Invertoarele joacă un rol crucial în sistemele de generare a energiei fotovoltaice, transformând curentul continuu (DC) generat de panourile fotovoltaice în curent alternativ (AC) potrivit pentru conectarea la rețea sau utilizarea sarcinii. Dezvoltarea tehnologiei invertorului a evoluat constant pentru a îndeplini cerințele de eficiență mai mare, calitate mai bună a energiei și costuri mai mici. Tehnologia invertoarelor cu trei niveluri de - este unul dintre progresele importante în acest domeniu.
Conceptul de nivel în invertoare se referă la nivelul de tensiune utilizat pentru transmiterea semnalului sau conversia energiei. Un invertor cu două - niveluri are doar două niveluri de tensiune, înaltă și scăzută, ceea ce are un design simplu și potrivit pentru aplicații cu costuri reduse de -. Cu toate acestea, trei invertoare de nivel - introduc un punct mediu de tensiune -, oferind trei niveluri de tensiune, ceea ce permite un control mai fin al tensiunii și are câteva avantaje semnificative la nivel de sistem1.
1.Semnificația tehnologiei cu trei-nivele
În anii 1980, savantul japonez Nabae a propus un circuit invertor cu trei-niveluri bazat pe fixarea diodelor. Structura sa topologică tipică este prezentată în figura următoare. Fiecare braț de punte al întregului circuit invertor este compus din 4 tranzistoare bipolare cu poartă izolată (IGBT) și 6 diode.
Deși circuitul cu trei-nivele este relativ mai complex în topologie, în comparație cu circuitul invertor tradițional cu două-niveluri, care poate scoate numai niveluri înalte și scăzute, acest circuit invertor nou poate scoate niveluri înalte și scăzute prin pornirea-tuburilor superioare și inferioare și poate scoate nivel zero prin efectul de fixare al diodei intermediare cu trei niveluri, totalizarea stărilor de trei nivele. Prin urmare, se numește circuit invertor cu trei-nivele.
Luați modificarea potențială la punctul de mijloc al brațului podului invertorului din faza A din figura următoare ca exemplu pentru a descrie pe scurt semnificația specifică a celor trei niveluri.
- Când cele două IGBT de pe brațul punții A-fazelor sunt conducătoare, potențialul din punctul A este același cu cel al magistralei pozitive, care este U/2. Tensiunea platformei de stres pe care o suportă fiecare IGBT este U/2, așa cum se arată în bucla 1.
- Când cele două IGBT ale brațului de punte inferior al brațului de punte A-fazat sunt conducătoare, potențialul din punctul A este același cu potențialul negativ al magistralei, care este -U/2, iar tensiunea platformei de tensiune suportată de fiecare IGBT este U/2, așa cum se arată în bucla 2.
- Când cel de-al doilea IGBT de pe brațul punții de fază A-și dioda de prindere de bypass sunt conducătoare, puntea invertorului de fază A-să se află în starea de rulare liberă A, iar potențialul din punctul A este același cu cel din punctul de mijloc al magistralei, care este 0, așa cum se arată în bucla 3.
Din cele trei circuite conductoare ale fazei A descrise mai sus, se poate ști că potențialul din punctul A poate prezenta trei niveluri: U/2, 0 și -U/2, deci se numește stare cu trei-nivele.2.
2.Topologii comune cu trei - niveluri
2.1NPC1 Topologie
Topologia NPC1 (Neutral - Point - Clamped) este una dintre cele mai clasice topologii cu trei niveluri -. Optimizează distribuția pierderilor și îmbunătățește EMI prin optimizarea căii curente și a mecanismului de conversie la nivel zero -.
În condiții de invertor, pierderile de NPC1 sunt concentrate în principal în tuburile T1/T4, inclusiv pierderile de conducție și pierderile de comutare. T2/T3 este în stare normal deschisă, iar pierderea este în principal pierderea conducției. D5/D6 conduce în timpul comutării, iar pierderile sale includ pierderi de conducție și pierderi de recuperare inversă.
În condiții de rectificare, pierderile sunt concentrate în principal în tuburile D1/D4 și tuburile T2/T3. Tuburile D1/D4 au pierderi de conducție și pierderi de recuperare inversă, în timp ce tuburile T2/T3 generează pierderi de conducție și pierderi de comutare în timpul comutării. În schimb, tuburile D2/D3 și D5/D6 au doar pierderi de conducere.
2.2 Topologie NPC2
Topologia NPC2 este o îmbunătățire bazată pe topologia NPC1. În NPC2, o pereche de IGBT-uri cu emițători sau colectori comuni și diode anti- paralele sunt folosite pentru a înlocui diodele de prindere în NPC1, reducând numărul de diode cu două. În NPC2, tuburile T1/T4 poartă întreaga tensiune de magistrală, iar tuburile T2/T3 poartă jumătate din tensiunea de magistrală.
În condiția invertorului, în jumătatea ciclului pozitiv -, T2 rămâne în mod normal deschis, iar T1 și D3 comută; în jumătatea ciclului negativ -, T3 rămâne în mod normal deschis și T4 și D2 comută.
În condiția de rectificare, procesul de comutare este, de asemenea, similar cu cel al NPC1, dar datorită structurii diferite a piesei de prindere, distribuția pierderilor este diferită de cea a NPC1. În general, în intervalul de frecvență de comutare medie - și joasă - -, pierderea totală a topologiei NPC2 este mai mică decât cea a topologiei NPC1.
2.3 Topologia ANPC
Topologia ANPC (Active Neutral - Point - Clamped) este formată prin înlocuirea diodelor de fixare din NPC1 cu IGBT și diode anti- paralele. Extinde două căi de comutație de nivel zero - și, prin selectarea și controlul căilor de comutație de nivel zero -, se poate obține o distribuție mai echilibrată a pierderilor și o inductanță mai mică a buclei de comutație.3.
3.Metode de control a invertoarelor cu trei - niveluri
3.1 Controlul tensiunii
3.1.1DC - Control lateral al tensiunii
Într-un sistem de generare a energiei fotovoltaice, este necesar să se mențină stabilitatea tensiunii laterale DC - a invertorului. Tensiunea laterală DC - este furnizată în principal de panourile fotovoltaice. Datorită influenței unor factori precum intensitatea luminii și temperatura, tensiunea de ieșire a panourilor fotovoltaice va fluctua. Prin urmare, este necesară o strategie de control al tensiunii laterale DC -. Metodele utilizate în mod obișnuit includ utilizarea unui convertor boost sau a unui convertor boost - în fața invertorului pentru a regla tensiunea laterală DC - la o valoare stabilă. De exemplu, atunci când tensiunea de ieșire a panourilor fotovoltaice este mai mică decât valoarea necesară, convertorul boost poate crește tensiunea; când este mai mare, convertorul de amplificare buck - poate ajusta tensiunea la nivelul corespunzător.
3.1.2 Controlul potențialului de - punct mediu
În invertoarele cu trei niveluri -, fluctuația potențialului de la mijlocul - punctului este o problemă comună, în special în topologiile de tip NPC -. Fluctuația potențialului de la mijlocul - punctului va afecta calitatea formei de undă a tensiunii de ieșire și fiabilitatea dispozitivului. Există multe metode pentru a controla potențialul de - punct mediu. O metodă este să adăugați o componentă de mod comun - la semnalul de modulație. De exemplu, în metoda de modulare a lățimii - sinusoidale (SPWM), o anumită tensiune de mod comun - se adaugă la tensiunea de referință pentru a regla timpul de încărcare și descărcare a condensatorului punctului - mijlociu, astfel încât să mențină stabilitatea potențialului punctului - mijlociu. O altă metodă este să utilizați un sistem de control al feedback-ului pentru a detecta potențialul de punct mediu de - și ajusta stările de comutare ale invertorului în funcție de abatere pentru a obține echilibrul de potențial de - punct de mijloc.4.
3.2 Controlul curentului
3.2.1Grid - Control curent conectat
Pentru invertoarele fotovoltaice conectate la rețea -, este necesar să vă asigurați că curentul de ieșire este în aceeași frecvență și fază ca și tensiunea rețelei. Acest lucru se realizează printr-o strategie de control al curentului conectat la rețea -. O metodă comună este utilizarea unei bucle blocate de fază - (PLL) pentru a sincroniza curentul de ieșire cu tensiunea rețelei. PLL poate urmări rapid și precis frecvența și faza tensiunii rețelei. Pe baza ieșirii PLL, este proiectat un controler de curent, cum ar fi un controler proporțional - integral (PI) sau un controler proporțional - rezonant (PR). Controlerul de curent ajustează tensiunea de ieșire a invertorului în funcție de abaterea dintre curentul de referință și curentul de ieșire real pentru a se asigura că curentul de ieșire îndeplinește cerințele de conectare la rețea -.
3.2.2 Controlul armonic al curentului de ieșire
Pe lângă asigurarea aceleiași frecvență și fază ca și tensiunea rețelei, este, de asemenea, necesar să se controleze conținutul armonic al curentului de ieșire. După cum s-a menționat mai sus, trei invertoare de nivel - au un conținut armonic de curent de ieșire mai mic decât două invertoare de nivel -, dar în unele scenarii de aplicare de înaltă precizie -, este încă nevoie de un control armonic suplimentar. Acest lucru poate fi realizat prin optimizarea strategiei de modulare. De exemplu, utilizarea modulației pe lățime a impulsurilor vectoriale - vector - (SVPWM) în loc de SPWM tradițională poate reduce conținutul armonic al curentului de ieșire. În plus, unii algoritmi de control avansați, cum ar fi controlul înainte de alimentare armonică - și controlul compensării armonice multiple -, pot fi, de asemenea, utilizați pentru a reduce și mai mult conținutul armonic al curentului de ieșire5.
4. Avantajele invertoarelor cu trei niveluri de - comparativ cu două invertoare de nivel -
4.1 Forma de undă de ieșire a tensiunii
Forma de undă de tensiune ieșită de circuitul invertor cu două-nivele:
Forma de undă de tensiune ieșită de un circuit invertor cu trei-nivele:
Principiul de bază al unui invertor cu trei-niveluri este de a utiliza mai multe niveluri pentru a sintetiza o undă în trepte pentru a aproxima o tensiune de ieșire sinusoidală. Datorită unui nivel de ieșire suplimentar în comparație cu un invertor cu două-niveluri, unda PWM pe care o emite este mai aproape de o formă de undă sinusoidală. Cele două cifre de mai sus sunt o comparație a formelor de undă PWM ieșite de invertoare cu două-nivele și trei-nivele. Se poate distinge intuitiv că forma de undă PWM de ieșire de către invertorul cu trei-niveluri este mai aproape de sinusoidal și are un conținut de ondulare mai mic6.
4.2 Pierdere de comutare
Într-un circuit invertor cu trei-nivele, tensiunea magistralei CC U este partajată de două IGBT. Tensiunea suportată de fiecare IGBT pe brațul podului este jumătate din tensiunea de intrare pe partea DC, U/2. Într-un circuit invertor cu două-nivele, doar un IGBT poartă tensiunea magistralei de curent continuu, iar tensiunea suportată de fiecare IGBT pe brațul podului este direct tensiunea de intrare pe partea de curent continuu, adică U. Prin urmare, într-un circuit invertor cu trei-nivele, IGBT-ul poartă jumătate din tensiunea celor două-niveluri de oprire la începutul conducției și la sfârșitul unui nivel de oprire. Aceasta determină că pierderea de comutare a IGBT cu trei-niveluri este mult mai mică decât cea a celor două-niveluri unu7.
4.3 Frecvență înaltă
IGBT-urile de-înaltă tensiune sunt afectate de nivelul tensiunii aplicației, ceea ce determină că frecvența și viteza de comutare ale acestora sunt mult mai mici decât cele ale IGBT-urilor de-joasă tensiune. Cu toate acestea, sistemul cu trei-niveluri permite aplicarea de-frecvență înaltă a IGBT-urilor de-joasă tensiune. În comparație cu filtrele de putere activă, nivelul frecvenței de comutare reflectă direct nu numai viteza de compensare, ci și lățimea intervalului de frecvență de compensare realizabil. Cu cât banda de frecvență este mai mare în care se află frecvența de comutare, cu cât banda de frecvență de filtrare este mai largă pe care un filtru o poate selecta, cu atât ar trebui să fie mai îngustă; invers, cu atât ar trebui să fie mai îngustă8.
4.4 Comparație cantitativă
Evoluția liniei de produse SMA este o dovadă bună.
- Produs tehnologic cu două-nivele: Seria Sunny Tripower.
- Produs tehnologic cu trei-nivele: Seria Sunny Highpower.
Din datele din cele două grafice de mai sus, se poate obține că eficiența maximă a produselor invertoare fotovoltaice cu două-nivele este de 98,1%, iar eficiența în Europa este de 97,8%. Eficiența maximă a produselor cu invertor fotovoltaic cu tehnologie cu trei-niveluri poate ajunge la 99,1%, în timp ce în Europa poate fi de 98,8%. Comparând cele două, se poate constata că eficiența produselor tehnologice cu trei-nivele a crescut cu 1%9.
5.Tendințe viitoare de dezvoltare
5.1 Integrarea cu noi materiale semiconductoare
Odată cu dezvoltarea tehnologiei semiconductoare, noi materiale semiconductoare precum carbura de siliciu (SiC) și nitrura de galiu (GaN) sunt aplicate treptat la invertoare. Aceste materiale au o mobilitate mai mare a electronilor, o tensiune de defalcare mai mare și o rezistență mai mică - decât materialele tradiționale din siliciu. Integrarea tehnologiei invertoare cu trei niveluri de - cu noi materiale semiconductoare poate îmbunătăți și mai mult performanța invertoarelor. De exemplu, utilizarea MOSFET-urilor SiC în invertoare cu trei nivele - poate reduce pierderea de comutare și pierderea de conducție a dispozitivelor, îmbunătățirea eficienței invertorului și creșterea frecvenței de comutare, ceea ce conduce la reducerea în continuare a dimensiunii și greutății invertorului și la îmbunătățirea densității puterii acestuia.
5.2 Inteligentizare și digitalizare
În viitor, trei invertoare de nivel - vor fi mai inteligente și mai digitalizate. Odată cu dezvoltarea tehnologiei microelectronice și a tehnologiei de control digital, invertoarele pot fi echipate cu controlere și senzori digitali mai avansați. Aceste controlere digitale pot implementa algoritmi de control mai complecși, cum ar fi controlul adaptiv, controlul predictiv și - diagnosticarea defecțiunilor și controlul auto - reparației. Senzorii pot monitoriza starea de funcționare a invertorului în timp real -, cum ar fi temperatura, tensiunea, curentul și starea de sănătate a dispozitivului. Prin algoritmi inteligenți și monitorizare în timp real -, invertorul își poate ajusta parametrii de funcționare în funcție de situația actuală, poate îmbunătăți eficiența și fiabilitatea sistemului și poate realiza monitorizare de la distanță și management inteligent.
5.3 Tensiune - mai mare și aplicații cu putere - mai mare
Pe măsură ce amploarea producției de energie fotovoltaică continuă să se extindă, cererea pentru invertoare cu tensiune - mai mare și invertoare cu putere - mai mare este, de asemenea, în creștere. Tehnologia invertoarelor cu trei nivele de - are potențialul de a satisface această cerere. Prin optimizarea topologiei și a strategiei de control a invertoarelor cu trei nivele - și utilizând dispozitive cu tensiune nominală de - înaltă -, tensiunea de ieșire și puterea de la trei invertoare de nivel - pot fi crescute în continuare. Acest lucru este de mare importanță pentru centralele fotovoltaice la scară mare - și pentru sistemele de generare fotovoltaică conectate cu - tensiune - transmisie - linii - de înaltă tensiune, care pot reduce numărul de invertoare necesare, simplifica structura sistemului și reduce costul total al sistemului.10.
- Yu, Chengzhuo, 2023, Controlul unui invertor PWM cu 3 niveluri pentru sistemele de generare fotovoltaică conectate la rețea-.
- Zhihu, Explicația superiorității tehnologiei cu trei-nivele.
- Analiză non-rețea, principiul circuitului cu trei-niveluri și analiza topologiei circuitelor comune.
- Pasionat de electronică, schema de proiectare a invertorului conectat la rețea fotovoltaică-tip T-trei-nivele.
- Tang, Yao, 2023, Proiectarea și controlul unui invertor de tip T-T-intercalat cu trei nivele pentru aplicații de mare putere.
- Pasionat de electronică, O comparație a avantajelor sistemelor cu trei-niveluri și două-nivele.
- CSDN, diferența dintre două-nivele și trei-nivele.
- Baidu Wenku, comparație între două-nivele și trei-nivele.
- SMA, Date despre produse de pe site-ul oficial al SMA.
- Qitian Power, inversor paralel cu topologie cu trei-nivele.
