כיצד דיודות מסייעות למערכות כוח רוח במעבר בין מצבי DC/AC?

一, התפקיד הבסיסי של דיודות במעבר מצבי מערכת כוח רוח
1. תיקון מ-AC ל-DC: הפחתת הפסדי שידור
יש להמיר את תפוקת ה-AC של טורבינות רוח להספק DC באמצעות מעגלי מיישרים כדי להפחית את אובדן האנרגיה במהלך שידור-למרחקים ארוכים. הגישה המסורתית משתמשת בדיודות המבוססות על-סיליקון כדי ליצור גשר מיישר בלתי נשלט, המבוסס על המוליכות החד-כיוונית של הדיודות: כאשר הספק AC נמצא בחצי מחזור חיובי, הדיודות מוליכות והזרם זורם לצד DC; בחצי המחזור השלילי, הדיודה כבויה, וחוסמת את הזרם ההפוך. לדוגמה, חוות רוח ימית מסוימת מאמצת מעגל מיישר גשר של ארבע דיודות כדי להמיר את תפוקת ה-AC תלת-פאזית על ידי טורבינת הרוח להספק DC, המועבר לתחנת הממיר היבשתי דרך כבל תת-ימי של 200 ק"מ, מה שמפחית את הפסדי ההולכה ביותר מ-30% בהשוואה לפתרון AC.

2. מהפך DC ל-AC: התאמת דרישות רשת
תחנת הממיר היבשתי צריכה להפוך מתח DC למתח AC לצורך שילוב ברשת החשמל. למרות שתהליך המהפך הושלם בעיקר על ידי מכשירים בשליטה מלאה כגון IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), דיודות עדיין ממלאות תפקיד מפתח במעגל המהפך:

הגנת זרם מתמשך: ברגע כיבוי ה-IGBT, יש לשחרר את הזרם בעומס האינדוקטיבי דרך דיודת הזרם המתמשך כדי למנוע קפיצי מתח לפגוע במכשיר;
פיצוי זמן מת: בבקרת אינוורטר, יש להגדיר זמן מת כדי למנוע חיבור ישיר בין הצינורות העליונים והתחתונים. הדיודה יכולה לספק נתיב לזרם במהלך תקופה זו, ולהפחית את עיוות צורת הגל במוצא.
לדוגמה, פרויקט כוח רוח ימי של 500MW מאמץ את טכנולוגיית MMC (Modular Multilevel Converter), עם דיודות אנטי מקביליות המוגדרות בכל תת-מודול כדי להבטיח פעולה יציבה של המערכת בתנאים קיצוניים.
2, אבולוציה של טכנולוגיית הדיודות: מתיקון פסיבי לבקרה אקטיבית
1. דיודת סיליקון קרביד: שיפור ביצועי-תדר גבוה ו-טמפרטורות גבוהות
דיודות סיליקון מסורתיות סובלות מזמן התאוששות הפוך ארוך ומהפסדים גבוהים בתרחישי מיתוג- בתדר גבוה. דיודות סיליקון קרביד (SiC), עם המאפיינים הרחבים שלהן, מקצרות את זמן ההתאוששות ההפוכה עד ל-10ns ומגבירות את תדר המיתוג ליותר מ-100kHz, ומקטינות משמעותית את הפסדי הממיר. לדוגמה, לאחר אימוץ דיודות SiC Schottky בממיר כוח רוח, יעילות המערכת עלתה מ-96% ל-98.5%, וייצור החשמל השנתי גדל בכ-2 מיליון קוט"ש. בנוסף, דיודות SiC יכולות לפעול ביציבות בטמפרטורות גבוהות של 200 מעלות, תוך התאמה לסביבות קשות כמו תרסיס מלח גבוה ולחות גבוהה בכוח הרוח הימי.

2. טכנולוגיית תיקון סינכרוני: הפחתת אובדן הולכה
בתרחישי מתח נמוך וזרם גבוה, ירידת המתח קדימה (VF) של דיודות הופכת למקור ההפסדים העיקרי. טכנולוגיית תיקון סינכרוני משתמשת ב-MOSFETs במקום דיודות, ושולטת באופן דינמי על ההולכה והכיבוי של MOSFETs כדי להפחית את ירידת מתח ההולכה מתחת ל-0.01V. לדוגמה, מערכת אחסון אנרגיית רוח מסוימת מאמצת מעגל תיקון סינכרוני, אשר מפחית את ההפסד מ-700W של דיודת סיליקון ל-10W בזרם של 1000A, ומשפר את היעילות ב-98.6%.

3. מודול דיודה אינטליגנטי: אינטגרציה ודיגיטציה
למערכות אנרגיית רוח מודרניות יש דרישות אמינות גבוהות במיוחד עבור דיודות. מודול הדיודה החכמה משיג אבחון והגנה עצמית של מצב על ידי שילוב חיישני טמפרטורה, שבבי ניטור מתח ומעגלי הנעה

הגנת טמפרטורת יתר: כאשר טמפרטורת הצומת עולה על 150 מעלות, המודול מנתק אוטומטית את הזרם;
איזון מתח: בקבוצות דיודות מקבילות, זווית ההולכה מותאמת באמצעות ניטור- בזמן אמת כדי למנוע עומס יתר מקומי;
ממשק תקשורת: תומך ב-CAN bus או Ethernet להעלאת נתונים תפעוליים למערכת SCADA לתפעול ותחזוקה מרחוק.
מודול הדיודה החכמה שהושק על ידי יצרן כוח רוח יושם בפרויקטים של יותר מ-10GW של כוח רוח ברחבי העולם, עם שיעור כשל מופחת ב-80% בהשוואה לפתרונות מסורתיים.
3, תרחישי יישום אופייניים: מהיבשה לים העמוק
1. כוח רוח יבשתי: שידור זרם ישר במתח גבוה (HVDC)
בבסיסי כוח רוח יבשתיים בקנה מידה גדול-, השימוש בטכנולוגיית HVDC יכול להפחית את הפסדי ההולכה ולשפר את יציבות הרשת. כנקודת המוצא של HVDC, תחנות מיישרי דיודות צריכות לעמוד במתח גבוה ובעליות זרם גבוהות. לדוגמה, בפרויקט מסוים של העברת זרם ישר במתח גבוה של ± 800kV אולטרה-, תחנת המיישר מאמצת מעגל מיישר גשר 12 פולסים, המורכב מ-24 דיודות SiC עם מתח עמידה של 1200V וזרם של 600A. כושר ההולכה השנתי של תחנה בודדת מגיע ל-5 מיליארד קוט"ש.

2. כוח רוח בים: שידור זרם ישר גמיש (VSC-HVDC)
חוות רוח בים עמוק צריכות להיות מחוברות לרשת באמצעות טכנולוגיית העברת זרם ישר גמישה. בסכימה המבוססת על ממיר מקור מתח (VSC), דיודות משמשות עבור:

מעקף נגד הפעלה: במהלך שלב הטעינה של הממיר, הנגד עוקף דרך דיודה כדי למנוע מתח יתר;
הגנה מפני קצר חשמלי בצד DC: כאשר מתרחש קצר חשמלי בצד DC, הדיודה חוסמת במהירות את זרם התקלה, וקונה זמן להפעלת המפסק.
פרויקט מסוים של אנרגיית רוח ימית באירופה מאמץ את טכנולוגיית VSC-HVDC. במרחק שידור של 200 קילומטרים, מעגל ההגנה על הדיודה מקצר את זמן הסרת תקלות המעגל הקצר ל-5ms ומפחית את זמן התאוששות המערכת מ-30 דקות ל-5 דקות.
3. ייצור מימן כוח רוח: בקרת אספקת חשמל בתא אלקטרוליטי
במערכת הצימוד "אנרגיית רוח + מימן", דיודות משמשות לבקרת אספקת חשמל DC של תאים אלקטרוליטים:

הגנה נגד זרימה חוזרת: כאשר התנודות של כוח הרוח גורמות למתח התא האלקטרוליטי להיות גבוה יותר מאפיק DC, הדיודה חוסמת את הזרם ההפוך כדי למנוע נזק לציוד;
חיבור מקביל של תאים אלקטרוליטיים מרובים: חלוקת זרם אוטומטית מושגת באמצעות דיודות כדי למנוע מחזור מקביל.
בפרויקט הדגמה של ייצור מימן בכוח רוח של 10MW, נעשה שימוש במערך תאים אלקטרוליטי מבודד דיודה, עם יעילות מערכת של 75% וטוהר מימן העולה על 99.99%.