¿Cómo utilizar la rectificación de diodos en un sistema de generación de energía eólica?

1. Principio técnico: arquitectura básica de rectificación de diodos.
El principio básico de la rectificación de diodos se basa en la conductividad unidireccional de la unión PN. Cuando se aplica el semiciclo positivo de corriente alterna al ánodo del diodo, la unión PN tiene polarización directa y la corriente pasa a través de ella; Durante el semiciclo negativo, se corta la polarización inversa y se bloquea la corriente. Al configurar razonablemente el número y el método de conexión de diodos, se puede lograr la conversión de CA a CC.

Rectificación de media onda: utilizando un solo diodo y utilizando sólo el medio ciclo positivo de la energía CA, la eficiencia es relativamente baja (máximo teórico del 50%), pero el circuito es simple y el costo es bajo, lo que lo hace adecuado para pequeños sistemas de generación de energía eólica.
Rectificación de onda completa: al utilizar una estructura de puente (4 diodos) o un transformador de derivación central (2 diodos), la eficiencia aumenta a más del 81 % utilizando los medios ciclos positivos y negativos de la corriente alterna. Entre ellos, la rectificación de puentes se ha convertido en la solución principal para la generación de energía eólica debido a la falta de transformadores especiales y las pequeñas fluctuaciones del voltaje de salida.
Rectificación trifásica: para la salida de energía CA trifásica de las turbinas eólicas, se utiliza un circuito rectificador de puente trifásico que consta de seis diodos para reducir aún más la ondulación de salida y mejorar la densidad de potencia. Por ejemplo, en un sistema conectado a la red con un generador síncrono de imán permanente de accionamiento directo, un puente rectificador de diodos trifásico-convierte la salida de energía CA trifásica del generador en energía CC, que luego se conecta a la red a través de un circuito elevador y un inversor.
2, escenario de aplicación: cobertura total desde la conexión fuera de la red a la red
La tecnología de rectificación de diodos recorre todo el ciclo de vida de los sistemas de generación de energía eólica y sus escenarios de aplicación cubren tanto sistemas independientes fuera de la red como plantas eléctricas de gran-escala conectadas a la red.

Sistema de generación de energía eólica a pequeña escala-fuera de la red: en áreas remotas o escenarios sin cobertura de red, la turbina eólica carga la batería a través de un rectificador de diodos y suministra energía a la carga a través de un inversor. Por ejemplo, un sistema de generación de energía eólica fuera de la red de 5 kW adopta un circuito rectificador de puente trifásico, combinado con un control de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT), para lograr un aumento del 15 % en la eficiencia de captura de energía eólica. Al mismo tiempo, la conductividad unidireccional de los diodos se utiliza para evitar la carga inversa de las baterías, garantizando la seguridad del sistema.
Sistema de generación de energía eólica a gran escala-conectado a la red: en el esquema conectado a la red del generador síncrono de imán permanente (PMSG) de accionamiento directo, un rectificador de diodo sirve como convertidor -de entrada para convertir la salida de energía de CA de amplitud variable y frecuencia variable del generador en energía de CC, y luego lograr una conexión de red con factor de potencia unitario a través del inversor PWM. Por ejemplo, una turbina eólica de accionamiento directo de 2 MW adopta una estructura de rectificación de diodos + impulso + inversor PWM, con una eficiencia del sistema del 96,5 %, que es 2 puntos porcentuales más que el esquema tradicional de generador de inducción doblemente alimentado (DFIG).
3. Optimización de la eficiencia: un gran avance en toda la cadena, desde la selección del dispositivo hasta la integración del sistema.
Aunque la tecnología de rectificación de diodos está madura, su eficiencia aún se ve afectada por las características del dispositivo, la topología del circuito y las estrategias de control. La industria logra avances en eficiencia a través de los siguientes caminos:

Selección de dispositivo: iteración de silicio a carburo de silicio: los diodos tradicionales basados ​​en silicio-tienen problemas como altas pérdidas de recuperación inversa y un rendimiento deficiente a altas-temperaturas. Los diodos de carburo de silicio (SiC) se han convertido en la opción preferida para escenarios de alta-frecuencia y alto-voltaje debido a sus ventajas de recuperación cero de carga inversa (Qrr ≈ 0) y estabilidad de alta temperatura (temperatura de unión de hasta 200 grados). Por ejemplo, después de reemplazar los dispositivos basados ​​en silicio-por diodos de SiC, las pérdidas del rectificador de una turbina eólica marina de 10 MW se redujeron en un 40 % y la eficiencia del sistema mejoró al 97,2 %.
Innovación en topología: actualización de incontrolable a controlable: aunque la estructura de la rectificación de diodos no controlada es simple, tiene problemas como armónicos de corriente elevados y factor de potencia bajo. La tecnología de rectificación PWM logra una corriente sinusoidal en el lado de la máquina a través de dispositivos totalmente controlados como IGBT, eliminando la contaminación armónica. Por ejemplo, una turbina eólica de 3 MW adopta una estructura espalda con espalda de rectificación PWM + inversor PWM para lograr un funcionamiento de cuatro cuadrantes, con un factor de potencia de hasta 0,99 y una tasa de distorsión armónica (THD) de menos del 3 %.
Gestión térmica: Evolución de la refrigeración natural a la refrigeración líquida: el 70% de las pérdidas de los diodos se convierten en calor, y por cada aumento de 10 grados en la temperatura de la unión, la carga de recuperación inversa aumenta un 15%-20%. La tecnología de refrigeración líquida estabiliza la temperatura de la unión por debajo de 150 grados enfriando directamente el chip del diodo, extendiendo así la vida útil del dispositivo. Por ejemplo, después de que una turbina eólica marina de 15 MW adoptara un esquema de disipación de calor con refrigeración líquida, la vida útil del diodo se extendió de 8 a 15 años y los costos de operación y mantenimiento se redujeron en un 40 %.