Le projet complet de système énergétique dans une certaine région adopte un contrôleur de diode intelligent, qui améliore la vitesse de réponse du système jusqu'au niveau de la milliseconde et réduit le temps d'isolation des défauts de 80 %.
Optimisation de la gestion thermique : pour les scénarios-de consommation élevée, réduisez la température de jonction des diodes grâce à une conception de dissipation thermique. Par exemple, lorsque plusieurs diodes sont connectées en parallèle, une conception de dissipateur thermique commune est utilisée pour assurer l'équilibre de la température. Un projet UPS de centre de données a optimisé le chemin de dissipation thermique, réduisant la température de jonction de la diode de 150 degrés à 120 degrés et prolongeant sa durée de vie par trois.
Conception modulaire : Encapsulez le réseau de diodes dans des modules standard pour un déploiement et une maintenance rapides. Par exemple, un projet de couplage multi-énergies dans un parc industriel adopte un réseau de diodes modulaires, qui augmente la prise en charge de la puissance d'un seul module à 100 kW et prend en charge le branchement à chaud, réduisant ainsi le temps d'expansion du système de quelques jours à quelques heures.
5, Étude de cas : Application pratique du réseau de diodes
En prenant comme exemple un projet de micro-réseau sur une île, le système intègre l'énergie photovoltaïque, éolienne, des générateurs diesel et des dispositifs de stockage d'énergie, et optimise le flux d'énergie via un réseau de diodes.

Protection des branches photovoltaïques : connectez les diodes de blocage en série à l'entrée de chaque branche photovoltaïque pour éviter le courant inverse provoqué par une obstruction de l'ombre. Les données d'exploitation du projet montrent que le réseau de diodes a réduit le taux de défaillance des panneaux photovoltaïques de 5 % à 0,2 % et augmenté la production annuelle d'électricité de 8 %.
Équilibrage du système de stockage d’énergie : un réseau de diodes en série est utilisé pour construire un circuit d’équilibrage de batterie. Lorsqu'une certaine batterie est surchargée, la diode correspondante conduit, transférant l'excès d'énergie aux autres batteries. Les tests du projet montrent que cette conception prolonge la durée de vie de la batterie de 40 % et réduit les coûts de maintenance de 30 %.
Coordination complémentaire multi-énergies : en coordonnant le flux d'électricité, de chaleur et de froid à travers un réseau de diodes hybrides, une réponse à la demande et une planification dynamique sont obtenues. Après un an d'exploitation du projet, l'efficacité énergétique globale du système est passée de 65 % à 78 % et les émissions de carbone ont diminué de 25 %.