Wie nutzt man die Diodengleichrichtung in einer Windkraftanlage?

1, Technisches Prinzip: Grundarchitektur der Diodengleichrichtung
Das Kernprinzip der Diodengleichrichtung basiert auf der unidirektionalen Leitfähigkeit des PN-Übergangs. Wenn die positive Halbwelle des Wechselstroms an die Anode der Diode angelegt wird, ist der PN-Übergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt und Strom fließt durch; Während der negativen Halbwelle wird die Sperrspannung unterbrochen und der Strom blockiert. Durch eine sinnvolle Konfiguration der Anzahl und Anschlussmethode der Dioden kann die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom erreicht werden.

Halbwellengleichrichtung: Bei Verwendung einer einzelnen Diode und ausschließlicher Nutzung der positiven Halbwelle des Wechselstroms ist der Wirkungsgrad relativ niedrig (theoretisch maximal 50 %), aber die Schaltung ist einfach und die Kosten niedrig, sodass sie für kleine Windkraftanlagen geeignet ist.
Vollweggleichrichtung: Durch die Verwendung einer Brückenstruktur (4 Dioden) oder eines Mittelanzapfungstransformators (2 Dioden) wird der Wirkungsgrad durch die Nutzung der positiven und negativen Halbwellen des Wechselstroms auf über 81 % gesteigert. Unter diesen hat sich die Brückengleichrichtung aufgrund des Fehlens spezieller Transformatoren und der geringen Schwankungen der Ausgangsspannung zur gängigen Lösung für die Windenergieerzeugung entwickelt.
Dreiphasengleichrichtung: Für die drei{0}}Phasen-Wechselstromabgabe von Windkraftanlagen wird eine drei-Phasen-Brückengleichrichterschaltung bestehend aus sechs Dioden verwendet, um die Ausgangswelligkeit weiter zu reduzieren und die Leistungsdichte zu verbessern. Beispielsweise wandelt in einem netzgekoppelten System mit Permanentmagnet-Synchrongenerator mit Direktantrieb eine drei{3}Phasen-Diodengleichrichterbrücke die drei-Phasen-Wechselstromleistung des Generators in Gleichstrom um, der dann über einen Boost-Schaltkreis und einen Wechselrichter an das Netz angeschlossen wird.
2, Anwendungsszenario: Vollständige Abdeckung vom Off-Grid- zum Grid-Anschluss
Die Diodengleichrichtungstechnologie durchläuft den gesamten Lebenszyklus von Windkraftanlagen und ihre Anwendungsszenarien umfassen sowohl netzunabhängige Systeme als auch netzgebundene Großkraftwerke.

Off-Grid-Kleinwindkraftanlage{0}}: In abgelegenen Gebieten oder in Szenarien ohne Netzabdeckung lädt die Windkraftanlage die Batterie über einen Diodengleichrichter und versorgt die Last über einen Wechselrichter mit Strom. Beispielsweise verwendet ein 5-kW-Off-Grid-Windenergieerzeugungssystem eine Dreiphasen-Brückengleichrichterschaltung in Kombination mit einer MPPT-Steuerung (Maximum Power Point Tracking), um eine 15-prozentige Steigerung der Windenergie-Erfassungseffizienz zu erreichen. Gleichzeitig wird die unidirektionale Leitfähigkeit der Dioden genutzt, um eine Rückladung der Batterien zu verhindern und so die Systemsicherheit zu gewährleisten.
Netzgekoppeltes großes Windenergieerzeugungssystem: Im netzgekoppelten Schema eines direkt angetriebenen Permanentmagnet-Synchrongenerators (PMSG) dient ein Diodengleichrichter als Front-End-Konverter, um die vom Generator ausgegebene Wechselstromleistung mit variabler Amplitude und variabler Frequenz in Gleichstrom umzuwandeln und dann über einen PWM-Wechselrichter eine Netzanbindung mit einem Leistungsfaktor von eins zu erreichen. Beispielsweise verwendet eine 2-MW-Windkraftanlage mit Direktantrieb eine Diodengleichrichtung + Boost + PWM-Wechselrichterstruktur mit einem Systemwirkungsgrad von 96,5 %, was 2 Prozentpunkte höher ist als beim herkömmlichen Schema mit doppelt gespeistem Induktionsgenerator (DFIG).
3, Effizienzoptimierung: ein Durchbruch in der gesamten Kette von der Geräteauswahl bis zur Systemintegration
Obwohl die Diodengleichrichtungstechnologie ausgereift ist, wird ihre Effizienz immer noch von den Geräteeigenschaften, der Schaltungstopologie und den Steuerungsstrategien beeinflusst. Die Branche erzielt Effizienzdurchbrüche auf folgenden Wegen:

Geräteauswahl: Iteration von Silizium zu Siliziumkarbid: Herkömmliche Dioden auf Silizium--Basis haben Probleme wie hohe Sperrverzögerungsverluste und eine schlechte Hochtemperaturleistung. Siliziumkarbid-Dioden (SiC) sind aufgrund ihrer Vorteile einer Null-Rückladungswiederherstellung (Qrr ≈ 0) und einer hohen Temperaturstabilität (Übergangstemperatur bis zu 200 Grad) zur bevorzugten Wahl für Hochfrequenz- und Hochspannungsszenarien geworden. Beispielsweise konnten nach dem Austausch von Bauteilen auf Silizium--Basis durch SiC-Dioden die Gleichrichterverluste einer 10-MW-Offshore-Windkraftanlage um 40 % reduziert und der Systemwirkungsgrad auf 97,2 % verbessert werden.
Topologieinnovation: Upgrade von unkontrollierbar auf kontrollierbar: Obwohl die Struktur der unkontrollierten Diodengleichrichtung einfach ist, weist sie Probleme wie hohe Stromoberschwingungen und einen niedrigen Leistungsfaktor auf. Die PWM-Gleichrichtungstechnologie erreicht durch vollständig gesteuerte Geräte wie IGBT einen sinusförmigen Strom auf der Maschinenseite und eliminiert so die Verschmutzung durch Oberschwingungen. Beispielsweise verwendet eine 3-MW-Windkraftanlage eine Back-{3}}an-{4}-Struktur aus PWM-Gleichrichtung und PWM-Wechselrichter, um einen Vierquadrantenbetrieb mit einem Leistungsfaktor von bis zu 0,99 und einer harmonischen Verzerrungsrate (THD) von weniger als 3 % zu erreichen.
Wärmemanagement: Entwicklung von natürlicher Kühlung zu Flüssigkeitskühlung: 70 % der Diodenverluste werden in Wärme umgewandelt, und bei jedem Anstieg der Sperrschichttemperatur um 10 Grad erhöht sich die Sperrverzögerungsladung um 15–20 %. Die Flüssigkeitskühlungstechnologie stabilisiert die Sperrschichttemperatur durch direkte Kühlung des Diodenchips unter 150 Grad und verlängert so die Lebensdauer des Geräts. Nachdem beispielsweise eine 15-MW-Offshore-Windkraftanlage ein Wärmeableitungsschema mit Flüssigkeitskühlung eingeführt hatte, wurde die Lebensdauer der Diode von 8 Jahren auf 15 Jahre verlängert und die Betriebs- und Wartungskosten wurden um 40 % gesenkt.