¿Cómo ayudan los diodos a los sistemas de energía eólica a cambiar entre modos CC/CA?

一, El papel fundamental de los diodos en la conmutación de modo del sistema de energía eólica.
1. Rectificación de CA a CC: reduciendo las pérdidas de transmisión
La energía de CA producida por las turbinas eólicas debe convertirse en energía de CC a través de circuitos rectificadores para reducir la pérdida de energía durante la transmisión de larga-distancia. El enfoque tradicional utiliza diodos basados ​​en silicio-para formar un puente rectificador incontrolable, basado en la conductividad unidireccional de los diodos: cuando la alimentación de CA está en el semiciclo positivo, los diodos conducen y la corriente fluye hacia el lado de CC; En el semiciclo negativo, el diodo se apaga, bloqueando la corriente inversa. Por ejemplo, un determinado parque eólico marino adopta un circuito rectificador de puente de cuatro diodos para convertir la potencia de CA trifásica producida por la turbina eólica en energía de CC, que se transmite a la estación convertidora en tierra a través de un cable submarino de 200 kilómetros, lo que reduce las pérdidas de transmisión en más de un 30 % en comparación con la solución de CA.

2. Inversor de CC a CA: adaptación a los requisitos de la red
La estación convertidora terrestre necesita invertir la energía CC en energía CA para su integración en la red eléctrica. Aunque el proceso del inversor se completa principalmente mediante dispositivos totalmente controlados como IGBT (transistor bipolar de puerta aislada), los diodos siguen desempeñando un papel clave en el circuito del inversor:

Protección de corriente continua: en el momento en que se apaga el IGBT, la corriente en la carga inductiva debe liberarse a través del diodo de corriente continua para evitar que los picos de voltaje dañen el dispositivo;
Compensación de tiempo muerto: En el control del inversor se debe establecer un tiempo muerto para evitar la conexión directa entre los tubos superior e inferior. El diodo puede proporcionar un camino para la corriente durante este período, reduciendo la distorsión de la forma de onda de salida.
Por ejemplo, un proyecto de energía eólica marina de 500 MW adopta la tecnología MMC (Modular Multilevel Converter), con diodos antiparalelos configurados en cada submódulo para garantizar un funcionamiento estable del sistema en condiciones extremas.
2, Evolución de la tecnología de diodos: de la rectificación pasiva al control activo
1. Diodo de carburo de silicio: mejora del rendimiento de alta-frecuencia y alta-temperatura
Los diodos de silicio tradicionales sufren un largo tiempo de recuperación inversa y altas pérdidas en escenarios de conmutación de alta-frecuencia. Los diodos de carburo de silicio (SiC), con sus características de banda prohibida amplia, acortan el tiempo de recuperación inversa a 10 ns y aumentan la frecuencia de conmutación a más de 100 kHz, lo que reduce significativamente las pérdidas del inversor. Por ejemplo, después de adoptar diodos Schottky de SiC en un convertidor de energía eólica, la eficiencia del sistema aumentó del 96% al 98,5% y la generación de energía anual aumentó en aproximadamente 2 millones de kWh. Además, los diodos de SiC pueden funcionar de manera estable a altas temperaturas de 200 grados, adaptándose a entornos hostiles como alta niebla salina y alta humedad en la energía eólica marina.

2. Tecnología de rectificación síncrona: reduce la pérdida de conducción
En escenarios de baja tensión y alta corriente, la caída de tensión directa (VF) de los diodos se convierte en la principal fuente de pérdidas. La tecnología de rectificación síncrona utiliza MOSFET en lugar de diodos y controla dinámicamente la conducción y el apagado de los MOSFET para reducir la caída de voltaje de conducción por debajo de 0,01 V. Por ejemplo, cierto sistema de almacenamiento de energía eólica adopta un circuito de rectificación síncrono, que reduce la pérdida de 700 W de diodo de silicio a 10 W con una corriente de 1000 A y mejora la eficiencia en un 98,6 %.

3. Módulo de diodos inteligentes: integración y digitalización
Los sistemas de energía eólica modernos exigen una fiabilidad extremadamente alta a los diodos. El módulo de diodo inteligente logra autodiagnóstico y protección del estado mediante la integración de sensores de temperatura, chips de monitoreo de voltaje y circuitos de conducción.

Protección contra sobrecalentamiento: cuando la temperatura de la unión supera los 150 grados, el módulo corta automáticamente la corriente;
Equilibrio de voltaje: en grupos de diodos paralelos, el ángulo de conducción se ajusta mediante monitoreo en tiempo real-para evitar sobrecargas locales;
Interfaz de comunicación: Admite bus CAN o Ethernet para cargar datos operativos al sistema SCADA para operación y mantenimiento remotos.
El módulo de diodo inteligente lanzado por un fabricante de energía eólica se ha aplicado en más de 10 GW de proyectos de energía eólica en todo el mundo, con una tasa de fallos reducida en un 80 % en comparación con las soluciones tradicionales.
3, escenarios de aplicación típicos: desde tierra hasta aguas profundas
1. Energía eólica terrestre: Transmisión de corriente continua de alto voltaje (HVDC)
En las bases de energía eólica terrestre-a gran escala, el uso de la tecnología HVDC puede reducir las pérdidas de transmisión y mejorar la estabilidad de la red. Como punto de partida de HVDC, las estaciones rectificadoras de diodos deben soportar sobretensiones de alta tensión y corriente. Por ejemplo, en un determinado proyecto de transmisión de corriente continua de voltaje ultra- de ± 800 kV, la estación rectificadora adopta un circuito rectificador de puente de 12 pulsos, que consta de 24 diodos de SiC con un voltaje soportado de 1200 V y una corriente de 600 A. La capacidad de transmisión anual de una sola estación alcanza los 5 mil millones de kWh.

2. Energía eólica marina: Transmisión Flexible de Corriente Continua (VSC-HVDC)
Los parques eólicos marinos deben conectarse a la red mediante una tecnología flexible de transmisión de corriente continua. En el esquema basado en convertidor de fuente de voltaje (VSC), los diodos se utilizan para:

Bypass de resistencia de arranque: durante la fase de carga del convertidor, la resistencia se deriva a través de un diodo para evitar sobretensiones;
Protección contra cortocircuitos del lado de CC: cuando se produce un cortocircuito en el lado de CC, el diodo bloquea rápidamente la corriente de falla, ganando tiempo para que funcione el disyuntor.
Un determinado proyecto europeo de energía eólica marina adopta la tecnología VSC-HVDC. A una distancia de transmisión de 200 kilómetros, el circuito de protección de diodos acorta el tiempo de eliminación de fallas de cortocircuito-a 5 ms y reduce el tiempo de recuperación del sistema de 30 minutos a 5 minutos.
3. Producción de hidrógeno mediante energía eólica: control del suministro de energía de las células electrolíticas.
En el sistema de acoplamiento "energía eólica+energía de hidrógeno", se utilizan diodos para el control del suministro de energía CC de las celdas electrolíticas:

Protección contra reflujo: cuando la fluctuación de la energía eólica hace que el voltaje de la celda electrolítica sea mayor que el del bus de CC, el diodo bloquea la corriente inversa para evitar daños al equipo;
Conexión en paralelo de múltiples celdas electrolíticas: La distribución automática de la corriente se logra a través de diodos para evitar la circulación en paralelo.
En un proyecto de demostración de producción de hidrógeno con energía eólica de 10 MW, se utiliza un conjunto de celdas electrolíticas aisladas por diodos, con una eficiencia del sistema del 75 % y una pureza del hidrógeno superior al 99,99 %.