Điốt hỗ trợ hệ thống điện gió chuyển đổi giữa các chế độ DC/AC như thế nào?

一, Vai trò cơ bản của điốt trong việc chuyển đổi chế độ hệ thống điện gió
1. Chỉnh lưu từ AC sang DC: giảm tổn thất truyền tải
Nguồn điện xoay chiều đầu ra của tua-bin gió cần được chuyển đổi thành nguồn điện một chiều thông qua các mạch chỉnh lưu để giảm tổn thất năng lượng trong quá trình truyền-đường dài. Phương pháp truyền thống sử dụng điốt silicon{2}}để tạo thành một cầu chỉnh lưu không thể điều khiển được, dựa trên độ dẫn điện một chiều của điốt: khi nguồn điện xoay chiều ở nửa chu kỳ dương, điốt sẽ dẫn điện và dòng điện chạy về phía DC; Ở nửa chu kỳ âm, diode bị tắt, chặn dòng điện ngược. Ví dụ: một trang trại gió ngoài khơi sử dụng mạch chỉnh lưu cầu bốn đi-ốt để chuyển đổi nguồn điện xoay chiều ba pha-của tuabin gió thành nguồn điện một chiều, được truyền đến trạm chuyển đổi trên bờ thông qua cáp ngầm dài 200 km, giảm hơn 30% tổn thất truyền tải so với giải pháp xoay chiều.

2. Biến tần DC sang AC: phù hợp với yêu cầu của lưới điện
Trạm chuyển đổi trên bờ cần đảo nguồn DC thành nguồn AC để tích hợp vào lưới điện. Mặc dù quá trình biến tần chủ yếu được hoàn thành bởi các thiết bị được điều khiển hoàn toàn như IGBT (Transitor lưỡng cực có cổng cách điện), nhưng điốt vẫn đóng một vai trò quan trọng trong mạch biến tần:

Bảo vệ dòng điện liên tục: Tại thời điểm IGBT tắt, dòng điện trong tải cảm ứng cần được giải phóng qua diode dòng điện liên tục để tránh hiện tượng tăng điện áp làm hỏng thiết bị;
Bù thời gian chết: Trong điều khiển biến tần, nên đặt thời gian chết để tránh kết nối trực tiếp giữa ống trên và ống dưới. Diode có thể cung cấp đường dẫn cho dòng điện trong thời gian này, làm giảm độ méo dạng sóng đầu ra.
Ví dụ, một dự án điện gió ngoài khơi 500MW áp dụng công nghệ MMC (Bộ chuyển đổi đa cấp mô-đun), với các điốt chống song song được cấu hình trong mỗi mô-đun con để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định trong các điều kiện khắc nghiệt.
2, Sự phát triển của công nghệ diode: từ chỉnh lưu thụ động đến điều khiển chủ động
1. Điốt cacbua silic: cải thiện hiệu suất-tần số cao và nhiệt độ-cao
Điốt silicon truyền thống có thời gian phục hồi ngược dài và tổn thất cao trong các trường hợp chuyển đổi tần số cao. Điốt cacbua silic (SiC), với đặc tính vùng cấm rộng, rút ​​ngắn thời gian phục hồi ngược xuống trong vòng 10ns và tăng tần số chuyển mạch lên trên 100kHz, giảm đáng kể tổn thất biến tần. Ví dụ, sau khi sử dụng điốt SiC Schottky trong bộ chuyển đổi năng lượng gió, hiệu suất của hệ thống đã tăng từ 96% lên 98,5% và sản lượng điện phát ra hàng năm tăng khoảng 2 triệu kWh. Ngoài ra, điốt SiC có thể hoạt động ổn định ở nhiệt độ cao 200 độ, thích ứng với môi trường khắc nghiệt như lượng muối phun cao và độ ẩm cao trong điện gió ngoài khơi.

2. Công nghệ chỉnh lưu đồng bộ: giảm tổn thất dẫn điện
Trong trường hợp điện áp thấp và dòng điện cao, sự sụt giảm điện áp chuyển tiếp (VF) của điốt trở thành nguồn gây tổn thất chính. Công nghệ chỉnh lưu đồng bộ sử dụng MOSFET thay vì điốt, đồng thời điều khiển linh hoạt quá trình dẫn và tắt MOSFET để giảm điện áp dẫn xuống dưới 0,01V. Ví dụ, một hệ thống lưu trữ năng lượng gió nhất định sử dụng mạch chỉnh lưu đồng bộ, giúp giảm tổn thất từ ​​700W của diode silicon xuống 10W ở dòng điện 1000A và cải thiện hiệu suất lên 98,6%.

3. Mô-đun diode thông minh: tích hợp và số hóa
Các hệ thống điện gió hiện đại có yêu cầu cực kỳ cao về độ tin cậy đối với điốt. Mô-đun diode thông minh đạt được khả năng tự chẩn đoán và bảo vệ trạng thái bằng cách tích hợp cảm biến nhiệt độ, chip giám sát điện áp và mạch điều khiển

Bảo vệ quá nhiệt: Khi nhiệt độ đường giao nhau vượt quá 150 độ, mô-đun sẽ tự động cắt dòng điện;
Cân bằng điện áp: Trong các nhóm điốt song song, góc dẫn được điều chỉnh thông qua giám sát thời gian thực-để tránh tình trạng quá tải cục bộ;
Giao diện truyền thông: Hỗ trợ CAN bus hoặc Ethernet để tải dữ liệu vận hành lên hệ thống SCADA để vận hành và bảo trì từ xa.
Mô-đun diode thông minh do một nhà sản xuất điện gió ra mắt đã được áp dụng tại hơn 10GW dự án điện gió trên toàn thế giới, với tỷ lệ hỏng hóc giảm 80% so với các giải pháp truyền thống.
3, Các kịch bản ứng dụng điển hình: từ đất liền đến biển sâu
1. Điện gió trên bờ: Truyền tải điện một chiều điện áp cao (HVDC)
Ở các cơ sở năng lượng gió trên bờ-quy mô lớn, việc sử dụng công nghệ HVDC có thể giảm tổn thất truyền tải và cải thiện độ ổn định của lưới điện. Là điểm khởi đầu của HVDC, các trạm chỉnh lưu điốt cần phải chịu được điện áp cao và dòng điện cao. Ví dụ: trong một dự án truyền tải dòng điện một chiều điện áp cao ± 800kV nhất định, trạm chỉnh lưu sử dụng mạch chỉnh lưu cầu 12 xung, bao gồm 24 điốt SiC có điện áp chịu được là 1200V và dòng điện là 600A. Công suất truyền tải hàng năm của một trạm đạt 5 tỷ kWh.

2. Điện gió ngoài khơi: Truyền tải dòng điện một chiều linh hoạt (VSC{1}}HVDC)
Các trang trại gió biển sâu cần được kết nối với lưới điện thông qua công nghệ truyền tải dòng điện một chiều linh hoạt. Trong sơ đồ dựa trên bộ chuyển đổi nguồn điện áp (VSC), điốt được sử dụng cho:

Bỏ qua điện trở khởi động: Trong giai đoạn sạc của bộ chuyển đổi, điện trở được bỏ qua qua một diode để tránh quá điện áp;
Bảo vệ ngắn mạch phía DC: Khi xảy ra đoản mạch ở phía DC, diode sẽ nhanh chóng chặn dòng điện sự cố, câu giờ để cầu dao hoạt động.
Một dự án điện gió ngoài khơi châu Âu áp dụng công nghệ VSC{0}}HVDC. Ở khoảng cách truyền dẫn 200 km, mạch bảo vệ đi-ốt rút ngắn thời gian loại bỏ lỗi ngắn mạch-xuống còn 5 mili giây và giảm thời gian khôi phục hệ thống từ 30 phút xuống còn 5 phút.
3. Sản xuất hydro năng lượng gió: điều khiển cung cấp năng lượng điện phân
Trong hệ thống ghép nối "năng lượng gió + năng lượng hydro", điốt được sử dụng để điều khiển nguồn điện một chiều của pin điện phân:

Bảo vệ chống dòng ngược: Khi sự dao động của năng lượng gió làm cho điện áp của tế bào điện phân cao hơn bus DC, diode sẽ chặn dòng điện ngược để tránh hư hỏng thiết bị;
Kết nối song song của nhiều tế bào điện phân: Phân phối dòng điện tự động đạt được thông qua điốt để tránh lưu thông song song.
Trong dự án trình diễn sản xuất hydro năng lượng gió 10MW, mảng tế bào điện phân cách ly điốt được sử dụng, với hiệu suất hệ thống là 75% và độ tinh khiết hydro vượt quá 99,99%.