Как использовать диодное выпрямление в системе ветроэнергетики?

1. Технический принцип: базовая архитектура диодного выпрямления.
Основной принцип диодного выпрямления основан на однонаправленной проводимости PN-перехода. Когда положительный полупериод переменного тока подается на анод диода, PN-переход смещается в прямом направлении и через него проходит ток; Во время отрицательного полупериода обратное смещение отключается и ток блокируется. Разумно настроив количество и способ подключения диодов, можно добиться преобразования переменного тока в постоянный.

Полупериодное выпрямление: при использовании одного диода и использовании только положительного полупериода переменного тока эффективность относительно низкая (теоретический максимум 50%), но схема проста и имеет низкую стоимость, что делает ее подходящей для небольших систем генерации ветровой энергии.
Полноволновое выпрямление: при использовании мостовой структуры (4 диода) или трансформатора с центральным отводом (2 диода) эффективность увеличивается до более чем 81% за счет использования положительного и отрицательного полупериода переменного тока. Среди них мостовое выпрямление стало основным решением для производства ветровой энергии из-за отсутствия специальных трансформаторов и небольших колебаний выходного напряжения.
Трехфазное выпрямление. Для трехфазного переменного тока, вырабатываемого ветряными турбинами, используется трехфазная мостовая выпрямительная схема, состоящая из шести диодов, для дальнейшего снижения выходных пульсаций и повышения удельной мощности. Например, в системе, подключенной к сети синхронного генератора с постоянными магнитами и прямым приводом, трехфазный диодный выпрямительный мост преобразует трехфазную мощность переменного тока, выходную генератором, в мощность постоянного тока, которая затем подключается к сети через повышающую цепь и инвертор.
2. Сценарий применения: полное покрытие от сети до подключения к сети.
Технология диодного выпрямления применяется на протяжении всего жизненного цикла ветроэнергетических систем, а сценарии ее применения охватывают как автономные системы, так и крупные-электростанции, подключенные к сети.

Небольшая автономная-система производства энергии ветром. В отдаленных районах или в условиях отсутствия покрытия сети ветряная турбина заряжает батарею через диодный выпрямитель и подает питание на нагрузку через инвертор. Например, в автономной ветроэнергетической системе мощностью 5 кВт используется трехфазная мостовая выпрямительная схема в сочетании с контролем точки максимальной мощности (MPPT), что позволяет повысить эффективность улавливания энергии ветра на 15 %. При этом однонаправленная проводимость диодов используется для предотвращения обратной зарядки аккумуляторов, обеспечивая безопасность системы.
Крупномасштабная-система производства ветровой энергии, подключенная к сети. В схеме синхронного генератора с постоянными магнитами с прямым приводом и постоянными магнитами (PMSG) диодный выпрямитель служит входным-преобразователем для преобразования выходной мощности переменного тока переменной амплитуды и частоты, выдаваемой генератором, в мощность постоянного тока, а затем обеспечивает подключение к сети с коэффициентом мощности, равным единице, через инвертор ШИМ. Например, ветряная турбина с прямым приводом мощностью 2 МВт использует инверторную структуру диодного выпрямления + повышения + ШИМ с КПД системы 96,5%, что на 2 процентных пункта выше, чем у традиционной схемы индукционного генератора с двойным питанием (DFIG).
3. Оптимизация эффективности: прорыв во всей цепочке от выбора устройства до системной интеграции.
Хотя технология диодного выпрямления уже сложилась, на ее эффективность все еще влияют характеристики устройства, топология схемы и стратегии управления. Отрасль достигает прорыва в эффективности следующими путями:

Выбор устройства: переход от кремния к карбиду кремния. Традиционные диоды на основе кремния-имеют такие проблемы, как высокие потери обратного восстановления и плохие-высокотемпературные характеристики. Диоды из карбида кремния (SiC) стали предпочтительным выбором для сценариев с высокой-частотой и высоким-напряжением из-за их преимуществ нулевого обратного восстановления заряда (Qrr ≈ 0) и высокой температурной стабильности (температура перехода до 200 градусов). Например, после замены устройств на основе кремния-диодами SiC потери выпрямителя морской ветряной турбины мощностью 10 МВт были снижены на 40 %, а эффективность системы повысилась до 97,2 %.
Инновация в топологии: переход от неуправляемого к управляемому: Хотя структура неуправляемого диодного выпрямления проста, у нее есть такие проблемы, как высокие гармоники тока и низкий коэффициент мощности. Технология выпрямления ШИМ обеспечивает синусоидальный ток на стороне машины с помощью полностью контролируемых устройств, таких как IGBT, устраняя гармоническое загрязнение. Например, ветряная турбина мощностью 3 МВт использует обратную--структуру ШИМ-выпрямления + ШИМ-инвертор для достижения четырехквадрантной работы с коэффициентом мощности до 0,99 и коэффициентом гармонических искажений (THD) менее 3%.
Управление температурным режимом: Эволюция от естественного охлаждения к жидкостному охлаждению: 70% потерь диодов преобразуются в тепло, и на каждые 10 градусов повышения температуры перехода заряд обратного восстановления увеличивается на 15%-20%. Технология жидкостного охлаждения стабилизирует температуру перехода ниже 150 градусов за счет непосредственного охлаждения диодного чипа, тем самым продлевая срок службы устройства. Например, после того, как морская ветряная турбина мощностью 15 МВт приняла схему отвода тепла с жидкостным охлаждением, срок службы диодов увеличился с 8 до 15 лет, а затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание сократились на 40%.