다이오드는 DC/AC 모드 간 전환 시 풍력 시스템을 어떻게 지원합니까?

一, 풍력 시스템 모드 전환에서 다이오드의 기본 역할
1. AC에서 DC로 정류: 전송 손실 감소
풍력 터빈의 AC 전력 출력은 장거리 전송 중 에너지 손실을 줄이기 위해 정류기 회로를 통해 DC 전력으로 변환되어야 합니다.- 기존 접근 방식은 실리콘- 기반 다이오드를 사용하여 다이오드의 단방향 전도성을 기반으로 제어할 수 없는 정류기 브리지를 형성합니다. AC 전력이 양의 반주기에 있을 때 다이오드는 전도되고 전류는 DC 측으로 흐릅니다. 음의 반주기에서는 다이오드가 꺼지고 역전류가 차단됩니다. 예를 들어, 특정 해상 풍력 발전소에서는 풍력 터빈의 3상 AC 전력 출력을 DC 전력으로 변환하기 위해 4다이오드 브리지 정류기 회로를 채택했습니다. DC 전력은 200km 해저 케이블을 통해 육상 변환기 스테이션으로 전송되어 AC 솔루션에 비해 전송 손실을 30% 이상 줄였습니다.

2. DC-AC 인버터: 그리드 요구 사항 일치
육상 변환기 스테이션은 전력망에 통합하기 위해 DC 전력을 AC 전력으로 전환해야 합니다. 인버터 공정은 주로 IGBT(절연 게이트 양극 트랜지스터)와 같이 완전히 제어되는 장치에 의해 완료되지만 다이오드는 여전히 인버터 회로에서 핵심 역할을 합니다.

연속 전류 보호: IGBT가 꺼지는 순간 유도 부하의 전류는 연속 전류 다이오드를 통해 방출되어 전압 스파이크로 인해 장치가 손상되는 것을 방지해야 합니다.
데드타임 보상: 인버터 제어에서는 상부 튜브와 하부 튜브가 직접 연결되지 않도록 데드타임을 설정해야 합니다. 다이오드는 이 기간 동안 전류 경로를 제공하여 출력 파형 왜곡을 줄일 수 있습니다.
예를 들어, 500MW 해상 풍력 발전 프로젝트는 MMC(Modular Multilevel Converter) 기술을 채택하고 각 서브 모듈에 역병렬 다이오드를 구성하여 극한 조건에서도 시스템의 안정적인 작동을 보장합니다.
2, 다이오드 기술의 진화: 수동 정류에서 능동 제어로
1. 실리콘 카바이드 다이오드: 고주파-주파수 및 고온{2}} 성능 향상
기존 실리콘 다이오드는 고주파 스위칭 시나리오에서 긴 역 복구 시간과 높은 손실로 인해 어려움을 겪습니다.- 넓은 밴드갭 특성을 지닌 실리콘카바이드(SiC) 다이오드는 역회복 시간을 10ns 이내로 단축하고, 스위칭 주파수를 100kHz 이상으로 높여 인버터 손실을 대폭 줄여준다. 예를 들어 풍력 변환기에 SiC 쇼트키 다이오드를 채용한 후 시스템 효율이 96%에서 98.5%로 증가했고, 연간 발전량은 약 200만kWh 증가했다. 또한 SiC 다이오드는 해상풍력발전소의 높은 염분비와 높은 습도 등 가혹한 환경에도 적응해 200도의 고온에서도 안정적으로 작동할 수 있다.

2. 동기식 정류 기술: 전도 손실 감소
저전압 및 고전류 시나리오에서는 다이오드의 순방향 전압 강하(VF)가 손실의 주요 원인이 됩니다. 동기 정류 기술은 다이오드 대신 MOSFET을 사용하고 MOSFET의 전도 및 끄기를 동적으로 제어하여 전도 전압 강하를 0.01V 미만으로 줄입니다. 예를 들어, 특정 풍력 에너지 저장 시스템은 동기 정류 회로를 채택하여 1000A 전류에서 실리콘 다이오드의 700W 손실을 10W로 줄이고 효율을 98.6% 향상시킵니다.

3. 지능형 다이오드 모듈: 통합 및 디지털화
현대 풍력 발전 시스템은 다이오드에 대한 신뢰성 요구 사항이 매우 높습니다. 지능형 다이오드 모듈은 온도 센서, 전압 모니터링 칩 및 구동 회로를 통합하여 상태 자체 진단 및 보호를 달성합니다.

과열 보호: 접합 온도가 150도를 초과하면 모듈이 자동으로 전류를 차단합니다.
전압 밸런싱: 병렬 다이오드 그룹에서는 실시간 모니터링을 통해 도통각을 조정하여-국부적 과부하를 방지합니다.
통신 인터페이스: 원격 작동 및 유지 관리를 위해 작동 데이터를 SCADA 시스템에 업로드하기 위해 CAN 버스 또는 이더넷을 지원합니다.
한 풍력 발전 제조업체가 출시한 지능형 다이오드 모듈은 전 세계적으로 10GW가 넘는 풍력 발전 프로젝트에 적용되었으며, 기존 솔루션에 비해 고장률이 80% 감소했습니다.
3, 일반적인 적용 시나리오: 육지에서 심해까지
1. 육상풍력: 고전압직류송전(HVDC)
대규모 육상 풍력 발전소-에서는 HVDC 기술을 사용하여 전송 손실을 줄이고 그리드 안정성을 향상시킬 수 있습니다. HVDC의 시작점인 다이오드 정류 스테이션은 고전압 및 고전류 서지를 견뎌야 합니다. 예를 들어, 특정 ±800kV 초고압 직류 송전 프로젝트에서 정류 스테이션은 내전압 1200V, 전류 600A의 SiC 다이오드 24개로 구성된 12 펄스 브리지 정류기 회로를 채택합니다. 단일 기지국의 연간 송전 용량은 50억kWh에 이른다.

2. 해상풍력: 유연직류송전(VSC-HVDC)
심해풍력발전단지는 유연한 직류 송전 기술을 통해 그리드에 연결되어야 합니다. 전압 소스 변환기(VSC) 기반 구성표에서 다이오드는 다음 용도로 사용됩니다.

저항 바이패스 시작: 컨버터의 충전 단계 동안 저항은 과전압을 방지하기 위해 다이오드를 통해 바이패스됩니다.
DC 측 단락 보호: DC 측에서 단락이 발생하면 다이오드가 신속하게 사고 전류를 차단하여 회로 차단기가 작동할 시간을 벌어줍니다.
유럽의 특정 해상 풍력 발전 프로젝트에서는 VSC-HVDC 기술을 채택했습니다. 200km의 전송 거리에서 다이오드 보호 회로는 단락 오류 제거 시간을 5ms로 단축하고 시스템 복구 시간을 30분에서 5분으로 줄입니다.
3. 풍력발전 수소생산 : 전해조 전력공급 제어
"풍력 + 수소 에너지" 결합 시스템에서 다이오드는 전해 전지의 DC 전원 공급 장치 제어에 사용됩니다.

역류 방지 보호: 풍력의 변동으로 인해 전해조의 전압이 DC 버스보다 높아지면 다이오드가 역전류를 차단하여 장비 손상을 방지합니다.
다중 전해 셀의 병렬 연결: 병렬 순환을 방지하기 위해 다이오드를 통해 자동 전류 분배가 이루어집니다.
10MW 풍력 수소 생산 실증 프로젝트에서는 다이오드 절연 전해전지 어레이가 사용되었으며 시스템 효율은 75%, 수소 순도는 99.99%를 초과했습니다.