Falowniki odgrywają kluczową rolę w fotowoltaicznych systemach wytwarzania energii, przekształcając prąd stały (DC) generowany przez panele fotowoltaiczne na prąd przemienny (AC) odpowiedni do podłączenia do sieci lub wykorzystania obciążenia. Rozwój technologii inwerterowej stale ewoluuje, aby sprostać wymaganiom wyższej wydajności, lepszej jakości energii i niższych kosztów. Technologia inwerterów trójpoziomowych - jest jednym z ważnych osiągnięć w tej dziedzinie.
Koncepcja poziomu w falownikach odnosi się do poziomu napięcia wykorzystywanego do transmisji sygnału lub konwersji energii. Falownik dwupoziomowy - ma tylko dwa poziomy napięcia, wysoki i niski, co jest proste w konstrukcji i odpowiednie do zastosowań o niskich kosztach -. Jednakże trzy falowniki poziomu - wprowadzają środkowy punkt napięcia -, zapewniając trzy poziomy napięcia, co pozwala na dokładniejszą kontrolę napięcia i ma kilka znaczących zalet na poziomie systemu1.
1. Znaczenie technologii trzech-poziomów
W latach 80. japoński uczony Nabae zaproponował trzy-obwód inwertera oparty na zaciskaniu diody. Jego typową strukturę topologiczną pokazano na poniższym rysunku. Każde ramię mostka całego obwodu falownika składa się z 4 tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką (IGBT) i 6 diod.
Chociaż obwód trójpoziomowy jest stosunkowo bardziej złożony pod względem topologii w porównaniu z tradycyjnym dwupoziomowym obwodem falownika, który może wysyłać tylko wysokie i niskie poziomy, ten nowatorski obwód inwertera może wyprowadzać wysokie i niskie poziomy poprzez-włączenie górnej i dolnej lampy oraz wyjściowy poziom zerowy poprzez efekt zaciskania diody pośredniej, co daje w sumie trzy stany poziomów. Dlatego nazywa się to trójpoziomowym-obwodem falownika.
Jako przykład weź zmianę potencjału w punkcie środkowym ramienia mostka falownika fazy A na poniższym rysunku, aby krótko opisać specyficzne znaczenie trzech poziomów.
- Kiedy dwa tranzystory IGBT na ramieniu mostka-fazy A przewodzą, potencjał w punkcie A jest taki sam, jak potencjał szyny dodatniej, czyli U/2. Napięcie platformy naprężeniowej, które przenosi każdy IGBT, wynosi U/2, jak pokazano w pętli 1.
- Gdy dwa tranzystory IGBT dolnego ramienia mostka fazy A-przewodzą, potencjał w punkcie A jest taki sam jak ujemny potencjał szyny, czyli -U/2, a napięcie platformy naprężenia wytrzymane przez każdy IGBT wynosi U/2, jak pokazano w pętli 2.
- Kiedy drugi IGBT na ramieniu mostka fazy A-i dioda zaciskająca obejścia przewodzą, mostek falownika fazy A-jest w stanie swobodnego ruchu A, a potencjał w punkcie A jest taki sam jak potencjał w punkcie środkowym szyny, czyli 0, jak pokazano w pętli 3.
Z trzech opisanych powyżej obwodów przewodzących fazy A można wiedzieć, że potencjał w punkcie A może przedstawiać trzy poziomy: U/2, 0 i -U/2, dlatego nazywa się to stanem trój-2.
2. Typowe topologie trzech poziomów -
Topologia 2.1NPC1
Topologia NPC1 (punkt neutralny - - zaciśnięty) jest jedną z najbardziej klasycznych topologii trzech poziomów -. Optymalizuje rozkład strat i poprawia EMI poprzez optymalizację ścieżki prądu i mechanizmu konwersji na poziomie zerowym -.
W warunkach inwertera straty NPC1 koncentrują się głównie w lampach T1/T4, włączając straty przewodzenia i straty przełączania. T2/T3 jest w stanie normalnie otwartym, a strata to głównie utrata przewodzenia. D5/D6 przewodzi podczas komutacji, a jego straty obejmują straty przewodzenia i straty odwrotnego odzyskiwania.
W warunkach rektyfikacyjnych straty koncentrują się głównie w rurach D1/D4 i T2/T3. Lampy D1/D4 charakteryzują się stratami w przewodzeniu i stratami w odzyskiwaniu zwrotnym, natomiast lampy T2/T3 generują straty w przewodzeniu i straty przełączania podczas komutacji. Natomiast lampy D2/D3 i D5/D6 mają tylko straty przewodzenia.
2.2 Topologia NPC2
Topologia NPC2 jest ulepszeniem opartym na topologii NPC1. W NPC2 para tranzystorów IGBT ze wspólnymi emiterami lub kolektorami i diodami anty-równoległymi - jest używana zamiast diod zaciskających w NPC1, zmniejszając liczbę diod o dwa. W NPC2 lampy T1/T4 przenoszą pełne napięcie szyny, a lampy T2/T3 przenoszą połowę napięcia szyny.
W stanie falownika, w dodatniej połowie cyklu -, T2 pozostaje normalnie otwarty, a T1 i D3 komutują się; w ujemnej połowie cyklu - T3 pozostaje normalnie otwarty, a T4 i D2 komutują.
W stanie prostowania proces komutacji jest również podobny jak w NPC1, ale ze względu na inną budowę części zaciskowej rozkład strat jest inny niż w NPC1. Ogólnie rzecz biorąc, w średnim - i niskim - zakresie częstotliwości przełączania - całkowite straty w topologii NPC2 są niższe niż w topologii NPC1.
Topologia 2.3ANPC
Topologię ANPC (aktywny punkt neutralny - punkt - zaciśnięty) tworzy się poprzez zastąpienie diod zaciskających w NPC1 tranzystorami IGBT i diodami równoległymi przeciw -. Rozszerza dwie ścieżki komutacji poziomu zerowego -, a poprzez wybór i kontrolę ścieżek komutacji poziomu zerowego - można osiągnąć bardziej zrównoważony rozkład strat i mniejszą indukcyjność rozproszenia pętli komutacyjnej3.
3. Metody sterowania trzema falownikami - poziomu
3.1 Kontrola napięcia
3.1.1 Sterowanie napięciem bocznym DC -
W fotowoltaicznym systemie wytwarzania energii konieczne jest utrzymanie stabilności napięcia po stronie DC - falownika. Napięcie boczne DC - jest dostarczane głównie przez panele fotowoltaiczne. Ze względu na wpływ czynników takich jak natężenie światła i temperatura napięcie wyjściowe paneli fotowoltaicznych będzie się wahać. Dlatego potrzebna jest strategia kontroli napięcia po stronie prądu stałego -. Powszechnie stosowane metody obejmują użycie konwertera podwyższającego lub konwertera podwyższającego buck - przed falownikiem w celu dostosowania napięcia po stronie prądu stałego - do stabilnej wartości. Na przykład, gdy napięcie wyjściowe paneli fotowoltaicznych jest niższe niż wymagana wartość, przetwornica podwyższająca może zwiększyć napięcie; gdy jest ono wyższe, konwerter podwyższający buck - może dostosować napięcie do odpowiedniego poziomu.
3.1.2Kontrola średniego potencjału punktowego -
W falownikach trzech poziomów - częstym problemem jest fluktuacja potencjału punktu środkowego -, szczególnie w topologiach typu NPC -. Wahania potencjału punktu środkowego - będą miały wpływ na jakość kształtu fali napięcia wyjściowego i niezawodność urządzenia. Istnieje wiele metod kontrolowania potencjału punktu środkowego -. Jedną z metod jest dodanie wspólnego składnika trybu - do sygnału modulacji. Na przykład w metodzie modulacji szerokości impulsu sinusoidalnego - (SPWM) do napięcia odniesienia dodaje się pewne napięcie wspólnego trybu - w celu dostosowania czasu ładowania i rozładowywania kondensatora punktu środkowego -, tak aby utrzymać stabilność potencjału punktu środkowego -. Inną metodą jest zastosowanie systemu kontroli ze sprzężeniem zwrotnym w celu wykrycia potencjału punktu środkowego - i dostosowania stanów przełączania falownika zgodnie z odchyleniem, aby osiągnąć równowagę potencjału punktu środkowego -4.
3.2 Bieżąca kontrola
3.2.1Sieć - Podłączone sterowanie prądem
W przypadku inwerterów fotowoltaicznych podłączonych do sieci - należy upewnić się, że prąd wyjściowy ma tę samą częstotliwość i fazę, co napięcie sieciowe. Osiąga się to poprzez strategię sterowania prądem połączoną z siecią -. Powszechną metodą jest użycie pętli synchronizacji fazowej (PLL) w celu synchronizacji prądu wyjściowego z napięciem sieciowym. PLL może szybko i dokładnie śledzić częstotliwość i fazę napięcia sieciowego. W oparciu o wyjście PLL projektowany jest regulator prądu, taki jak proporcjonalny sterownik całkowy - (PI) lub proporcjonalny regulator rezonansowy - (PR). Sterownik prądu reguluje napięcie wyjściowe falownika zgodnie z odchyleniem między prądem odniesienia a rzeczywistym prądem wyjściowym, aby zapewnić, że prąd wyjściowy spełnia wymagania dotyczące podłączenia do sieci -.
3.2.2 Kontrola harmonicznych prądu wyjściowego
Oprócz zapewnienia tej samej częstotliwości i fazy co napięcie sieciowe, konieczna jest również kontrola zawartości harmonicznych prądu wyjściowego. Jak wspomniano powyżej, trzy falowniki poziomu - mają niższą zawartość harmonicznych prądu wyjściowego niż dwa falowniki poziomu -, ale w niektórych scenariuszach zastosowań o wysokiej precyzji - nadal konieczna jest dalsza kontrola harmonicznych. Można to osiągnąć poprzez optymalizację strategii modulacji. Na przykład użycie modulacji szerokości - wektora impulsu przestrzennego - (SVPWM) zamiast tradycyjnego SPWM może zmniejszyć zawartość harmonicznych prądu wyjściowego. Ponadto niektóre zaawansowane algorytmy sterowania, takie jak sterowanie przewodzeniem harmonicznych - w przód i sterowanie kompensacją wielu harmonicznych -, mogą być również użyte w celu dalszego zmniejszenia zawartości harmonicznych w prądzie wyjściowym5.
4.Zalety trzech falowników poziomu - w porównaniu z dwoma falownikami poziomu -
4.1 Przebieg napięcia wyjściowego
Kształt fali napięcia na wyjściu z dwupoziomowego obwodu falownika:
Kształt fali napięcia na wyjściu przez trójpoziomowy-obwód falownika:
Podstawową zasadą trójpoziomowego falownika-jest wykorzystanie wielu poziomów do syntezy fali schodkowej w celu uzyskania w przybliżeniu sinusoidalnego napięcia wyjściowego. Ze względu na dodatkowy poziom wyjściowy w porównaniu z falownikiem dwu-poziomowym, generowana przez niego fala PWM jest bliższa przebiegowi sinusoidalnemu. Powyższe dwie liczby przedstawiają porównanie wyjściowych przebiegów PWM przez inwertery dwu-poziomowe i trzy-poziomowe. Można intuicyjnie rozróżnić, że sygnał wyjściowy PWM z trójpoziomowego falownika jest bliższy sinusowi i ma mniej tętnień6.
4.2 Strata przełączania
W trójpoziomowym obwodzie inwertera- napięcie U szyny DC jest współdzielone przez dwa tranzystory IGBT. Napięcie przenoszone przez każdy IGBT na ramieniu mostka stanowi połowę napięcia wejściowego po stronie prądu stałego, U/2. W dwu- obwodzie falownika tylko jeden IGBT przenosi napięcie szyny prądu stałego, a napięcie przenoszone przez każdy IGBT na ramieniu mostka jest bezpośrednio napięciem wejściowym po stronie prądu stałego, czyli U. Dlatego w trój- obwodzie falownika IGBT przenosi połowę napięcia dwóch-poziomu pierwszego na początku przewodzenia i na końcu-wyłączenia. Oznacza to, że strata przełączania trójpoziomowego IGBT-jest znacznie mniejsza niż strata przełączania dwupoziomowego{{10}pierwszego poziomu7.
4.3 Wysoka częstotliwość
Na wysokonapięciowe tranzystory IGBT ma wpływ poziom napięcia aplikacji, który określa, że ich częstotliwość przełączania i prędkość przełączania są znacznie mniejsze niż w przypadku niskonapięciowych tranzystorów IGBT. Jednakże system-trzypoziomowy umożliwia zastosowanie-wysokiej częstotliwości tranzystorów IGBT o niskim-napięciem. W porównaniu z aktywnymi filtrami mocy, poziom częstotliwości przełączania bezpośrednio odzwierciedla nie tylko prędkość kompensacji, ale także szerokość osiągalnego zakresu częstotliwości kompensacji. Im wyższe pasmo częstotliwości, w którym znajduje się częstotliwość przełączania, im szersze pasmo częstotliwości filtrowania, które filtr może wybrać do wdrożenia, tym węższe powinno być; i odwrotnie, tym węższy powinien być8.
4.4 Porównanie ilościowe
Ewolucja linii produktów SMA jest tego dobrym dowodem.
- Dwupoziomowy produkt technologiczny: seria Sunny Tripower.
- Trzy-produkty technologiczne: seria Sunny Highpower.
Z danych przedstawionych na dwóch powyższych wykresach można stwierdzić, że maksymalna wydajność produktów z inwerterami fotowoltaicznymi w technologii dwu-poziomu wynosi 98,1%, a sprawność w Europie wynosi 97,8%. Maksymalna wydajność produktów z inwerterami fotowoltaicznymi w technologii trzech-technologii może osiągnąć 99,1%, podczas gdy w Europie może wynosić 98,8%. Porównując te dwa elementy, można stwierdzić, że wydajność produktów z technologią trzech-poziomów wzrosła o 1%9.
5.Przyszłe trendy rozwojowe
5.1 Integracja z nowymi materiałami półprzewodnikowymi
Wraz z rozwojem technologii półprzewodników w falownikach stopniowo stosuje się nowe materiały półprzewodnikowe, takie jak węglik krzemu (SiC) i azotek galu (GaN). Materiały te mają wyższą ruchliwość elektronów, wyższe napięcie przebicia i niższą rezystancję - niż tradycyjne materiały krzemowe. Integracja technologii falowników o trzech poziomach - z nowymi materiałami półprzewodnikowymi może jeszcze bardziej poprawić wydajność falowników. Na przykład zastosowanie tranzystorów MOSFET SiC w falownikach o trzech poziomach - może zmniejszyć straty przełączania i straty przewodzenia urządzeń, poprawić wydajność falownika i zwiększyć częstotliwość przełączania, co sprzyja dalszemu zmniejszeniu rozmiaru i masy falownika oraz poprawie jego gęstości mocy.
5.2 Inteligencja i cyfryzacja
w przyszłości trzy falowniki poziomu - będą bardziej inteligentne i cyfrowe. Wraz z rozwojem technologii mikroelektroniki i cyfrowej technologii sterowania, falowniki mogą być wyposażane w bardziej zaawansowane cyfrowe sterowniki i czujniki. Te sterowniki cyfrowe mogą implementować bardziej złożone algorytmy sterowania, takie jak sterowanie adaptacyjne, sterowanie predykcyjne i diagnostyka usterek - oraz kontrola - samodzielnych napraw. Czujniki mogą monitorować stan pracy falownika w czasie rzeczywistym -, taki jak temperatura, napięcie, prąd i stan urządzenia. Dzięki inteligentnym algorytmom i monitorowaniu w czasie rzeczywistym - falownik może dostosowywać swoje parametry pracy do aktualnej sytuacji, poprawiać wydajność i niezawodność systemu oraz realizować zdalne monitorowanie i inteligentne zarządzanie.
5.3 Zastosowania o wyższym - napięciu i wyższej - mocy
Wraz ze wzrostem skali wytwarzania energii fotowoltaicznej rośnie również zapotrzebowanie na falowniki o wyższym - napięciu i wyższej - mocy. Technologia inwerterowa z trzema - poziomami ma potencjał, aby sprostać temu zapotrzebowaniu. Optymalizując topologię i strategię sterowania trzech falowników poziomu - i stosując urządzenia o wysokim napięciu znamionowym - -, można jeszcze bardziej zwiększyć napięcie wyjściowe i moc trzech falowników poziomu -. Ma to ogromne znaczenie w przypadku dużych elektrowni fotowoltaicznych o skali - i systemów wytwarzania fotowoltaicznych połączonych z siecią fotowoltaiczną wysokiego - napięcia - przesyłu - linii -, co może zmniejszyć liczbę wymaganych falowników, uprościć strukturę systemu i obniżyć całkowity koszt systemu10.
- Yu, Chengzhuo, 2023, Sterowanie 3-poziomowym falownikiem PWM dla systemów wytwarzania energii fotowoltaicznej-podłączonych do sieci.
- Zhihu, Wyjaśnienie wyższości technologii trzech-poziomów.
- Zasada działania nie-sieciowego, zasada obwodów-trzypoziomowych i analiza topologii wspólnych obwodów.
- Entuzjasta elektroniki, schemat projektowy falownika z-trzem-poziomem sieci fotowoltaicznej-typu T.
- Tang, Yao, 2023, Projektowanie i sterowanie przeplatanym falownikiem typu T-poziomu T-do zastosowań o dużej mocy.
- Entuzjasta elektroniki. Porównanie zalet systemów trzy-i dwupoziomowych.
- CSDN, różnica między dwoma-poziomami a trzema-poziomami.
- Baidu Wenku, Porównanie poziomu dwu-i trzech-poziomów.
- SMA, dane produktu z oficjalnej strony internetowej firmy SMA.
- Qitian Power, falownik równoległy o trójpoziomowej topologii-.
