Invertere spiller en avgjørende rolle i fotovoltaiske kraftgenereringssystemer, og konverterer likestrømmen (DC) som genereres av fotovoltaiske paneler til vekselstrøm (AC) egnet for netttilkobling eller belastningsbruk. Utviklingen av inverterteknologi har vært i stadig utvikling for å møte kravene til høyere effektivitet, bedre strømkvalitet og lavere kostnader. Tre --nivå inverterteknologi er en av de viktige fremskrittene på dette feltet.
Nivåkonseptet i omformere refererer til spenningsnivået som brukes for signaloverføring eller energikonvertering. En vekselretter med to - nivåer har bare to spenningsnivåer, høy og lav, som er enkel i utformingen og egnet for applikasjoner med lav - kostnad. Tre vekselrettere på --nivå introduserer imidlertid et spenningsmidtpunkt på --punktet, og gir tre spenningsnivåer, noe som muliggjør finere spenningskontroll og har flere betydelige fordeler på systemnivå1.
1. Betydningen av teknologi på tre-nivåer
På 1980-tallet foreslo den japanske forskeren Nabae en vekselretterkrets med tre-nivåer basert på diodeklemming. Dens typiske topologiske struktur er vist i følgende figur. Hver broarm i hele inverterkretsen er sammensatt av 4 Isolated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) og 6 dioder.
Selv om tre--nivåkretsen er relativt mer kompleks i topologi, sammenlignet med den tradisjonelle to--inverterkretsen som bare kan sende ut høye og lave nivåer, kan denne nye inverterkretsen sende ut høye og lave nivåer gjennom innslåingen- av de øvre og nedre rørene, og gi ut nullnivå gjennom klemeffekten til de totalt tre mellomliggende diodene. Derfor kalles det en vekselretterkrets med tre-nivåer.
Ta potensialendringen ved midtpunktet av omformerbroarmen til fase A i den følgende figuren som et eksempel for kort å beskrive den spesifikke betydningen av de tre nivåene.
- Når de to IGBT-ene på A-fasebroarmen leder, er potensialet i punkt A det samme som for den positive bussen, som er U/2. Spenningen på spenningsplattformen som hver IGBT bærer er U/2, som vist i sløyfe 1.
- Når de to IGBTene til den nedre broarmen til A-fasebroarmen leder, er potensialet i punkt A det samme som det negative busspotensialet, som er -U/2, og spenningsplattformspenningen som tåles av hver IGBT er U/2, som vist i sløyfe 2.
- Når den andre IGBT-en på A-fasebroarmen og bypass-klemmedioden leder, er A-faseomformerbroen i frihjulstilstand, og potensialet ved punkt A er det samme som ved midtpunktet på bussen, som er 0, som vist i sløyfe 3.
Fra de tre ledende kretsene i fase A beskrevet ovenfor, kan det være kjent at potensialet i punkt A kan presentere tre nivåer: U/2, 0 og -U/2, og derfor kalles det en tre--nivåtilstand2.
2. Vanlige tre --nivåtopologier
2.1NPC1 Topologi
NPC1-topologien (Nøytral - Point - Clamped) er en av de mest klassiske topologiene på tre --nivåer. Den optimerer tapsfordelingen og forbedrer EMI ved å optimalisere den nåværende banen og konverteringsmekanismen på null --nivå.
Under omformerforhold er tapene til NPC1 hovedsakelig konsentrert i T1/T4-rørene, inkludert ledningstap og koblingstap. T2/T3 er i normalt åpen tilstand, og tapet er hovedsakelig ledningstap. D5/D6 leder under kommutering, og tapene inkluderer ledningstap og reversert gjenvinningstap.
Under utbedringsforhold er tapene hovedsakelig konsentrert i D1/D4-rør og T2/T3-rør. D1/D4-rør har ledningstap og reversert gjenvinningstap, mens T2/T3-rør genererer ledningstap og koblingstap under kommutering. Derimot har D2/D3 og D5/D6 rør kun ledningstap.
2.2 NPC2-topologi
NPC2-topologien er en forbedring basert på NPC1-topologien. I NPC2 brukes et par IGBT-er med vanlige emittere eller kollektorer og anti - parallelle dioder for å erstatte klemdiodene i NPC1, noe som reduserer antallet dioder med to. I NPC2 bærer T1/T4-rør full bussspenning, og T2/T3-rør bærer halvparten av bussspenningen.
I invertertilstanden, i den positive halve --syklusen, forblir T2 normalt åpen, og T1 og D3 kommuterer; i den negative halve --syklusen forblir T3 normalt åpen, og T4 og D2 pendler.
I rettingstilstanden er kommuteringsprosessen også lik den for NPC1, men på grunn av den forskjellige strukturen til klemdelen, er tapsfordelingen forskjellig fra NPC1. Generelt, i middels - og lav - bytte - frekvensområde, er det totale tapet av NPC2-topologien lavere enn for NPC1-topologien.
2.3ANPC-topologi
ANPC-topologien (Active Neutral - Point - Clamped) dannes ved å erstatte klemdiodene i NPC1 med IGBT-er og anti --parallelle dioder. Den utvider to null --nivå kommuteringsbaner, og gjennom valg og kontroll av null --nivå kommuteringsveier, kan mer balansert tapsfordeling og mindre kommuteringssløyfe-strøinduktans oppnås3.
3. Kontrollmetoder for tre - nivåomformere
3.1 Spenningskontroll
3.1.1DC - sidespenningskontroll
I et fotovoltaisk kraftgenereringssystem er det nødvendig å opprettholde stabiliteten til DC - sidespenningen til omformeren. DC - sidespenningen leveres hovedsakelig av fotovoltaiske paneler. På grunn av påvirkning av faktorer som lysintensitet og temperatur, vil utgangsspenningen til solcellepanelene svinge. Derfor er en DC --sidespenningskontrollstrategi nødvendig. Vanlige metoder inkluderer bruk av en boost-omformer eller en buck - boost-omformer foran omformeren for å justere DC --sidespenningen til en stabil verdi. For eksempel, når utgangsspenningen til de solcellepanelene er lavere enn den nødvendige verdien, kan boost-omformeren øke spenningen; når den er høyere, kan buck - boost-omformeren justere spenningen til riktig nivå.
3.1.2 Midt - punktpotensialkontroll
I tre vekselrettere på --nivå er potensiell fluktuasjon i midten av --punktet et vanlig problem, spesielt i topologier av typen NPC -. Potensialfluktuasjonen i midten av --punktet vil påvirke utgangsspenningsbølgeformens kvalitet og enhetens pålitelighet. Det er mange metoder for å kontrollere midtpunktpotensialet på -. En metode er å legge til en felles --moduskomponent til modulasjonssignalet. For eksempel, i den sinusformete puls - breddemodulasjonsmetoden (SPWM), legges en viss felles --modusspenning til referansespenningen for å justere lade- og utladingstiden til midt---punktkondensatoren, for å opprettholde stabiliteten til midtpunkt---punktpotensialet. En annen metode er å bruke et tilbakemeldingskontrollsystem for å oppdage midt - punktpotensialet og justere svitsjetilstandene til omformeren i henhold til avviket for å oppnå midtpunkt - punktpotensialbalanse4.
3.2 Nåværende kontroll
3.2.1Grid - Tilkoblet strømkontroll
For nett - tilkoblede fotovoltaiske omformere er det nødvendig å sikre at utgangsstrømmen er i samme frekvens og fase som nettspenningen. Dette oppnås gjennom en nett - tilkoblet strømstyringsstrategi. En vanlig metode er å bruke en fase - låst sløyfe (PLL) for å synkronisere utgangsstrømmen med nettspenningen. PLL kan raskt og nøyaktig spore frekvensen og fasen til nettspenningen. Basert på utgangen fra PLL, er en strømkontroller utformet, for eksempel en proporsjonal - integral (PI) kontroller eller en proporsjonal - resonans (PR) kontroller. Strømkontrolleren justerer utgangsspenningen til omformeren i henhold til avviket mellom referansestrømmen og den faktiske utgangsstrømmen for å sikre at utgangsstrømmen oppfyller netttilkoblingskravene -.
3.2.2 Utgangsstrøm harmonisk kontroll
I tillegg til å sikre samme frekvens og fase som nettspenningen, er det også nødvendig å kontrollere det harmoniske innholdet i utgangsstrømmen. Som nevnt ovenfor har tre vekselrettere på --nivå lavere harmonisk innhold for utgangsstrøm enn to vekselrettere på --nivå, men i noen applikasjonsscenarier med høy --presisjon er det fortsatt behov for ytterligere harmonisk kontroll. Dette kan oppnås ved å optimalisere modulasjonsstrategien. For eksempel, bruk av space - vektorpuls - breddemodulasjon (SVPWM) i stedet for tradisjonell SPWM kan redusere det harmoniske innholdet i utgangsstrømmen. I tillegg kan noen avanserte kontrollalgoritmer, for eksempel harmonisk feed - foroverkontroll og multi - harmonisk kompensasjonskontroll, også brukes til å redusere det harmoniske innholdet i utgangsstrømmen ytterligere5.
4. Fordeler med tre - nivåomformere sammenlignet med to - nivåomformere
4.1 Spenningsutgangsbølgeform
Spenningsbølgeformen som sendes ut av vekselretterkretsen med to-nivåer:
Spenningsbølgeformen som sendes ut av en vekselretterkrets med tre-nivåer:
Det grunnleggende prinsippet for en omformer med tre-nivåer er å bruke flere nivåer for å syntetisere en trinnbølge for å tilnærme en sinusformet utgangsspenning. På grunn av å ha et ekstra utgangsnivå sammenlignet med en to-omformer, er PWM-bølgen den sender ut nærmere en sinusformet bølgeform. De to figurene ovenfor er en sammenligning av PWM-bølgeformene som sendes ut av to-nivå- og tre-nivåomformere. Det kan intuitivt skilles ut at PWM-bølgeformutgangen fra tre--nivåomformeren er nærmere sinus og har mindre krusningsinnhold6.
4.2 Byttetap
I en omformerkrets med tre-nivåer deles DC-bussspenningen U av to IGBT-er. Spenningen som bæres av hver IGBT på broarmen er halvparten av inngangsspenningen på DC-siden, U/2. I en vekselretterkrets med to-nivåer er det bare én IGBT som bærer DC-bussspenningen, og spenningen som bæres av hver IGBT på broarmen er direkte inngangsspenningen på DC-siden, det vil si U. Derfor, i en omformerkrets med tre-nivåer, bærer IGBT-en halve spenningen av de to ledningsnivået og slutten av ledningsnivået{{6} slå-av. Dette bestemmer at byttetapet for IGBT på tre-nivåer er mye mindre enn for to-nivå én7.
4.3 Høy frekvens
Høyspent-IGBT-er påvirkes av applikasjonsspenningsnivået, som bestemmer at koblingsfrekvensen og svitsjehastigheten deres er mye mindre enn IGBT-er med lav-spenning. Systemet med tre-nivåer muliggjør imidlertid høy-påføring av lav-IGBT-er. Sammenlignet med aktive strømfiltre, reflekterer nivået av svitsjefrekvens direkte ikke bare kompensasjonshastigheten, men også bredden på det oppnåelige kompensasjonsfrekvensområdet. Jo høyere frekvensbånd der svitsjingsfrekvensen er plassert, jo bredere filtreringsfrekvensbånd som et filter kan velge å implementere, jo smalere bør det være; omvendt, jo smalere bør den være8.
4.4 Kvantitativ sammenligning
Utviklingen av SMAs produktlinje er et godt bevis.
- To-teknologiprodukt: Sunny Tripower-serien.
- Teknologiprodukt på tre-nivåer: Sunny Highpower-serien.
Fra dataene i de to grafene ovenfor kan man få at den maksimale effektiviteten til de to{0}}nivåteknologiske solcelle-inverterproduktene er 98,1 %, og effektiviteten i Europa er 97,8 %. Den maksimale effektiviteten til de tre-nivåteknologien fotovoltaiske inverterproduktene kan nå 99,1 %, mens den i Europa kan være 98,8 %. Ved å sammenligne de to, kan man finne at effektiviteten til de tre-teknologiproduktene har økt med 1 %9.
5. Fremtidige utviklingstrender
5.1 Integrasjon med nye halvledermaterialer
Med utviklingen av halvlederteknologi blir nye halvledermaterialer som silisiumkarbid (SiC) og galliumnitrid (GaN) gradvis brukt på omformere. Disse materialene har høyere elektronmobilitet, høyere nedbrytningsspenning og lavere --motstand enn tradisjonelle silisiummaterialer. Integrering av tre --nivå inverterteknologi med nye halvledermaterialer kan forbedre ytelsen til omformere ytterligere. For eksempel kan bruk av SiC MOSFET-er i tre vekselrettere på --nivå redusere svitsjetapet og ledningstapet til enhetene, forbedre effektiviteten til vekselretteren og øke svitsjefrekvensen, noe som bidrar til ytterligere å redusere størrelsen og vekten til vekselretteren og forbedre dens effekttetthet.
5.2 Intelligentisering og digitalisering
I fremtiden vil tre --nivåomformere være mer intelligente og digitaliserte. Med utviklingen av mikroelektronikkteknologi og digital styringsteknologi kan omformere utstyres med mer avanserte digitale kontrollere og sensorer. Disse digitale kontrollerene kan implementere mer komplekse kontrollalgoritmer, for eksempel adaptiv kontroll, prediktiv kontroll og feil - diagnose og selv - reparasjonskontroll. Sensorene kan overvåke driftsstatusen til omformeren i sanntid -, for eksempel temperatur, spenning, strøm og enhetens helsestatus. Gjennom intelligente algoritmer og sanntidsovervåking av - tid kan omformeren justere driftsparametrene i henhold til den faktiske situasjonen, forbedre effektiviteten og påliteligheten til systemet og realisere fjernovervåking og intelligent styring.
5.3 Høyere - spenning og høyere - effektapplikasjoner
Ettersom omfanget av fotovoltaisk kraftproduksjon fortsetter å utvide, øker også etterspørselen etter høyere - spenning og høyere - kraftomformere. Tre --nivå inverterteknologi har potensial til å møte denne etterspørselen. Ved å optimalisere topologien og kontrollstrategien til tre vekselrettere på --nivå, og bruke enheter med høy --spenning -, kan utgangsspenningen og effekten til tre vekselrettere på --nivå økes ytterligere. Dette er av stor betydning for store --skala fotovoltaiske kraftverk og høy - - transmisjon - linje - tilkoblede fotovoltaiske generasjonssystemer, som kan redusere antall omformere som kreves, forenkle systemstrukturen og redusere den totale kostnaden for systemet10.
- Yu, Chengzhuo, 2023, Kontroll av en 3-nivå PWM-omformer for nett-tilkoblede fotovoltaiske generasjonssystemer.
- Zhihu, Forklaring på overlegenheten til tre-nivåteknologi.
- Ikke-nettverk, tre-kretsprinsipp og felles kretstopologianalyse.
- Elektronisk entusiast, T-type tre-nivå fotovoltaisk nett-tilkoblet inverterdesignskjema.
- Tang, Yao, 2023, Design og kontroll av interleaved tre{1}}nivå T--type omformer for høyeffektapplikasjoner.
- Elektronisk entusiast, en sammenligning av fordelene ved systemer på tre-nivåer og to-nivåer.
- CSDN, forskjellen mellom to-nivå og tre-nivå.
- Baidu Wenku, sammenligning mellom to-nivå og tre-nivå.
- SMA, Produktdata fra SMAs offisielle nettsted.
- Qitian Power, tre-nivå topologi parallell inverter.