Як використовувати діодне випрямлення в системі вітроенергетики?

1, Технічний принцип: Базова архітектура діодного випрямлення
Основний принцип діодного випрямлення заснований на однонаправленій провідності PN-переходу. Коли позитивний напівперіод змінного струму прикладається до анода діода, PN-перехід зміщується вперед і струм проходить через нього; Під час негативного напівперіоду зворотне зміщення відключається, а струм блокується. Розумно налаштувавши кількість і спосіб підключення діодів, можна досягти перетворення змінного струму на постійний.

Напівхвильове випрямлення: використання одного діода та використання лише позитивного напівперіоду живлення змінного струму, ККД є відносно низьким (теоретичний максимум 50%), але схема проста та низька вартість, що робить її придатною для невеликих систем виробництва вітрової енергії.
Повнохвильове випрямлення: за допомогою мостової структури (4 діоди) або центрального трансформатора (2 діоди) ефективність підвищується до понад 81% за рахунок використання позитивних і негативних півперіодів змінного струму. Серед них мостове випрямлення стало основним рішенням для виробництва енергії вітру через відсутність спеціальних трансформаторів і невеликі коливання вихідної напруги.
Трифазне випрямлення: для три-фазної вихідної потужності змінного струму від вітрових турбін використовується три-фазна мостова схема випрямляча, що складається з шести діодів, щоб додатково зменшити вихідні пульсації та покращити щільність потужності. Наприклад, у системі синхронного генератора з постійним магнітом із прямим приводом, підключеної до мережі, три-фазний діодний випрямний міст перетворює три-фазну вихідну потужність змінного струму від генератора в потужність постійного струму, яка потім під’єднується до мережі через схему підвищення та інвертор.
2, Сценарій застосування: повне покриття від підключення до мережі
Технологія діодного випрямлення проходить через увесь життєвий цикл вітряних електростанцій, а сценарії її застосування охоплюють як незалежні системи, так і великомасштабні-електростанції, підключені до мережі.

Маломасштабна -система виробництва вітрової енергії поза мережею: у віддалених районах або сценаріях без покриття електромережі вітряна турбіна заряджає батарею через діодний випрямляч і подає електроенергію на навантаження через інвертор. Наприклад, автономна вітрова електростанція потужністю 5 кВт використовує три-фазну мостову схему випрямляча в поєднанні з контролем відстеження точки максимальної потужності (MPPT), щоб досягти 15% збільшення ефективності захоплення енергії вітру. При цьому односпрямована провідність діодів використовується для запобігання зворотного заряду акумуляторів, забезпечуючи безпеку системи.
Широкомасштабна{0}}система виробництва вітрової енергії, підключена до мережі: у схемі підключеного до мережі синхронного генератора з постійними магнітами з прямим приводом (PMSG) діодний випрямляч служить переднім-перетворювачем для перетворення вихідної потужності змінного струму зі змінною амплітудою та змінною частотою генератора в потужність постійного струму, а потім досягти підключення до мережі з рівним коефіцієнтом потужності через ШІМ-інвертор. Наприклад, вітряна турбіна з прямим приводом потужністю 2 МВт використовує інверторну структуру діодного випрямлення+підсилення+ШІМ з ефективністю системи 96,5%, що на 2 відсоткові пункти вище, ніж у традиційної схеми індукційного генератора з подвійним живленням (DFIG).
3, Оптимізація ефективності: прорив у всьому ланцюжку від вибору пристрою до інтеграції системи
Хоча технологія діодного випрямлення є зрілою, на її ефективність все ще впливають характеристики пристрою, топологія схеми та стратегії керування. Галузь досягає прориву в ефективності такими шляхами:

Вибір пристрою: ітерація від кремнію до карбіду кремнію: традиційні діоди на основі кремнію- мають такі проблеми, як високі втрати при зворотному відновленні та низька-температурна продуктивність. Діоди з карбіду кремнію (SiC) стали кращим вибором для сценаріїв із високою-частотою та високою-напругою завдяки їхнім перевагам у нульовому відновленні зворотного заряду (Qrr ≈ 0) і стабільності при високій температурі (температура переходу до 200 градусів). Наприклад, після заміни кремнієвих-пристроїв діодами SiC втрати випрямляча офшорної вітрової турбіни потужністю 10 МВт зменшилися на 40%, а ефективність системи підвищилася до 97,2%.
Інноваційна топологія: Оновлення від неконтрольованого до контрольованого: хоча структура неконтрольованого діодного випрямлення проста, вона має такі проблеми, як високі гармоніки струму та низький коефіцієнт потужності. Технологія ШІМ-випрямлення забезпечує синусоїдальний струм на стороні машини через повністю керовані пристрої, такі як IGBT, усуваючи гармонічне забруднення. Наприклад, у вітряній турбіні потужністю 3 МВт використовується структура --back-to-back ШІМ-випрямлення+ШІМ-інвертор для досягнення чотирьохквадрантної роботи з коефіцієнтом потужності до 0,99 і коефіцієнтом гармонійних спотворень (THD) менше 3%.
Управління температурою: еволюція від природного охолодження до рідинного охолодження: 70% втрат діода перетворюються на тепло, і на кожні 10 градусів підвищення температури переходу зворотний заряд відновлення збільшується на 15%-20%. Технологія рідинного охолодження стабілізує температуру переходу нижче 150 градусів шляхом безпосереднього охолодження діодного чіпа, тим самим подовжуючи термін служби пристрою. Наприклад, після того, як офшорна вітрова турбіна потужністю 15 МВт прийняла схему розсіювання тепла рідинним охолодженням, термін служби діода було подовжено з 8 років до 15 років, а витрати на експлуатацію та технічне обслуговування зменшилися на 40%.