Az inverterek döntő szerepet játszanak a fotovoltaikus energiatermelő rendszerekben, mivel a fotovoltaikus panelek által generált egyenáramot (DC) váltakozó árammá (AC) alakítják, amely alkalmas hálózati csatlakozásra vagy terhelési használatra. Az inverteres technológia fejlesztése folyamatosan fejlődött, hogy megfeleljen a magasabb hatásfok, a jobb áramminőség és az alacsonyabb költségek követelményeinek. A három - szintű inverter technológia az egyik fontos előrelépés ezen a területen.
Az invertereknél a szintfogalom a jelátvitelhez vagy az energiaátalakításhoz használt feszültségszintet jelenti. A két - szintű inverternek csak két feszültségszintje van, a magas és az alacsony, ami egyszerű felépítésű, és alacsony - költségű alkalmazásokhoz is alkalmas. Három - szintű inverter azonban egy középső - pontot vezet be, három feszültségszintet biztosítva, ami finomabb feszültségszabályozást tesz lehetővé, és számos jelentős előnnyel rendelkezik rendszerszinten.1.
1.A három-szintű technológia jelentése
Az 1980-as években egy japán tudós, Nabae egy három-szintű inverter áramkört javasolt, amely dióda befogáson alapul. Tipikus topológiai szerkezetét a következő ábra mutatja. A teljes inverter áramkör minden hídkarja 4 szigetelt kapu bipoláris tranzisztorból (IGBT) és 6 diódából áll.
Bár a három-szintű áramkör viszonylag összetettebb topológiájú, a hagyományos két-szintű inverteres áramkörhöz képest, amely csak magas és alacsony szinteket képes kiadni, ez az új inverteráramkör magas és alacsony szinteket tud kimenni a felső és alsó csövek bekapcsolásával, és nulla szintet ad ki a közbülső szintű dióda szorítóhatása révén, összesen három szinten. Ezért ezt három-szintű inverter áramkörnek nevezik.
Vegyük példának az A fázis inverter hídkarjának felezőpontjában bekövetkezett potenciálváltozást a következő ábrán, hogy röviden leírjuk a három szint konkrét jelentését.
- Amikor az A-fázisú hídkar két IGBT-je vezet, az A pont potenciálja megegyezik a pozitív busz potenciáljával, amely U/2. Az egyes IGBT-k által viselt feszültség-platform feszültség U/2, amint azt az 1. hurok mutatja.
- Amikor az A-fázisú hídkar alsó hídkarjának két IGBT-je vezet, a potenciál az A pontban megegyezik a negatív buszpotenciállal, amely -U/2, és az egyes IGBT-k által elviselt feszültségplatform feszültség U/2, a 2. hurok szerint.
- Amikor az A-fázisú hídkaron lévő második IGBT és a bypass szorítódióda vezet, az A-fázisváltó híd A szabadonfutású állapotban van, és az A pontban a potenciál megegyezik a busz felezőpontjában lévő potenciállal, amely 0, a 3. hurok szerint.
A fent ismertetett A fázis három vezető áramköréből tudható, hogy az A pontban lévő potenciál három szintet mutathat: U/2, 0 és -U/2, ezért ezt három-szintű állapotnak nevezzük.2.
2. Közös három - szintű topológia
2.1NPC1 topológia
Az NPC1 (Neutral - Point - Clamped) topológia a legklasszikusabb három - szintű topológia egyike. Optimalizálja a veszteségeloszlást és javítja az EMI-t az aktuális útvonal és a nulla - szintű konverziós mechanizmus optimalizálásával.
Inverteres körülmények között az NPC1 veszteségei főként a T1/T4 csövekben összpontosulnak, beleértve a vezetési és kapcsolási veszteségeket. A T2/T3 normálisan nyitott állapotban van, és a veszteség főként vezetési veszteség. A D5/D6 a kommutáció során vezet, és veszteségei közé tartoznak a vezetési veszteségek és a fordított helyreállítási veszteségek.
Rektifikációs körülmények között a veszteségek elsősorban a D1/D4 és a T2/T3 csövekben összpontosulnak. A D1/D4 csövek vezetési veszteséggel és fordított helyreállítási veszteséggel rendelkeznek, míg a T2/T3 csövek vezetési veszteséget és kapcsolási veszteséget generálnak a kommutáció során. Ezzel szemben a D2/D3 és D5/D6 csövek csak vezetési veszteséggel rendelkeznek.
2.2 NPC2 topológia
Az NPC2 topológia az NPC1 topológián alapuló továbbfejlesztés. Az NPC2-ben közös emitterekkel vagy kollektorokkal és anti - párhuzamos diódákkal rendelkező IGBT-párt használnak az NPC1 rögzítődiódáinak helyettesítésére, kettővel csökkentve a diódák számát. Az NPC2-ben a T1/T4 csövek a teljes buszfeszültséget, a T2/T3 csövek pedig a buszfeszültség felét viselik.
Az inverter állapotában a pozitív fél - ciklusban T2 normálisan nyitva marad, és T1 és D3 kommutál; a negatív fél - ciklusban a T3 normálisan nyitva marad, és T4 és D2 kommutál.
Egyenirányító állapotban a kommutációs folyamat is hasonló az NPC1-hez, de a befogórész eltérő szerkezete miatt a veszteségeloszlás eltér az NPC1-től. Általában a közepes - és alacsony - kapcsolási - frekvenciatartományban az NPC2 topológia teljes vesztesége alacsonyabb, mint az NPC1 topológiáé.
2.3 ANPC topológia
Az ANPC (Active Neutral - Point - Clamped) topológia úgy jön létre, hogy az NPC1 rögzítődiódáit IGBT-kre és anti - párhuzamos diódákra cserélik. Két nulla - szintű kommutációs útvonalat bővít ki, és a nulla - szintű kommutációs utak kiválasztásával és vezérlésével kiegyensúlyozottabb veszteségeloszlás és kisebb kommutációs hurok szórt induktivitása érhető el.3.
3. Három - szintinverter vezérlési módszerei
3.1 Feszültségszabályozás
3.1.1 DC - Oldalsó feszültségszabályozás
A fotovoltaikus energiatermelő rendszerben fenn kell tartani az inverter DC - oldalfeszültségének stabilitását. A DC - oldali feszültséget elsősorban a fotovoltaikus panelek biztosítják. Az olyan tényezők hatására, mint a fényintenzitás és a hőmérséklet, a fotovoltaikus panelek kimeneti feszültsége ingadozni fog. Ezért egy DC - oldali feszültségszabályozási stratégiára van szükség. Az általánosan használt módszerek közé tartozik egy boost konverter vagy egy buck - boost konverter használata az inverter előtt, hogy a DC - oldalfeszültséget stabil értékre állítsák. Például, ha a fotovoltaikus panelek kimeneti feszültsége alacsonyabb, mint a szükséges érték, a tápfeszültség-átalakító növelheti a feszültséget; ha ez magasabb, a buck - boost converter be tudja állítani a feszültséget a megfelelő szintre.
3.1.2 Középső - Pont-potenciálszabályozás
Három - szintű inverterben a középső - pont potenciálingadozás gyakori probléma, különösen az NPC - típusú topológiákban. A középső - pont-potenciálingadozás befolyásolja a kimeneti feszültség hullámformájának minőségét és az eszköz megbízhatóságát. Számos módszer létezik a középső - pontpotenciál szabályozására. Az egyik módszer egy közös - módú komponens hozzáadása a modulációs jelhez. Például a szinuszos impulzus - szélességi moduláció (SPWM) módszerében egy bizonyos közös - módú feszültséget adnak a referenciafeszültséghez, hogy beállítsák a középső - pontú kondenzátor töltési és kisütési idejét, hogy fenntartsák a középső - pont potenciál stabilitását. Egy másik módszer egy visszacsatoló vezérlőrendszer használata a középső - pont potenciál érzékelésére, és az inverter kapcsolási állapotainak módosítása az eltérésnek megfelelően a középső - pont potenciál egyensúly eléréséhez.4.
3.2 Aktuális vezérlés
3.2.1Rács - Csatlakoztatott áramvezérlés
Hálózatra - csatlakoztatott fotovoltaikus invertereknél biztosítani kell, hogy a kimeneti áram ugyanolyan frekvenciában és fázisban legyen, mint a hálózati feszültség. Ez egy rácshoz - csatlakoztatott jelenlegi vezérlési stratégián keresztül érhető el. Egy elterjedt módszer egy fázis - zárt hurok (PLL) használata a kimeneti áram és a hálózati feszültség szinkronizálására. A PLL gyorsan és pontosan nyomon tudja követni a hálózati feszültség frekvenciáját és fázisát. A PLL kimenete alapján áramszabályozót terveznek, például arányos - integrált (PI) vezérlőt vagy arányos - rezonáns (PR) vezérlőt. Az áramszabályozó beállítja az inverter kimeneti feszültségét a referenciaáram és a tényleges kimeneti áram közötti eltérésnek megfelelően, hogy a kimeneti áram megfeleljen a hálózati - csatlakozási követelményeknek.
3.2.2 Kimeneti áram harmonikus vezérlése
A hálózati feszültséggel azonos frekvencia és fázis biztosítása mellett a kimeneti áram harmonikus tartalmának szabályozása is szükséges. Ahogy fentebb említettük, három - szintű inverternek kisebb a kimenő áram harmonikus tartalma, mint két - szintű inverternek, de egyes nagy pontosságú - szintű invertereknél további harmonikus szabályozásra van szükség. Ez a modulációs stratégia optimalizálásával érhető el. Például a tér - vektorimpulzus - szélességmoduláció (SVPWM) használata a hagyományos SPWM helyett csökkentheti a kimeneti áram harmonikus tartalmát. Ezenkívül néhány fejlett vezérlőalgoritmus, például a harmonikus előtolás - előre vezérlés és a több - harmonikus kompenzációs vezérlés szintén használható a kimeneti áram harmonikus tartalmának további csökkentésére.5.
4. A három - szintű inverter előnyei a két - szintű inverterhez képest
4.1 Kimeneti feszültség hullámforma
A két{0}}szintű inverter áramkör által kiadott feszültség hullámalakja:
A három{0}}szintű inverteráramkör által kiadott feszültség hullámforma:
A három-szintű inverterek alapelve az, hogy több szintet használnak egy lépéshullám szintetizálására, hogy közelítsék a szinuszos kimeneti feszültséget. A két-szintű inverterhez képest további kimeneti szintnek köszönhetően az általa kiadott PWM hullám közelebb áll a szinuszos hullámformához. A fenti két ábra a két-szintű és három{5}}szintű inverter által kiadott PWM-hullámformák összehasonlítása. Intuitív módon megkülönböztethető, hogy a három-szintű inverter által kiadott PWM hullámforma közelebb van a szinuszhoz, és kevésbé hullámos.6.
4.2 Kapcsolási veszteség
Egy három-szintű inverter áramkörben az U egyenáramú buszfeszültségen két IGBT osztozik. A hídkaron lévő egyes IGBT-k által viselt feszültség fele a DC oldalon lévő bemeneti feszültségnek, U/2. Egy két-szintű inverteres áramkörben csak az egyik IGBT viseli az egyenáramú busz feszültségét, és a hídkaron lévő egyes IGBT-k által viselt feszültség közvetlenül az egyenáramú oldal bemeneti feszültsége, azaz U. Ezért egy három-szintű inverteráramkörben az IGBT a kettes vezetési szint feszültségének felét viseli, és a második vezetési szint{{6} végén. kapcsolja ki-. Ez meghatározza, hogy a három-szintű IGBT kapcsolási vesztesége sokkal kisebb, mint a két-szintű IGBT7.
4.3 Magas frekvencia
A nagy-feszültségű IGBT-ket befolyásolja az alkalmazási feszültség szintje, amely meghatározza, hogy kapcsolási frekvenciájuk és kapcsolási sebességük sokkal kisebb, mint az alacsony feszültségű IGBT-ké. A három-szintű rendszer azonban lehetővé teszi az alacsony-feszültségű IGBT-k nagy-frekvenciás alkalmazását. Az aktív teljesítményszűrőkkel összehasonlítva a kapcsolási frekvencia szintje nem csak a kompenzáció sebességét, hanem az elérhető kompenzációs frekvencia tartomány szélességét is közvetlenül tükrözi. Minél magasabb az a frekvenciasáv, ahol a kapcsolási frekvencia található. Minél szélesebb a szűrési frekvenciasáv, amelyet a szűrő kiválaszthat a megvalósításhoz, annál szűkebbnek kell lennie; fordítva, minél szűkebbnek kell lennie8.
4.4 Mennyiségi összehasonlítás
Jó bizonyíték az SMA termékcsaládjának fejlődése.
- Két-szintű technológiai termék: Sunny Tripower sorozat.
- Három-szintű technológiai termék: Sunny Highpower sorozat.
A fenti két grafikon adataiból megállapítható, hogy a két-szintű technológiás fotovoltaikus inverteres termékek maximális hatásfoka 98,1%, Európában pedig 97,8%. A három-szintű technológiás fotovoltaikus inverteres termékek maximális hatásfoka elérheti a 99,1%-ot, míg Európában a 98,8%-ot. A kettőt összehasonlítva megállapítható, hogy a három-szintű technológiai termék hatékonysága 1%-kal nőtt9.
5. Jövőbeli fejlődési trendek
5.1 Integráció új félvezető anyagokkal
A félvezető technológia fejlődésével fokozatosan új félvezető anyagokat, például szilícium-karbidot (SiC) és gallium-nitridet (GaN) alkalmaznak az inverterekben. Ezeknek az anyagoknak nagyobb az elektronmobilitásuk, nagyobb a letörési feszültségük és kisebb a - ellenállásuk, mint a hagyományos szilícium anyagok. A három - szintű inverter technológia új félvezető anyagokkal való integrálása tovább javíthatja az inverterek teljesítményét. Például a SiC MOSFET-ek három - szintű inverterben történő használata csökkentheti az eszközök kapcsolási veszteségét és vezetési veszteségét, javíthatja az inverter hatékonyságát, és növelheti a kapcsolási frekvenciát, ami elősegíti az inverter méretének és súlyának további csökkentését, valamint teljesítménysűrűségének javítását.
5.2 Intelligensítés és digitalizáció
a jövőben három - szintű inverter intelligensebb és digitalizáltabb lesz. A mikroelektronikai technológia és a digitális vezérléstechnika fejlődésével az invertereket fejlettebb digitális vezérlőkkel és érzékelőkkel lehet felszerelni. Ezek a digitális vezérlők bonyolultabb vezérlési algoritmusokat valósítanak meg, mint például az adaptív vezérlés, a prediktív vezérlés, valamint a hiba - diagnosztizálása és az önjavító - vezérlés. Az érzékelők valós - időben képesek figyelni az inverter működési állapotát, például a hőmérsékletet, a feszültséget, az áramerősséget és az eszköz állapotát. Az intelligens algoritmusok és a valós - idejű felügyelet révén az inverter az aktuális helyzetnek megfelelően állíthatja be működési paramétereit, javíthatja a rendszer hatékonyságát és megbízhatóságát, valamint megvalósíthatja a távfelügyeletet és az intelligens felügyeletet.
5.3 Magasabb - feszültségű és nagyobb - teljesítményű alkalmazások
Ahogy a fotovoltaikus energiatermelés skálája folyamatosan bővül, a magasabb - feszültségű és magasabb - teljesítményű inverterek iránti igény is növekszik. A három - szintű inverter technológia képes kielégíteni ezt az igényt. Három - szintű inverter topológiájának és szabályozási stratégiájának optimalizálásával, valamint nagy - feszültségű - névleges eszközök használatával három - szintű inverter kimeneti feszültsége és teljesítménye tovább növelhető. Ennek nagy jelentősége van a nagy - léptékű fotovoltaikus erőművek és a nagy - feszültségű - átviteli - vonalra - csatlakoztatott fotovoltaikus termelő rendszerek esetében, amelyek csökkenthetik a szükséges inverterek számát, egyszerűsíthetik a rendszer felépítését és a rendszer összköltségét.10.
- Yu, Chengzhuo, 2023, Háromszintű PWM inverter vezérlése hálózathoz{2}}csatlakozott fotovoltaikus generáló rendszerekhez.
- Zhihu, Magyarázat a háromszintű{0}technológia felsőbbrendűségére.
- Nem-hálózati, három-szintű áramköri elv és közös áramköri topológia elemzés.
- Elektronika rajongó, T-típusú három-szintű fotovoltaikus hálózat-csatlakoztatott inverteres tervezési séma.
- Tang, Yao, 2023, Átlapolt három-szintű T- típusú inverter tervezése és vezérlése nagy teljesítményű alkalmazásokhoz.
- Elektronikus rajongó, A három-szintű és a két-szintű rendszerek előnyeinek összehasonlítása.
- CSDN: A két-szint és a három-szint közötti különbség.
- Baidu Wenku, Két{0}}szint és három{1}}szint összehasonlítása.
- SMA, termékadatok az SMA hivatalos webhelyéről.
- Qitian Power, három{0}}szintű topológiájú párhuzamos inverter.
