Hoe helpen diodes windenergiesystemen bij het schakelen tussen DC/AC-modi?

一, De fundamentele rol van diodes bij het schakelen tussen windenergiesystemen
1. Rectificatie van AC naar DC: vermindering van transmissieverliezen
Het wisselstroomvermogen van windturbines moet via gelijkrichtercircuits worden omgezet in gelijkstroom om het energieverlies tijdens transmissie over lange- afstanden te verminderen. De traditionele aanpak maakt gebruik van op silicium- gebaseerde diodes om een ​​oncontroleerbare gelijkrichtbrug te vormen, gebaseerd op de unidirectionele geleidbaarheid van de diodes: wanneer de wisselstroom zich in de positieve halve cyclus bevindt, geleiden de diodes en vloeit de stroom naar de gelijkstroomzijde; Bij de negatieve halve cyclus wordt de diode uitgeschakeld, waardoor de tegenstroom wordt geblokkeerd. Een bepaald offshore windpark maakt bijvoorbeeld gebruik van een bruggelijkrichtercircuit met vier dioden om het driefasige wisselstroomvermogen van de windturbine om te zetten in gelijkstroom, dat via een onderzeese kabel van 200 kilometer naar het onshore convertorstation wordt verzonden, waardoor de transmissieverliezen met meer dan 30% worden verminderd in vergelijking met de AC-oplossing.

2. DC naar AC-omvormer: passend bij de netvereisten
Het onshore converterstation moet gelijkstroom omzetten in wisselstroom voor integratie in het elektriciteitsnet. Hoewel het inverterproces voornamelijk wordt voltooid door volledig gecontroleerde apparaten zoals IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), spelen diodes nog steeds een sleutelrol in het invertercircuit:

Continue stroombeveiliging: op het moment dat IGBT wordt uitgeschakeld, moet de stroom in de inductieve belasting worden vrijgegeven via de continue stroomdiode om te voorkomen dat spanningspieken het apparaat beschadigen;
Dodetijdcompensatie: Bij inverterbesturing moet een dode tijd worden ingesteld om directe verbinding tussen de bovenste en onderste buizen te voorkomen. De diode kan gedurende deze periode een stroompad verschaffen, waardoor vervorming van de uitgangsgolfvorm wordt verminderd.
Een offshore windenergieproject van 500 MW maakt bijvoorbeeld gebruik van MMC-technologie (Modular Multilevel Converter), waarbij in elke submodule anti-parallelle diodes zijn geconfigureerd om een ​​stabiele werking van het systeem onder extreme omstandigheden te garanderen.
2, Evolutie van diodetechnologie: van passieve gelijkrichting naar actieve regeling
1. Siliciumcarbidediode: verbetering van de prestaties bij hoge- frequentie en hoge- temperaturen
Traditionele siliciumdiodes hebben te kampen met een lange omgekeerde hersteltijd en hoge verliezen in hoogfrequente schakelscenario's. Siliciumcarbide (SiC) diodes, met hun brede bandgap-karakteristieken, verkorten de omgekeerde hersteltijd tot binnen 10 ns en verhogen de schakelfrequentie tot meer dan 100 kHz, waardoor de verliezen van de omvormer aanzienlijk worden verminderd. Na het gebruik van SiC Schottky-diodes in een windenergieomzetter nam de systeemefficiëntie bijvoorbeeld toe van 96% naar 98,5%, en nam de jaarlijkse stroomopwekking toe met ongeveer 2 miljoen kWh. Bovendien kunnen SiC-diodes stabiel werken bij hoge temperaturen van 200 graden, waardoor ze zich aanpassen aan zware omstandigheden zoals hoge zoutnevel en hoge luchtvochtigheid bij offshore windenergie.

2. Synchrone rectificatietechnologie: verminder geleidingsverlies
In scenario's met lage spanning en hoge stroom wordt de voorwaartse spanningsval (VF) van diodes de belangrijkste bron van verliezen. Synchrone rectificatietechnologie maakt gebruik van MOSFET's in plaats van diodes, en regelt dynamisch de geleiding en uitschakeling van MOSFET's om de geleidingsspanningsval tot onder 0,01 V te verminderen. Een bepaald windenergieopslagsysteem maakt bijvoorbeeld gebruik van een synchroon gelijkrichtcircuit, dat het verlies van 700 W aan siliciumdioden vermindert tot 10 W bij een stroomsterkte van 1000 A, en de efficiëntie met 98,6% verbetert.

3. Intelligente diodemodule: integratie en digitalisering
Moderne windenergiesystemen stellen extreem hoge betrouwbaarheidseisen aan diodes. De intelligente diodemodule bereikt zelfdiagnose en bescherming door temperatuursensoren, spanningsbewakingschips en stuurcircuits te integreren

Beveiliging tegen oververhitting: wanneer de junctietemperatuur 150 graden overschrijdt, onderbreekt de module automatisch de stroom;
Spanningsbalancering: in parallelle diodegroepen wordt de geleidingshoek aangepast via realtime monitoring om lokale overbelasting te voorkomen;
Communicatie-interface: Ondersteunt CAN-bus of Ethernet om operationele gegevens naar het SCADA-systeem te uploaden voor bediening en onderhoud op afstand.
De intelligente diodemodule, gelanceerd door een fabrikant van windenergie, is wereldwijd toegepast in meer dan 10 GW windenergieprojecten, waarbij het uitvalpercentage met 80% is verlaagd vergeleken met traditionele oplossingen.
3, Typische toepassingsscenario's: van land tot diepzee
1. Windenergie op land: hoogspanningsgelijkstroomtransmissie (HVDC)
Bij grootschalige onshore windenergiebases kan het gebruik van HVDC-technologie transmissieverliezen verminderen en de netstabiliteit verbeteren. Als uitgangspunt voor HVDC moeten diodegelijkrichterstations bestand zijn tegen hoge spanning en hoge stroompieken. In een bepaald ± 800 kV ultra-gelijkstroomtransmissieproject met hoge spanning gebruikt het gelijkrichtstation bijvoorbeeld een gelijkrichtcircuit met 12 pulsbruggen, bestaande uit 24 SiC-diodes met een weerstandsspanning van 1200 V en een stroomsterkte van 600 A. De jaarlijkse transmissiecapaciteit van één enkel station bedraagt ​​5 miljard kWh.

2. Windenergie op zee: flexibele gelijkstroomtransmissie (VSC-HVDC)
Diepzeewindparken moeten via flexibele gelijkstroomtransmissietechnologie op het elektriciteitsnet worden aangesloten. In het schema op basis van de spanningsbronomzetter (VSC) worden diodes gebruikt voor:

Bypass startweerstand: Tijdens de laadfase van de omvormer wordt de weerstand via een diode omzeild om overspanning te voorkomen;
Kortsluitbeveiliging aan DC-zijde: Wanneer er kortsluiting optreedt aan de DC-zijde, blokkeert de diode snel de foutstroom, waardoor er tijd wordt gewonnen voordat de stroomonderbreker in werking treedt.
Een bepaald Europees offshore windenergieproject maakt gebruik van VSC-HVDC-technologie. Bij een transmissieafstand van 200 kilometer verkort het diodebeschermingscircuit de tijd voor het verwijderen van kortsluit- circuitfouten tot 5 ms en reduceert de systeemhersteltijd van 30 minuten naar 5 minuten.
3. Productie van waterstof uit windenergie: controle van de stroomvoorziening van elektrolytische cellen
In het koppelingssysteem "windenergie + waterstofenergie" worden diodes gebruikt voor de gelijkstroomvoedingsregeling van elektrolytische cellen:

Anti-terugstroombeveiliging: wanneer de fluctuatie van de windenergie ervoor zorgt dat de spanning van de elektrolytische cel hoger is dan die van de DC-bus, blokkeert de diode de tegenstroom om schade aan de apparatuur te voorkomen;
Parallelle aansluiting van meerdere elektrolytische cellen: Automatische stroomverdeling wordt bereikt via diodes om parallelle circulatie te voorkomen.
In een demonstratieproject voor de productie van waterstof uit windenergie van 10 MW wordt een diode-geïsoleerde elektrolytische celreeks gebruikt, met een systeemefficiëntie van 75% en een waterstofzuiverheid van meer dan 99,99%.