¿Cómo utilizar diodos para lograr la transmisión de energía unidireccional en microrredes?

1, la base física de la conductividad unidireccional de los diodos.
La estructura central de un diodo es una unión PN, formada por la combinación de un semiconductor tipo P-(con alta concentración de huecos) y un semiconductor tipo N-(con alta concentración de electrones). En la interfaz de la unión PN, los electrones se difunden desde la región N a la región P, y los huecos se difunden desde la región P a la región N, lo que hace que la región P esté cargada negativamente cerca de la unión y la región N esté cargada positivamente cerca de la unión, formando un campo eléctrico interno (región de carga espacial). Este campo eléctrico tiene dos características clave:

Conducción positiva: cuando la región P está conectada al polo positivo de la fuente de alimentación y la región N está conectada al polo negativo, el campo eléctrico externo debilita el campo eléctrico incorporado-, la región de carga espacial se estrecha y la mayoría de los portadores (electrones y huecos) pueden cruzar la región de unión para formar una corriente, lo que resulta en un estado de baja resistencia del diodo.
Corte inverso: cuando la región P está conectada al electrodo negativo y la región N está conectada al electrodo positivo, el campo eléctrico externo mejora el campo eléctrico incorporado-, la región de carga espacial se ensancha, la mayoría de los portadores de carga se bloquean y solo unos pocos portadores de carga forman una pequeña corriente inversa (corriente de fuga), lo que da como resultado un estado de alta resistencia del diodo.
Esta característica convierte a los diodos en un componente ideal para lograr un flujo de energía unidireccional. Tomando como ejemplo los diodos de silicio, su caída de voltaje de conducción directa es de aproximadamente 0,6-0,7 V, y su voltaje de ruptura inversa puede alcanzar varios cientos de voltios, lo que puede cumplir con los requisitos de aislamiento de CC de bajo voltaje (como 48 V) a CC de voltaje medio (como 400 V) en microrredes.

2, El requisito principal para la transmisión de energía unidireccional en microrredes
El flujo de energía de las microrredes tiene las características de multi-fuente, bidireccional y dinámico, y su gestión energética debe abordar tres cuestiones fundamentales:

Aislamiento entre fuentes de energía: para evitar que diferentes fuentes de energía (como fotovoltaica, almacenamiento de energía, generadores diésel) se afecten entre sí debido a fluctuaciones de voltaje o fallas.
Control de retroalimentación de energía: para evitar que la energía regrese a la red débil y provoque un aumento de voltaje durante el frenado del motor o la sobregeneración fotovoltaica.
Aislamiento rápido de fallas: cuando una fuente de alimentación o una carga experimenta un cortocircuito, la ruta de falla se corta para evitar que la falla se propague.
Las soluciones tradicionales dependen de contactores o disyuntores, pero sufren tiempos de respuesta lentos (en milisegundos), desgaste mecánico y otros problemas. El diodo, con su velocidad de respuesta de nanosegundos y sin características de contacto mecánico, se ha convertido en un componente clave para lograr un aislamiento de energía rápido y confiable.

3, escenarios de aplicación típicos de diodos en microrredes.
(1) Transmisión unidireccional de energía del bus DC
En las microrredes de CC, los diodos se utilizan comúnmente para construir enlaces conductores unidireccionales, lo que permite el control del flujo de energía entre barras colectoras de diferentes niveles de voltaje. Por ejemplo:

Sistema de almacenamiento de energía fotovoltaica: El conjunto fotovoltaico suministra energía al bus de 48 V CC a través de diodos, y la batería de almacenamiento de energía se conecta al mismo bus a través de un convertidor CC/CC. Cuando la potencia de salida fotovoltaica excede la demanda de carga, el diodo evita que la energía regrese al panel fotovoltaico, evitando daños al panel debido al calentamiento de polarización inversa; Mientras tanto, el sistema de almacenamiento de energía absorbe el exceso de energía a través de convertidores CC/CC bidireccionales.
Conexión en paralelo de múltiples fuentes de energía: En una microrred complementaria de almacenamiento de energía solar eólica, se conectan diferentes fuentes de energía en paralelo al bus de CC a través de diodos. Cuando una fuente de alimentación se corta debido a una falla, el diodo corta automáticamente su conexión al bus para evitar que el voltaje de falla afecte a otras fuentes de energía.
(2) Supresión de retroalimentación de energía en el lado de la comunicación.
En la microrred de comunicaciones, la combinación de diodos con tiristores o IGBT puede construir circuitos de supresión de retroalimentación de energía. Por ejemplo:

Sistema de accionamiento del motor: cuando el motor está en estado de frenado, la energía regenerada se devuelve al bus de CC a través de diodos en paralelo inverso. Si el voltaje del bus es demasiado alto, el diodo se conecta en serie con la resistencia de frenado para convertir el exceso de energía en consumo de energía térmica, evitando la sobretensión del bus de CC.
Conexión a la red de generación distribuida: en el extremo de salida del inversor, los diodos pueden evitar que la energía regrese al inversor en caso de fallas de la red (como sobretensiones), protegiendo los dispositivos de energía contra daños por sobrecorriente.
(3) Aislamiento y protección rápidos de fallas
Los diodos tienen ventajas únicas en la protección contra fallas de microredes. Por ejemplo:

Protección contra cortocircuitos-CC: en una microrred CC, si se produce un cortocircuito en una rama, la corriente de cortocircuito-formará un circuito de baja impedancia a través de un diodo. En este momento, el fusible rápido o el disyuntor pueden detectar la señal de sobrecorriente y cortar la rama defectuosa, mientras que el diodo puede evitar que la corriente del cortocircuito-fluya de regreso a otras ramas sanas.
Aislamiento de fallas de puesta a tierra: en los sistemas de puesta a tierra de TI, se pueden usar diodos para construir circuitos de monitoreo de aislamiento. Cuando ocurre una falla de conexión a tierra en una determinada fase, el diodo conduce para formar una pequeña corriente y el dispositivo de monitoreo localiza el punto de falla al detectar esta corriente. Al mismo tiempo, el diodo limita la amplitud de la corriente de falla para evitar daños al equipo.
4, puntos técnicos clave en la práctica de la ingeniería.
(1) Selección de diodos y coincidencia de parámetros
En aplicaciones de microrredes, la selección de diodos debe tener en cuenta los siguientes parámetros:

Tensión nominal: Debe ser mayor que la tensión máxima de funcionamiento del sistema y dejar un margen del 20%-50%. Por ejemplo, en un bus de CC de 400 V, se deben seleccionar diodos con una tensión soportada de 600 V o superior.
Corriente nominal: debe seleccionarse en función de la corriente de carga máxima y la capacidad de sobrecarga. Por ejemplo, en un sistema fotovoltaico, la corriente nominal del diodo debe ser mayor que la corriente de cortocircuito-del conjunto fotovoltaico.
Tiempo de recuperación inversa: en aplicaciones de conmutación de alta-frecuencia (como la modulación PWM), diodos de recuperación rápida con un tiempo de recuperación inversa corto (<50ns) should be selected to reduce switching losses.
Resistencia térmica y disipación de calor: la temperatura de unión del diodo debe controlarse por debajo de 150 grados y se debe seleccionar el método de disipación de calor apropiado (como enfriamiento natural, enfriamiento por aire o enfriamiento líquido) de acuerdo con el consumo de energía.
(2) Optimización de la topología del sistema
La estructura topológica de los diodos en microrredes debe diseñarse de acuerdo con requisitos específicos. Por ejemplo:

Diodo en serie: se utiliza para mejorar el nivel de tensión soportada, pero se debe prestar atención a la ecualización de tensión para evitar una ruptura por sobretensión de un diodo debido a una distribución desigual de la tensión.
Diodo paralelo: se utiliza para mejorar la capacidad de carga de corriente, pero se debe prestar atención al intercambio de corriente para evitar el sobrecalentamiento y el daño de un diodo debido a una distribución desigual de la corriente.
Topología híbrida de diodo MOSFET/IGBT: en escenarios donde se requiere un flujo de energía bidireccional, se puede utilizar una topología híbrida de diodo y MOSFET/IGBT. Por ejemplo, en los convertidores CC/CC bidireccionales, se utilizan diodos para la conducción unidireccional y MOSFET para la conducción inversa, logrando un control del flujo de energía bidireccional.
(3) Estrategia de control colaborativo
La gestión energética de diodos en microrredes debe coordinarse con estrategias de control. Por ejemplo:

Algoritmo de gestión de energía basado en diodos: al monitorear el voltaje del bus de CC y la potencia de salida de varias fuentes de energía, ajusta dinámicamente el estado de conducción de los diodos para lograr una asignación óptima de energía.
Estrategia de protección de fallas: Diseñar algoritmos de detección y aislamiento de fallas rápidos y confiables basados ​​en las características de conducción de los diodos. Por ejemplo, cuando se detecta una corriente anormal en una determinada rama, el diodo de esa rama se corta inmediatamente para evitar que la falla se propague.
5, Estudio de caso: Aplicación de diodos en microrredes insulares
El proyecto de microrred en una determinada isla adopta una arquitectura de bus de CC, que integra energía fotovoltaica, almacenamiento de energía, generadores diésel y cargas. El plan de gestión energética es el siguiente:

Sistema fotovoltaico: El conjunto fotovoltaico suministra energía al bus de 48 V CC a través de diodos, que evitan que la energía regrese al panel fotovoltaico durante la noche o durante fallas.
Sistema de almacenamiento de energía: Las baterías de litio se conectan al bus a través de un convertidor CC/CC bidireccional para lograr el control de carga y descarga de energía.
Generador diésel: como fuente de energía de respaldo, está conectado a la barra colectora a través de diodos para evitar el reflujo de energía desde la barra colectora cuando el generador está apagado.
Gestión de carga: Las cargas DC se conectan directamente al bus, mientras que las cargas AC se conectan a través de un inversor. El terminal de salida del inversor está equipado con diodos para evitar que la energía regrese al inversor en caso de fallas en la red.
Este esquema logra un aislamiento seguro y un flujo de energía unidireccional entre generadores fotovoltaicos, de almacenamiento de energía y diésel a través de diodos, lo que mejora la eficiencia del sistema al 92 % y acorta el tiempo de respuesta a fallas a 10 μs.