Come utilizzare la rettifica a diodi nel sistema di generazione di energia eolica?

1, Principio tecnico: architettura di base della rettifica a diodi
Il principio fondamentale della rettifica del diodo si basa sulla conduttività unidirezionale della giunzione PN. Quando il semiciclo positivo della corrente alternata viene applicato all'anodo del diodo, la giunzione PN è polarizzata direttamente e la corrente passa attraverso; Durante il semiciclo negativo, la polarizzazione inversa viene interrotta e la corrente viene bloccata. Configurando ragionevolmente il numero e il metodo di connessione dei diodi, è possibile ottenere la conversione da CA a CC.

Rettifica a semionda: utilizzando un singolo diodo e sfruttando solo il semiciclo positivo dell'alimentazione CA, l'efficienza è relativamente bassa (massimo teorico del 50%), ma il circuito è semplice e il costo basso, rendendolo adatto a piccoli sistemi di generazione di energia eolica.
Rettifica a onda intera: utilizzando una struttura a ponte (4 diodi) o un trasformatore con presa centrale (2 diodi), l'efficienza viene aumentata fino a oltre l'81% utilizzando i semicicli positivi e negativi della corrente alternata. Tra questi, il raddrizzamento a ponte è diventato la soluzione principale per la generazione di energia eolica grazie alla mancanza di trasformatori speciali e alle piccole fluttuazioni della tensione di uscita.
Rettifica trifase: per la potenza CA trifase in uscita dalle turbine eoliche, viene utilizzato un circuito raddrizzatore a ponte trifase composto da sei diodi per ridurre ulteriormente il ripple di uscita e migliorare la densità di potenza. Ad esempio, in un sistema collegato alla rete con generatore sincrono a magnete permanente e azionamento diretto, un ponte raddrizzatore a diodi trifase converte la potenza CA trifase in uscita dal generatore in potenza CC, che viene quindi collegata alla rete tramite un circuito boost e un inverter.
2, Scenario applicativo: copertura completa dalla connessione off-grid alla rete
La tecnologia di rettifica a diodi attraversa l'intero ciclo di vita dei sistemi di generazione di energia eolica e i suoi scenari applicativi coprono sia i sistemi indipendenti dalla rete che le centrali elettriche su larga scala-collegate alla rete.

Sistema di generazione di energia eolica su piccola scala-fuori rete: in aree remote o scenari senza copertura di rete, la turbina eolica carica la batteria tramite un raddrizzatore a diodi e fornisce energia al carico tramite un inverter. Ad esempio, un sistema di generazione di energia eolica off grid da 5 kW adotta un circuito raddrizzatore a ponte trifase, combinato con il controllo MPPT (inseguimento del punto di massima potenza), per ottenere un aumento del 15% nell'efficienza di cattura dell'energia eolica. Allo stesso tempo, la conduttività unidirezionale dei diodi viene utilizzata per impedire la ricarica inversa delle batterie, garantendo la sicurezza del sistema.
Sistema di generazione di energia eolica su larga scala-connesso alla rete: nello schema connesso alla rete del generatore sincrono a magneti permanenti a trasmissione diretta (PMSG), un raddrizzatore a diodi funge da convertitore front-end per convertire l'ampiezza variabile e la potenza CA in uscita dal generatore a frequenza variabile in potenza CC, quindi ottenere la connessione alla rete con fattore di potenza unitario tramite l'inverter PWM. Ad esempio, una turbina eolica a trasmissione diretta da 2 MW adotta una struttura di rettifica a diodi+Boost+inverter PWM, con un'efficienza del sistema del 96,5%, ovvero 2 punti percentuali in più rispetto al tradizionale schema del generatore a induzione a doppia alimentazione (DFIG).
3, Ottimizzazione dell'efficienza: una svolta nell'intera catena dalla selezione del dispositivo all'integrazione del sistema
Sebbene la tecnologia di rettifica a diodi sia matura, la sua efficienza è ancora influenzata dalle caratteristiche del dispositivo, dalla topologia del circuito e dalle strategie di controllo. L’industria raggiunge progressi in termini di efficienza attraverso i seguenti percorsi:

Selezione del dispositivo: iterazione dal silicio al carburo di silicio: i diodi tradizionali a base di silicio- presentano problemi quali elevate perdite di recupero inverso e scarse prestazioni alle alte-temperature. I diodi al carburo di silicio (SiC) sono diventati la scelta preferita per scenari ad alta-frequenza e alta-tensione grazie ai vantaggi di recupero di carica inversa pari a zero (Qrr ≈ 0) e stabilità alle alte temperature (temperatura di giunzione fino a 200 gradi). Ad esempio, dopo aver sostituito i dispositivi basati su silicio- con diodi SiC, le perdite del raddrizzatore di una turbina eolica offshore da 10 MW sono state ridotte del 40% e l'efficienza del sistema è stata migliorata al 97,2%.
Innovazione della topologia: aggiornamento da incontrollabile a controllabile: sebbene la struttura della rettifica a diodi incontrollata sia semplice, presenta problemi come armoniche di corrente elevate e basso fattore di potenza. La tecnologia di rettifica PWM raggiunge la corrente sinusoidale sul lato macchina attraverso dispositivi completamente controllati come IGBT, eliminando l'inquinamento armonico. Ad esempio, una turbina eolica da 3 MW adotta una struttura back-to-back di rettifica PWM+inverter PWM per ottenere un funzionamento a quattro quadranti, con un fattore di potenza fino a 0,99 e un tasso di distorsione armonica (THD) inferiore al 3%.
Gestione termica: Evoluzione dal raffreddamento naturale al raffreddamento a liquido: il 70% delle perdite dei diodi viene convertito in calore e per ogni aumento di 10 gradi della temperatura di giunzione, la carica di recupero inverso aumenta del 15%-20%. La tecnologia di raffreddamento a liquido stabilizza la temperatura di giunzione al di sotto di 150 gradi raffreddando direttamente il chip del diodo, prolungando così la durata del dispositivo. Ad esempio, dopo che una turbina eolica offshore da 15 MW ha adottato uno schema di dissipazione del calore con raffreddamento a liquido, la durata del diodo è stata estesa da 8 a 15 anni e i costi di funzionamento e manutenzione sono stati ridotti del 40%.