Инверторите играят решаваща роля във фотоволтаичните системи за генериране на електроенергия, преобразувайки постоянния ток (DC), генериран от фотоволтаичните панели, в променлив ток (AC), подходящ за свързване към мрежата или натоварване. Развитието на инверторната технология непрекъснато се развива, за да отговори на изискванията за по-висока ефективност, по-добро качество на захранването и по-ниска цена. Инверторната технология с три - нива е един от важните постижения в тази област.
Концепцията за ниво в инверторите се отнася до нивото на напрежение, използвано за предаване на сигнал или преобразуване на енергия. Инвертор с две - нива има само две нива на напрежение, високо и ниско, което е с проста конструкция и е подходящо за приложения с ниска - цена. Инверторите с три нива - обаче въвеждат средна точка на напрежението -, осигурявайки три нива на напрежение, което позволява по-фин контрол на напрежението и има няколко значителни предимства на системно ниво1.
1. Значението на технологията на три-нива
През 80-те години на миналия век японският учен Набае предложи три-степенна инверторна схема, базирана на диодно затягане. Неговата типична топологична структура е показана на следващата фигура. Всяко мостово рамо на цялата инверторна верига се състои от 4 биполярни транзистора с изолиран затвор (IGBT) и 6 диода.
Въпреки че три{0}}степенната схема е сравнително по-сложна като топология в сравнение с традиционната дву-степенна инверторна верига, която може да извежда само високи и ниски нива, тази нова инверторна верига може да извежда високи и ниски нива чрез включване-на горната и долната тръби и да извежда нулево ниво чрез затягащия ефект на междинния диод, общо три състояния на ниво. Следователно тя се нарича три-степенна инверторна верига.
Вземете потенциалната промяна в средната точка на рамото на инверторния мост на фаза А на следващата фигура като пример, за да опишете накратко специфичното значение на трите нива.
- Когато двата IGBT на рамото на моста за фаза A- са проводящи, потенциалът в точка А е същият като този на положителната шина, който е U/2. Напрежението на платформата за напрежение, което носи всеки IGBT, е U/2, както е показано в контур 1.
- Когато двата IGBT на долното рамо на моста на A-фазовото рамо на моста са проводящи, потенциалът в точка А е същият като отрицателния потенциал на шината, който е -U/2, а напрежението на платформата на напрежение, издържано от всеки IGBT, е U/2, както е показано в контур 2.
- Когато вторият IGBT на рамото на моста на фазата A- и байпасният затягащ диод са проводящи, мостът на инвертора на фазата A- е в състояние на свободен ход и потенциалът в точка А е същият като този в средната точка на шината, който е 0, както е показано в контур 3.
От трите проводящи вериги на фаза А, описани по-горе, може да се знае, че потенциалът в точка А може да представи три нива: U/2, 0 и -U/2, поради което се нарича състояние на три-нива2.
2. Общи топологии на три - нива
2.1 Топология NPC1
Топологията NPC1 (Neutral - Point - Clamped) е една от най-класическите топологии на три - нива. Той оптимизира разпределението на загубите и подобрява EMI чрез оптимизиране на текущия път и механизма за преобразуване на нулево - ниво.
При инверторни условия загубите на NPC1 са концентрирани главно в тръбите T1/T4, включително загуби на проводимост и загуби при превключване. T2/T3 е в нормално отворено състояние и загубата е главно загуба на проводимост. D5/D6 провежда по време на комутация и неговите загуби включват загуби на проводимост и загуби при обратно възстановяване.
При условия на коригиране загубите са концентрирани главно в тръбите D1/D4 и тръбите T2/T3. Тръбите D1/D4 имат загуби на проводимост и загуби при обратно възстановяване, докато тръбите T2/T3 генерират загуби на проводимост и загуби при превключване по време на комутация. За разлика от тях, тръбите D2/D3 и D5/D6 имат само загуби на проводимост.
2.2 Топология на NPC2
Топологията NPC2 е подобрение, базирано на топологията NPC1. В NPC2 чифт IGBT с общи излъчватели или колектори и анти - паралелни диоди се използват за замяна на затягащите диоди в NPC1, намалявайки броя на диодите с два. В NPC2 тръбите T1/T4 носят пълното напрежение на шината, а тръбите T2/T3 носят половината от напрежението на шината.
В състояние на инвертор, в положителния половин - цикъл, T2 остава нормално отворен, а T1 и D3 комутират; в отрицателната половина - цикъл, T3 остава нормално отворен, а T4 и D2 комутират.
В условията на коригиране процесът на комутация също е подобен на този на NPC1, но поради различната структура на затягащата част, разпределението на загубите е различно от това на NPC1. Обикновено в средния - и нисък - превключващ честотен диапазон - общата загуба на топологията NPC2 е по-ниска от тази на топологията NPC1.
2.3 Топология на ANPC
Топологията ANPC (активна неутрална - точка - захваната) се формира чрез замяна на затягащите диоди в NPC1 с IGBT и анти - паралелни диоди. Той разширява две комутационни пътеки на нулево - ниво и чрез избора и контрола на комутационните пътеки на нулево - ниво може да се постигне по-балансирано разпределение на загубите и по-малка паразитна индуктивност на комутационния контур3.
3. Методи за управление на три - инвертора на ниво
3.1 Контрол на напрежението
3.1.1DC - Странично управление на напрежението
Във фотоволтаична система за генериране на електроенергия е необходимо да се поддържа стабилността на DC - страничното напрежение на инвертора. DC - страничното напрежение се осигурява главно от фотоволтаичните панели. Поради влиянието на фактори като интензитет на светлината и температура, изходното напрежение на фотоволтаичните панели ще варира. Следователно е необходима стратегия за контрол на напрежението от страна на DC -. Често използваните методи включват използване на усилващ преобразувател или доларов - усилващ преобразувател пред инвертора за регулиране на постояннотоковото - странично напрежение до стабилна стойност. Например, когато изходното напрежение на фотоволтаичните панели е по-ниско от изискваната стойност, усилвателният преобразувател може да увеличи напрежението; когато е по-високо, усилващият преобразувател - може да регулира напрежението до подходящото ниво.
3.1.2 Среден - контрол на потенциала на точката
В инверторите с три нива - потенциалната флуктуация на средната - точка е често срещан проблем, особено в топологии тип NPC -. Потенциалната флуктуация на средната - точка ще повлияе на качеството на вълната на изходното напрежение и надеждността на устройството. Има много методи за контрол на потенциала на средната - точка. Един от методите е да се добави компонент на общ режим - към модулационния сигнал. Например, при метода на синусоидална импулсна - широчинна модулация (SPWM), определено общо напрежение в - режим се добавя към референтното напрежение, за да се регулира времето за зареждане и разреждане на кондензатора със средна - точка, така че да се поддържа стабилността на потенциала на средната - точка. Друг метод е да се използва система за управление с обратна връзка за откриване на потенциала на средната - точка и регулиране на състоянията на превключване на инвертора според отклонението, за да се постигне баланс на потенциала на средната - точка4.
3.2 Текущ контрол
3.2.1 Решетка - Контрол на свързания ток
За фотоволтаични инвертори, свързани към мрежата -, е необходимо да се гарантира, че изходният ток е със същата честота и фаза като напрежението на мрежата. Това се постига чрез мрежа - свързана стратегия за контрол на тока. Често срещан метод е да се използва фазова - заключена верига (PLL) за синхронизиране на изходния ток с напрежението на мрежата. PLL може бързо и точно да проследява честотата и фазата на мрежовото напрежение. Въз основа на изхода на PLL се проектира токов контролер, като например пропорционален - интегрален (PI) контролер или пропорционален - резонансен (PR) контролер. Токовият контролер регулира изходното напрежение на инвертора според отклонението между референтния ток и действителния изходен ток, за да гарантира, че изходният ток отговаря на изискванията за свързване към мрежата -.
3.2.2 Хармоничен контрол на изходния ток
В допълнение към осигуряването на същата честота и фаза като напрежението на мрежата, е необходимо също така да се контролира хармоничното съдържание на изходния ток. Както бе споменато по-горе, три инвертора с ниво на - имат по-ниско хармонично съдържание на изходен ток от два инвертора с ниво на -, но в някои сценарии на приложение с висока - прецизност все още е необходим допълнителен хармоничен контрол. Това може да се постигне чрез оптимизиране на стратегията за модулация. Например, използването на пространствена - векторна импулсна - широчинна модулация (SVPWM) вместо традиционната SPWM може да намали хармоничното съдържание на изходния ток. В допълнение, някои усъвършенствани алгоритми за управление, като хармонично захранване - напред управление и мулти - хармонично компенсационно управление, също могат да се използват за допълнително намаляване на хармоничното съдържание на изходния ток5.
4. Предимства на три - инвертора на ниво в сравнение с два - инвертора на ниво
4.1 Форма на вълната на изходното напрежение
Изходната форма на вълната на напрежението от дву{0}}степенната инверторна верига:
Изходната форма на вълната на напрежението от три{0}}степенна инверторна верига:
Основният принцип на три{0}}степенния инвертор е да се използват множество нива за синтезиране на стъпкова вълна за приближаване на синусоидално изходно напрежение. Поради наличието на допълнително изходно ниво в сравнение с дву-степенен инвертор, PWM вълната, която извежда, е по-близка до синусоидална форма на вълната. Горните две фигури са сравнение на вълновите форми на ШИМ, извеждани от инвертори с две-ниво и три-ниво. Може да се различи интуитивно, че изходната форма на вълната на ШИМ от три-степенния инвертор е по-близо до синуса и има по-малко съдържание на пулсации6.
4.2 Загуба при превключване
В три{0}}степенна инверторна верига напрежението U на постояннотоковата шина се споделя от два IGBT. Напрежението, поемано от всеки IGBT на рамото на моста, е половината от входното напрежение от страна на DC, U/2. В дву-степенна инверторна верига само един IGBT носи напрежението на DC шината, а напрежението, поемано от всеки IGBT на рамото на моста, е директно входното напрежение от страната на DC, т.е. U. Следователно, в три-нивна инверторна верига IGBT носи половината от напрежението на двете-ниво едно в началото на проводимостта и в края на изключване-. Това определя, че загубата при превключване на три-ниво IGBT е много по-малка от тази на две-ниво едно7.
4.3 Висока честота
IGBT с високо-напрежение се влияят от нивото на напрежението на приложението, което определя, че тяхната честота на превключване и скорост на превключване са много по-малки от тези на IGBT с ниско{1}}напрежение. Три{3}}системата обаче позволява високочестотното-прилагане на IGBT с ниско-напрежение. В сравнение с филтрите за активна мощност, нивото на честотата на превключване директно отразява не само скоростта на компенсация, но и ширината на постижимия честотен диапазон на компенсация. Колкото по-висока е честотната лента, където се намира честотата на превключване, толкова по-широка честотна лента на филтриране, която филтърът може да избере да приложи, толкова по-тясна трябва да бъде; обратно, толкова по-тясно трябва да бъде8.
4.4 Количествено сравнение
Еволюцията на продуктовата линия на SMA е добро доказателство.
- Дву{0}}технологичен продукт: Sunny Tripower Series.
- Технологичен продукт на три{0}}нива: Серия Sunny Highpower.
От данните в горните две графики може да се получи, че максималната ефективност на фотоволтаичните инверторни продукти с две-технологични нива е 98,1%, а ефективността в Европа е 97,8%. Максималната ефективност на три{4}}технологичните фотоволтаични инверторни продукти може да достигне 99,1%, докато в Европа може да бъде 98,8%. Чрез сравняване на двете може да се установи, че ефективността на технологичните продукти от три-нива се е увеличила с 1%9.
5. Бъдещи тенденции на развитие
5.1 Интегриране с нови полупроводникови материали
С развитието на полупроводниковата технология нови полупроводникови материали като силициев карбид (SiC) и галиев нитрид (GaN) постепенно се прилагат към инверторите. Тези материали имат по-висока подвижност на електрони, по-високо пробивно напрежение и по-ниска - устойчивост от традиционните силициеви материали. Интегрирането на инверторна технология с три нива - с нови полупроводникови материали може допълнително да подобри производителността на инверторите. Например, използването на SiC MOSFET в инвертори с три нива на - може да намали загубата при превключване и загубата на проводимост на устройствата, да подобри ефективността на инвертора и да увеличи честотата на превключване, което е благоприятно за допълнително намаляване на размера и теглото на инвертора и подобряване на неговата плътност на мощността.
5.2 Интелигентизация и цифровизация
В бъдеще инверторите с три нива на - ще бъдат по-интелигентни и цифровизирани. С развитието на технологията за микроелектроника и технологията за цифрово управление, инверторите могат да бъдат оборудвани с по-модерни цифрови контролери и сензори. Тези цифрови контролери могат да прилагат по-сложни алгоритми за управление, като адаптивно управление, предсказуемо управление и - диагностика на неизправности и самопоправяне - управление. Сензорите могат да наблюдават работното състояние на инвертора в реално - време, като температура, напрежение, ток и изправно състояние на устройството. Чрез интелигентни алгоритми и наблюдение в реално - време, инверторът може да коригира работните си параметри според действителната ситуация, да подобри ефективността и надеждността на системата и да реализира дистанционно наблюдение и интелигентно управление.
5.3 Приложения с по-високо - напрежение и по-високо - захранване
Тъй като мащабът на фотоволтаичното производство на електроенергия продължава да се разширява, търсенето на инвертори с по-високо - напрежение и по-висока - мощност също се увеличава. Инверторната технология с три - нива има потенциала да отговори на това търсене. Чрез оптимизиране на топологията и стратегията за управление на три инвертора с ниво - и използване на устройства с номинално ниво на високо - напрежение -, изходното напрежение и мощност на инвертори с ниво на три - могат да бъдат допълнително увеличени. Това е от голямо значение за фотоволтаични електроцентрали с голям - мащаб и високо - напрежение - преносна - линия - свързани фотоволтаични генериращи системи, които могат да намалят броя на необходимите инвертори, да опростят структурата на системата и да намалят общата цена на системата10.
- Yu, Chengzhuo, 2023 г., Управление на 3-степенен PWM инвертор за фотоволтаични генериращи системи,-свързани с мрежа.
- Zhihu, Обяснение на превъзходството на три{0}}технологията на нивата.
- Не{0}}мрежов, три{1}}схемен принцип и общ анализ на топологията на веригата.
- Електронен ентусиаст, T-тип три-фотоволтаична мрежа-свързана инверторна проектна схема.
- Танг, Яо, 2023 г., Проектиране и управление на три{1}}ниво T-тип инвертор за приложения с висока мощност.
- Електронен ентусиаст, Сравнение на предимствата на три{0}}степенни и дву-системи.
- CSDN, Разликата между две-ниво и три-ниво.
- Baidu Wenku, Сравнение между две-ниво и три-ниво.
- SMA, Данни за продукта от официалния уебсайт на SMA.
- Qitian Power, три{0}}степенен паралелен инвертор с топология.