Wie unterstützen Dioden Windkraftanlagen beim Wechsel zwischen DC/AC-Modus?

一, Die grundlegende Rolle von Dioden bei der Modusumschaltung von Windkraftanlagen
1. Gleichrichtung von Wechselstrom zu Gleichstrom: Reduzierung der Übertragungsverluste
Der von Windkraftanlagen abgegebene Wechselstrom muss über Gleichrichterschaltungen in Gleichstrom umgewandelt werden, um Energieverluste bei der Übertragung über große Entfernungen zu reduzieren. Beim herkömmlichen Ansatz werden Dioden auf Silizium--Basis verwendet, um eine unkontrollierbare Gleichrichterbrücke zu bilden, die auf der unidirektionalen Leitfähigkeit der Dioden basiert: Wenn sich der Wechselstrom in der positiven Halbwelle befindet, leiten die Dioden und der Strom fließt zur Gleichstromseite; Bei der negativen Halbwelle wird die Diode ausgeschaltet und der Rückstrom blockiert. Beispielsweise verwendet ein bestimmter Offshore-Windpark eine Vier-Dioden-Brückengleichrichterschaltung, um den von der Windkraftanlage abgegebenen dreiphasigen Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln, der über ein 200 Kilometer langes Unterseekabel an die Konverterstation an Land übertragen wird, wodurch Übertragungsverluste im Vergleich zur Wechselstromlösung um mehr als 30 % reduziert werden.

2. DC-zu-AC-Wechselrichter: Anpassung an die Netzanforderungen
Die Konverterstation an Land muss für die Integration in das Stromnetz Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln. Obwohl der Wechselrichterprozess hauptsächlich durch vollständig gesteuerte Geräte wie IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) abgeschlossen wird, spielen Dioden immer noch eine Schlüsselrolle in der Wechselrichterschaltung:

Dauerstromschutz: Im Moment des Ausschaltens des IGBT muss der Strom in der induktiven Last über die Dauerstromdiode abgelassen werden, um zu verhindern, dass Spannungsspitzen das Gerät beschädigen.
Totzeitkompensation: Bei der Wechselrichtersteuerung sollte eine Totzeit eingestellt werden, um eine direkte Verbindung zwischen Ober- und Unterrohr zu vermeiden. Die Diode kann während dieser Zeit einen Pfad für den Strom bereitstellen und so die Verzerrung der Ausgangswellenform reduzieren.
Beispielsweise nutzt ein 500-MW-Offshore-Windkraftprojekt die MMC-Technologie (Modular Multilevel Converter), wobei in jedem Submodul antiparallele Dioden konfiguriert sind, um einen stabilen Betrieb des Systems unter extremen Bedingungen sicherzustellen.
2, Entwicklung der Diodentechnologie: von der passiven Gleichrichtung zur aktiven Steuerung
1. Siliziumkarbiddiode: Verbesserung der Hochfrequenz- und Hochtemperaturleistung
Herkömmliche Siliziumdioden leiden unter einer langen Sperrverzögerungszeit und hohen Verlusten in hochfrequenten Schaltszenarien. Siliziumkarbid-Dioden (SiC) mit ihrer breiten Bandlücke verkürzen die Sperrverzögerungszeit auf bis zu 10 ns und erhöhen die Schaltfrequenz auf über 100 kHz, wodurch die Wechselrichterverluste deutlich reduziert werden. Beispielsweise stieg der Systemwirkungsgrad nach dem Einsatz von SiC-Schottky-Dioden in einem Windkraftkonverter von 96 % auf 98,5 % und die jährliche Stromerzeugung stieg um etwa 2 Millionen kWh. Darüber hinaus können SiC-Dioden bei hohen Temperaturen von 200 Grad stabil betrieben werden und passen sich rauen Umgebungen wie starkem Salznebel und hoher Luftfeuchtigkeit bei der Offshore-Windenergie an.

2. Synchrongleichrichtungstechnologie: Leitungsverlust reduzieren
In Szenarien mit niedriger Spannung und hohem Strom wird der Vorwärtsspannungsabfall (VF) von Dioden zur Hauptverlustquelle. Die synchrone Gleichrichtungstechnologie verwendet MOSFETs anstelle von Dioden und steuert dynamisch die Leitung und das Ausschalten von MOSFETs, um den Leitungsspannungsabfall auf unter 0,01 V zu reduzieren. Beispielsweise verwendet ein bestimmtes Windenergiespeichersystem eine Synchrongleichrichterschaltung, die den Verlust von 700 W einer Siliziumdiode auf 10 W bei 1000 A Strom reduziert und den Wirkungsgrad um 98,6 % verbessert.

3. Intelligentes Diodenmodul: Integration und Digitalisierung
Moderne Windkraftanlagen stellen extrem hohe Zuverlässigkeitsanforderungen an Dioden. Das intelligente Diodenmodul erreicht Zustandselbstdiagnose und -schutz durch die Integration von Temperatursensoren, Spannungsüberwachungschips und Treiberschaltungen

Übertemperaturschutz: Wenn die Sperrschichttemperatur 150 Grad überschreitet, unterbricht das Modul automatisch den Strom;
Spannungsausgleich: In parallelen Diodengruppen wird der Leitungswinkel durch Echtzeitüberwachung angepasst, um lokale Überlastung zu vermeiden;
Kommunikationsschnittstelle: Unterstützt CAN-Bus oder Ethernet zum Hochladen von Betriebsdaten in das SCADA-System für Fernbetrieb und -wartung.
Das von einem Windkrafthersteller auf den Markt gebrachte intelligente Diodenmodul wurde weltweit in über 10 GW Windkraftprojekten eingesetzt, wobei die Ausfallrate im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen um 80 % reduziert wurde.
3, Typische Anwendungsszenarien: vom Land bis zur Tiefsee
1. Onshore-Windenergie: Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ)
In großen Onshore-Windkraftanlagen kann der Einsatz der HGÜ-Technologie Übertragungsverluste reduzieren und die Netzstabilität verbessern. Als Ausgangspunkt der HGÜ müssen Diodengleichrichterstationen hohen Spannungen und hohen Stromstößen standhalten. Beispielsweise verwendet die Gleichrichterstation in einem bestimmten Ultrahochspannungs-Gleichstromübertragungsprojekt mit ± 800 kV eine 12-Puls-Brückengleichrichterschaltung, bestehend aus 24 SiC-Dioden mit einer Spannungsfestigkeit von 1200 V und einem Strom von 600 A. Die jährliche Übertragungskapazität einer einzelnen Station erreicht 5 Milliarden kWh.

2. Offshore-Windenergie: Flexible Gleichstromübertragung (VSC-HVDC)
Tiefsee-Windparks müssen durch flexible Gleichstromübertragungstechnik ans Netz angeschlossen werden. In dem auf Spannungsquellenwandlern (VSC) basierenden Schema werden Dioden verwendet für:

Startwiderstandsbypass: Während der Ladephase des Wandlers wird der Widerstand durch eine Diode überbrückt, um eine Überspannung zu vermeiden;
Gleichstromseitiger Kurzschlussschutz: Wenn auf der Gleichstromseite ein Kurzschluss auftritt, blockiert die Diode schnell den Fehlerstrom und verschafft so Zeit für die Auslösung des Leistungsschalters.
Ein bestimmtes europäisches Offshore-Windkraftprojekt übernimmt die VSC-HGÜ-Technologie. Bei einer Übertragungsentfernung von 200 Kilometern verkürzt die Diodenschutzschaltung die Zeit zur Beseitigung von Kurzschlussfehlern auf 5 ms und reduziert die Systemwiederherstellungszeit von 30 Minuten auf 5 Minuten.
3. Wasserstofferzeugung durch Windkraft: Steuerung der Stromversorgung durch Elektrolysezellen
Im Kopplungssystem „Windkraft+Wasserstoffenergie“ werden Dioden zur Gleichstromversorgungssteuerung von Elektrolysezellen eingesetzt:

Anti-Rückfluss-Schutz: Wenn die Schwankung der Windkraft dazu führt, dass die Spannung der Elektrolysezelle höher ist als die des DC-Busses, blockiert die Diode den Rückstrom, um Schäden an der Ausrüstung zu verhindern;
Parallelschaltung mehrerer Elektrolysezellen: Die automatische Stromverteilung wird durch Dioden erreicht, um eine Parallelzirkulation zu vermeiden.
In einem 10-MW-Windkraft-Demonstrationsprojekt zur Wasserstoffproduktion wird eine diodenisolierte Elektrolysezellenanordnung mit einem Systemwirkungsgrad von 75 % und einer Wasserstoffreinheit von über 99,99 % verwendet.