Jak diody pomáhají systémům větrné energie při přepínání mezi režimy DC/AC?

一, Základní role diod při přepínání režimů větrných elektráren
1. Usměrnění ze AC na DC: snížení ztrát při přenosu
Střídavý výkon větrných turbín je třeba převést na stejnosměrný výkon prostřednictvím usměrňovacích obvodů, aby se snížily ztráty energie při přenosu na dlouhé-vzdálenosti. Tradiční přístup používá diody na bázi křemíku{2}} k vytvoření nekontrolovatelného usměrňovacího můstku, založeného na jednosměrné vodivosti diod: když je střídavý proud v kladném polovičním cyklu, diody vedou a proud teče na stejnosměrnou stranu; Při záporné polovině cyklu se dioda vypne a zablokuje zpětný proud. Například jistá pobřežní větrná farma využívá usměrňovací obvod se čtyřmi diodovými můstky pro přeměnu třífázového střídavého proudu větrné turbíny na stejnosměrný proud, který je přenášen do pobřežní konvertorové stanice pomocí 200kilometrového podmořského kabelu, což snižuje přenosové ztráty o více než 30 % ve srovnání se střídavým řešením.

2. Střídač stejnosměrného na střídavý proud: vyhovující požadavkům sítě
Pobřežní konvertorová stanice potřebuje invertovat stejnosměrný proud na střídavý proud pro integraci do elektrické sítě. Přestože proces invertoru je převážně dokončen plně řízenými zařízeními, jako je IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), diody stále hrají klíčovou roli v obvodu invertoru:

Ochrana trvalého proudu: V okamžiku vypnutí IGBT musí být proud v indukční zátěži uvolněn přes diodu trvalého proudu, aby se zabránilo poškození zařízení napěťovými špičkami;
Kompenzace mrtvého času: Při řízení invertoru by měla být nastavena mrtvá doba, aby se zabránilo přímému spojení mezi horní a spodní trubicí. Dioda může poskytnout cestu pro proud během této doby, čímž se sníží zkreslení výstupního tvaru vlny.
Například 500MW projekt větrné elektrárny na moři využívá technologii MMC (Modular Multilevel Converter) s antiparalelními diodami konfigurovanými v každém submodulu, aby byl zajištěn stabilní provoz systému v extrémních podmínkách.
2, Vývoj technologie diod: od pasivního usměrnění k aktivnímu řízení
1. Dioda z karbidu křemíku: zlepšení vysoko-frekvenčního a-vysokoteplotního výkonu
Tradiční křemíkové diody trpí dlouhou dobou zpětného zotavení a vysokými ztrátami ve scénářích vysokofrekvenčního přepínání{0}}. Diody z karbidu křemíku (SiC) se svými charakteristikami se širokým pásmovým odstupem zkracují dobu zpětného zotavení na 10 ns a zvyšují spínací frekvenci na více než 100 kHz, což výrazně snižuje ztráty invertoru. Například po použití SiC Schottkyho diod v měniči větrné energie se účinnost systému zvýšila z 96 % na 98,5 % a roční výroba energie se zvýšila o přibližně 2 miliony kWh. Kromě toho mohou SiC diody pracovat stabilně při vysokých teplotách 200 stupňů a přizpůsobit se drsnému prostředí, jako je vysoká solná mlha a vysoká vlhkost v pobřežních větrných elektrárnách.

2. Technologie synchronního usměrnění: snížení ztrát vedení
Ve scénářích nízkého napětí a vysokého proudu se hlavním zdrojem ztrát stává pokles napětí v propustném směru (VF) diod. Technologie synchronního usměrnění využívá MOSFETy místo diod a dynamicky řídí vodivost a vypínání MOSFETů, aby se snížil pokles kondukčního napětí pod 0,01V. Například určitý systém akumulace větrné energie využívá synchronní usměrňovací obvod, který snižuje ztrátu ze 700 W křemíkové diody na 10 W při proudu 1 000 A a zlepšuje účinnost o 98,6 %.

3. Inteligentní diodový modul: integrace a digitalizace
Moderní větrné elektrárny mají extrémně vysoké požadavky na spolehlivost diod. Inteligentní diodový modul dosahuje stavové autodiagnostiky a ochrany integrací teplotních senzorů, čipů pro monitorování napětí a řídicích obvodů

Ochrana proti přehřátí: Když teplota přechodu překročí 150 stupňů, modul automaticky přeruší proud;
Vyrovnávání napětí: V paralelních skupinách diod se úhel vedení upravuje monitorováním v reálném čase-, aby se zabránilo místnímu přetížení;
Komunikační rozhraní: Podporuje sběrnici CAN nebo Ethernet pro nahrávání provozních dat do SCADA systému pro vzdálenou obsluhu a údržbu.
Inteligentní diodový modul uvedený na trh výrobcem větrných elektráren byl použit ve více než 10GW projektech větrných elektráren po celém světě, přičemž poruchovost byla snížena o 80 % ve srovnání s tradičními řešeními.
3, Typické scénáře použití: od země po hluboké moře
1. Pobřežní větrná energie: Vysokonapěťový přenos stejnosměrného proudu (HVDC)
Ve velkých-pobřežních větrných elektrárnách může použití technologie HVDC snížit přenosové ztráty a zlepšit stabilitu sítě. Jako výchozí bod HVDC musí diodové usměrňovací stanice odolávat vysokonapěťovým a vysokým proudovým rázům. Například v určitém projektu přenosu stejnosměrného proudu ultra{4}}vysokého napětí ± 800 kV využívá usměrňovací stanice 12pulzní můstkový usměrňovací obvod sestávající z 24 SiC diod s výdržným napětím 1200 V a proudem 600 A. Roční přenosová kapacita jedné stanice dosahuje 5 miliard kWh.

2. Větrná energie na moři: Flexibilní přenos stejnosměrného proudu (VSC-HVDC)
Hlubinné větrné farmy musí být připojeny k síti prostřednictvím flexibilní technologie přenosu stejnosměrného proudu. Ve schématu založeném na převodníku zdroje napětí (VSC) se diody používají pro:

Přemostění startovacího odporu: Během nabíjecí fáze převodníku je rezistor přemostěn přes diodu, aby se zabránilo přepětí;
Ochrana proti zkratu na stejnosměrné straně: Když dojde ke zkratu na stejnosměrné straně, dioda rychle zablokuje poruchový proud, čímž získá čas pro činnost jističe.
Jistý evropský projekt větrné elektrárny na moři využívá technologii VSC-HVDC. Při přenosové vzdálenosti 200 kilometrů zkracuje ochranný obvod diody-čas odstranění zkratové poruchy na 5 ms a zkracuje dobu obnovy systému z 30 minut na 5 minut.
3. Výroba vodíku z větrné energie: řízení napájení elektrolytických článků
Ve spojovacím systému „větrná energie + vodíková energie“ se diody používají pro řízení stejnosměrného napájení elektrolytických článků:

Ochrana proti zpětnému toku: Když kolísání větrné energie způsobí, že napětí elektrolytického článku je vyšší než DC sběrnice, dioda zablokuje zpětný proud, aby se zabránilo poškození zařízení;
Paralelní připojení více elektrolytických článků: Automatická distribuce proudu je dosažena pomocí diod, aby se zabránilo paralelní cirkulaci.
V demonstračním projektu výroby vodíku z větrné elektrárny o výkonu 10 MW je použito diodově izolované pole elektrolytických článků s účinností systému 75 % a čistotou vodíku přesahující 99,99 %.