Qual é o papel dos diodos em sistemas distribuídos de fornecimento de energia eólica?

1, circuito de retificação: alcançar conversão eficiente de AC para DC
Uma das principais funções de um sistema distribuído de fornecimento de energia eólica é converter a saída de energia CA das turbinas eólicas em energia CC para armazenamento em baterias ou acionamento direto de cargas CC. O diodo forma uma ponte retificadora incontrolável neste processo, alcançando a "retificação de onda completa" da energia CA por meio de condutividade unidirecional, convertendo os sinais CA de meio ciclo positivos e negativos em energia CC pulsante unidirecional.

Vantagens técnicas:

Estrutura simples e confiável: a ponte retificadora não controlada de diodo trifásico requer apenas 6 diodos, sem a necessidade de circuitos de controle complexos e tem uma baixa taxa de falhas. Por exemplo, o diodo MUR60120 da Fuji (tensão suportável 1200 V, corrente nominal 60 A) é amplamente utilizado em turbinas eólicas de pequeno e médio- porte, com uma queda de tensão de condução de apenas 0,7 V e uma eficiência de retificação de 98,5% em sistemas de nível de 10 kW.
Custo-benefício significativo-: em comparação com circuitos retificadores controláveis ​​compostos de IGBT ou MOSFET, o custo da ponte retificadora de diodo é reduzido em mais de 60% e não há necessidade de projeto de circuito de acionamento e dissipação de calor, reduzindo significativamente o investimento inicial do sistema.
Adapte-se a ambientes agressivos: O diodo pode operar de forma estável na faixa de temperatura de -40 graus a 150 graus, suportar altas temperaturas, poeira e vibração em cenários de geração de energia eólica e ter uma vida útil de mais de 20 anos.
Caso de engenharia:
Um parque eólico offshore usa válvula retificadora de diodo para substituir a tradicional válvula retificadora modular de vários{0}níveis (MMC). Sob a mesma capacidade de transmissão, a estação conversora reduziu o volume em 80%, o peso em 65% e o tempo de instalação em 20%. A principal razão é que a válvula retificadora de diodo não precisa controlar independentemente cada submódulo, reduzindo a probabilidade de falha em 90% e reduzindo a perda de condução em 20% em comparação com o MMC, resultando em um aumento de 3,2% na eficiência do sistema.

2, Proteção anti-conexão reversa: construindo a primeira linha de defesa para segurança do sistema
A interface de carregamento do sistema distribuído de fornecimento de energia eólica precisa ser compatível com múltiplas entradas de energia (como energia elétrica, geradores a diesel e baterias). Se o usuário inverter acidentalmente a polaridade da fonte de alimentação, isso poderá causar a queima dos capacitores internos, MOSFETs e outros componentes do controlador. Ao conectar diodos em série na entrada de energia, um circuito de proteção anti-reversão de baixo-custo e altamente confiável pode ser construído.

Pontos de projeto:

Otimização da queda de tensão de condução direta: os diodos Schottky (como MBR1045CT) têm uma queda de tensão direta de apenas 0,3V e, em controladores de nível de 5kW, a perda de condução é inferior a 0,6%, muito menor que os diodos de silício tradicionais (0,7V).
Controle de corrente de fuga reversa: ICs de diodo ideais (como LTC4412) podem suprimir a corrente de fuga reversa para menos de 1 μ A, evitando a degradação da capacidade da bateria devido à corrente de fuga no modo de espera.
Supressão de corrente de surto: Ao conectar termistores NTC em paralelo com diodos, a corrente de surto no momento da ligação pode ser limitada, protegendo o capacitor a jusante. Por exemplo, uma determinada marca de sistema de armazenamento de energia empilhado adota um esquema composto de "diodo Schottky + termistor NTC". No teste de conexão reversa, a corrente reversa é limitada a 10mA e o sistema não é danificado.
Análise do modo de falha:
Em um caso de manutenção de um controlador de energia eólica, devido à falta de proteção anti-reversão, o usuário conectou erroneamente a fonte de alimentação, resultando na explosão do capacitor de entrada. O plano-de melhoria subsequente adota um circuito composto de "diodo Schottky + fusível auto-recuperável", que corta o diodo e derrete o fusível quando invertido, isolando completamente a falha e reduzindo os custos de manutenção em 80%.

3, Controle do caminho de recuperação de energia: Otimizando o gerenciamento de energia dos resistores de frenagem
Quando a velocidade do vento excede o valor nominal, a turbina eólica precisa consumir o excesso de energia através do controle de passo ou resistores de frenagem. Se o circuito do resistor do freio não for projetado corretamente, a corrente reversa poderá fluir para o controlador através do diodo do corpo do IGBT, causando superaquecimento do componente. O diodo pode construir um caminho independente de recuperação de energia, garantindo que a corrente de frenagem seja liberada apenas através do resistor.

Aplicações típicas:

Diodo de roda livre do circuito Buck: Em circuitos Buck DC/DC, os diodos de roda livre (como 1N5819WS) fornecem um caminho de liberação para armazenamento de energia indutiva, evitando a geração de força eletromotriz de retorno de alta-tensão quando o IGBT é desligado. De acordo com dados de teste reais, o aumento de temperatura do resistor de frenagem usando este esquema diminuiu de 120 graus para 85 graus e a eficiência do sistema aumentou 3,2%.
Diodo anti-refluxo do circuito de reforço: Em um circuito de reforço, um diodo (como o MBR20100CT) evita que a tensão de saída retorne para o terminal de entrada, protegendo os componentes laterais de baixa-tensão. Por exemplo, depois que uma determinada marca de inversor de energia eólica de 5 kW adota esse esquema, a vida útil do resistor de frenagem é estendida três vezes e o ciclo de manutenção é estendido de 6 para 18 meses.
4, nova aplicação de material: atualização do sistema de acionamentos de diodo de carboneto de silício
Com a maturidade dos diodos de carboneto de silício (SiC), suas características de recuperação de carga reversa zero (Qrr ≈ 0) e resistência a altas temperaturas (200 graus) estão acelerando a substituição de diodos baseados em silício-no campo de fornecimento distribuído de energia eólica. Por exemplo, o diodo SiC Schottky C3D10060A da Cree reduz a perda de condução em 75% em comparação com os diodos de silício sob condições de 100A/600V, com perda de recuperação reversa próxima de zero.

Cenário de aplicação:

Conversor DC/DC de alta frequência: Os diodos SiC podem aumentar a frequência de comutação para mais de 200kHz, reduzindo significativamente o tamanho dos indutores e capacitores. Após a adoção de diodos SiC no inversor eólico de 10kW de uma determinada marca, o volume é reduzido em 40%, o peso é reduzido em 30% e a densidade de potência é aumentada para 5kW/kg.
Conversor de frequência de média tensão: Em conversores de energia eólica de 10kV, os diodos SiC podem reduzir o número de cascatas e diminuir a complexidade do sistema. A Siemens usa uma topologia de ponte H-em cascata de cinco níveis com diodos SiC para obter saída de 9 níveis, triplicar a frequência de comutação equivalente, reduzir a distorção harmônica para menos de 1,5% e reduzir o volume do filtro em 40%.