Como os diodos auxiliam os sistemas de energia eólica na alternância entre os modos DC/AC?

一, O papel fundamental dos diodos na comutação de modo do sistema de energia eólica
1. Retificação de CA para CC: reduzindo perdas de transmissão
A saída de energia CA das turbinas eólicas precisa ser convertida em energia CC por meio de circuitos retificadores para reduzir a perda de energia durante a transmissão-de longa distância. A abordagem tradicional usa diodos baseados em silício-para formar uma ponte retificadora incontrolável, com base na condutividade unidirecional dos diodos: quando a alimentação CA está no meio ciclo positivo, os diodos conduzem e a corrente flui para o lado CC; No meio ciclo negativo, o diodo é desligado, bloqueando a corrente reversa. Por exemplo, um determinado parque eólico offshore adota um circuito retificador de ponte de quatro diodos para converter a saída de energia CA trifásica da turbina eólica em energia CC, que é transmitida para a estação conversora onshore através de um cabo submarino de 200 quilômetros, reduzindo as perdas de transmissão em mais de 30% em comparação com a solução CA.

2. Inversor CC para CA: requisitos de rede correspondentes
A estação conversora onshore precisa inverter a energia CC em energia CA para integração na rede elétrica. Embora o processo do inversor seja concluído principalmente por dispositivos totalmente controlados, como IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), os diodos ainda desempenham um papel fundamental no circuito do inversor:

Proteção de corrente contínua: No momento do desligamento do IGBT, a corrente na carga indutiva precisa ser liberada através do diodo de corrente contínua para evitar que picos de tensão danifiquem o dispositivo;
Compensação de tempo morto: No controle do inversor, deve ser definido um tempo morto para evitar conexão direta entre os tubos superior e inferior. O diodo pode fornecer um caminho para a corrente durante este período, reduzindo a distorção da forma de onda de saída.
Por exemplo, um projeto de energia eólica offshore de 500 MW adota a tecnologia MMC (Modular Multilevel Converter), com diodos antiparalelos configurados em cada submódulo para garantir a operação estável do sistema sob condições extremas.
2, Evolução da tecnologia de diodo: da retificação passiva ao controle ativo
1. Diodo de carboneto de silício: melhorando o desempenho de alta-frequência e alta-temperatura
Os diodos de silício tradicionais sofrem com um longo tempo de recuperação reversa e altas perdas em cenários de comutação de{0}alta frequência. Os diodos de carboneto de silício (SiC), com suas características de amplo bandgap, encurtam o tempo de recuperação reversa para 10ns e aumentam a frequência de chaveamento para mais de 100kHz, reduzindo significativamente as perdas do inversor. Por exemplo, após a adoção de diodos SiC Schottky em um conversor de energia eólica, a eficiência do sistema aumentou de 96% para 98,5% e a geração anual de energia aumentou cerca de 2 milhões de kWh. Além disso, os diodos SiC podem operar de forma estável em altas temperaturas de 200 graus, adaptando-se a ambientes agressivos, como alta névoa salina e alta umidade na energia eólica offshore.

2. Tecnologia de retificação síncrona: reduz a perda de condução
Em cenários de baixa tensão e alta corrente, a queda de tensão direta (VF) dos diodos torna-se a principal fonte de perdas. A tecnologia de retificação síncrona usa MOSFETs em vez de diodos e controla dinamicamente a condução e o desligamento dos MOSFETs para reduzir a queda de tensão de condução para menos de 0,01V. Por exemplo, um determinado sistema de armazenamento de energia eólica adota um circuito de retificação síncrona, que reduz a perda de 700W do diodo de silício para 10W na corrente de 1000A e melhora a eficiência em 98,6%.

3. Módulo de diodo inteligente: integração e digitalização
Os sistemas modernos de energia eólica têm requisitos de confiabilidade extremamente altos para diodos. O módulo de diodo inteligente alcança autodiagnóstico e proteção de estado integrando sensores de temperatura, chips de monitoramento de tensão e circuitos de acionamento

Proteção contra superaquecimento: Quando a temperatura da junção excede 150 graus, o módulo corta automaticamente a corrente;
Balanceamento de tensão: em grupos de diodos paralelos, o ângulo de condução é ajustado por meio de monitoramento-em tempo real para evitar sobrecarga local;
Interface de comunicação: Suporta barramento CAN ou Ethernet para fazer upload de dados operacionais para o sistema SCADA para operação e manutenção remota.
O módulo de diodo inteligente lançado por um fabricante de energia eólica foi aplicado em mais de 10 GW projetos de energia eólica em todo o mundo, com uma taxa de falhas reduzida em 80% em comparação com soluções tradicionais.
3, Cenários típicos de aplicação: da terra ao mar profundo
1. Energia eólica onshore: Transmissão de Corrente Contínua de Alta Tensão (HVDC)
Em bases de energia eólica onshore de grande-escala, o uso da tecnologia HVDC pode reduzir as perdas de transmissão e melhorar a estabilidade da rede. Como ponto de partida do HVDC, as estações retificadoras de diodo precisam suportar picos de alta tensão e alta corrente. Por exemplo, em um determinado projeto de transmissão de corrente contínua de ultra-tensão de ± 800kV, a estação retificadora adota um circuito retificador de ponte de 12 pulsos, composto por 24 diodos SiC com tensão suportável de 1200V e corrente de 600A. A capacidade anual de transmissão de uma única estação chega a 5 bilhões de kWh.

2. Energia eólica offshore: Transmissão Flexível de Corrente Contínua (VSC-HVDC)
Os parques eólicos em alto mar precisam de ser ligados à rede através de tecnologia flexível de transmissão de corrente contínua. No esquema baseado em conversor de fonte de tensão (VSC), os diodos são utilizados para:

Bypass do resistor de partida: Durante a fase de carga do conversor, o resistor é desviado através de um diodo para evitar sobretensão;
Proteção contra curto-circuito no lado CC: Quando ocorre um curto-circuito no lado CC, o diodo bloqueia rapidamente a corrente de falha, ganhando tempo para o disjuntor operar.
Um determinado projeto europeu de energia eólica offshore adota a tecnologia VSC-HVDC. A uma distância de transmissão de 200 quilômetros, o circuito de proteção de diodo reduz o tempo de remoção da falha de curto-circuito para 5 ms e reduz o tempo de recuperação do sistema de 30 minutos para 5 minutos.
3. Produção de hidrogênio de energia eólica: controle de fonte de alimentação de célula eletrolítica
No sistema de acoplamento "energia eólica + energia de hidrogênio", diodos são utilizados para controle de alimentação CC de células eletrolíticas:

Proteção anti-refluxo: Quando a flutuação da energia eólica faz com que a tensão da célula eletrolítica seja maior que a do barramento CC, o diodo bloqueia a corrente reversa para evitar danos ao equipamento;
Conexão paralela de múltiplas células eletrolíticas: A distribuição automática de corrente é obtida através de diodos para evitar a circulação paralela.
Em um projeto de demonstração de produção de hidrogênio em energia eólica de 10 MW, é usado um conjunto de células eletrolíticas isoladas por diodo, com eficiência do sistema de 75% e pureza de hidrogênio superior a 99,99%.