Tre-teknologi af fotovoltaiske invertere

Invertere spiller en afgørende rolle i fotovoltaiske elproduktionssystemer, og konverterer den jævnstrøm (DC), der genereres af fotovoltaiske paneler, til vekselstrøm (AC) egnet til nettilslutning eller belastningsbrug. Udviklingen af ​​inverterteknologi har konstant udviklet sig for at opfylde kravene om højere effektivitet, bedre strømkvalitet og lavere omkostninger. Tre --niveau inverterteknologi er et af de vigtige fremskridt på dette område.

Niveaukonceptet i invertere refererer til det spændingsniveau, der bruges til signaltransmission eller energikonvertering. En vekselretter med to --niveauer har kun to spændingsniveauer, høj og lav, hvilket er enkelt i designet og velegnet til applikationer med lav - pris. Tre vekselrettere på --niveau indfører imidlertid et spændingsmidtpunkt på -, hvilket giver tre spændingsniveauer, hvilket giver mulighed for finere spændingsstyring og har flere væsentlige fordele på systemniveau¹.

1. Betydningen af ​​teknologi på tre-niveauer

I 1980'erne foreslog den japanske lærde Nabae et vekselretterkredsløb med tre-niveauer baseret på diodeklemning. Dens typiske topologiske struktur er vist i den følgende figur. Hver broarm i hele inverterkredsløbet er sammensat af 4 Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT'er) og 6 dioder.

Selvom kredsløbet med tre-niveauer er relativt mere komplekst i topologi sammenlignet med det traditionelle inverterkredsløb med to-niveauer, som kun kan udsende høje og lave niveauer, kan dette nye inverterkredsløb udsende høje og lave niveauer gennem tændingen- af de øvre og nedre rør og udsende nulniveau gennem klemeffekten af ​​de i alt tre mellemliggende diodetilstande. Derfor kaldes det et vekselretterkredsløb med tre-niveauer.

Tag potentialændringen ved midtpunktet af inverterbroarmen i fase A i den følgende figur som et eksempel for kort at beskrive den specifikke betydning af de tre niveauer.

• Når de to IGBT'er på A-fasebroarmen leder, er potentialet i punkt A det samme som for den positive bus, som er U/2. Spændingsplatformens spænding, som hver IGBT bærer, er U/2, som vist i sløjfe 1.

• Når de to IGBT'er i den nedre broarm på A--fasebroarmen er ledende, er potentialet i punkt A det samme som det negative buspotentiale, som er -U/2, og spændingsplatformspændingen, som hver IGBT tåler, er U/2, som vist i sløjfe 2.

• Når den anden IGBT på A-fasebroarmen og bypass-spændedioden leder, er A-faseinverterbroen i friløbstilstand, og potentialet i punkt A er det samme som ved midtpunktet af bussen, som er 0, som vist i sløjfe 3.

Fra de tre ledende kredsløb i fase A beskrevet ovenfor, kan det vides, at potentialet i punkt A kan præsentere tre niveauer: U/2, 0 og -U/2, så det kaldes en tre--niveautilstand².

2. Fælles tre - niveautopologier

2.1NPC1 Topologi

NPC1-topologien (Neutral - Point - Clamped) er en af ​​de mest klassiske topologier på tre --niveauer. Det optimerer tabsfordelingen og forbedrer EMI ved at optimere den aktuelle sti og nul --konverteringsmekanisme.

Under inverterforhold er tabene af NPC1 hovedsageligt koncentreret i T1/T4-rørene, inklusive ledningstab og koblingstab. T2/T3 er i normalt åben tilstand, og tabet er hovedsageligt ledningstab. D5/D6 leder under kommutering, og dets tab inkluderer ledningstab og reverse recovery-tab.

Under udbedringsforhold er tabene hovedsageligt koncentreret i D1/D4-rør og T2/T3-rør. D1/D4-rør har ledningstab og omvendte genvindingstab, mens T2/T3-rør genererer ledningstab og koblingstab under kommutering. I modsætning hertil har D2/D3 og D5/D6 rør kun ledningstab.

2.2 NPC2 Topologi

NPC2-topologien er en forbedring baseret på NPC1-topologien. I NPC2 bruges et par IGBT'er med fælles emittere eller samlere og anti - parallelle dioder til at erstatte spændedioderne i NPC1, hvilket reducerer antallet af dioder med to. I NPC2 bærer T1/T4-rør den fulde busspænding, og T2/T3-rør bærer halvdelen af ​​busspændingen.

I invertertilstanden, i den positive halve --cyklus, forbliver T2 normalt åben, og T1 og D3 kommuterer; i den negative halve --cyklus forbliver T3 normalt åben, og T4 og D2 kommuterer.

I opretningstilstanden ligner kommuteringsprocessen også NPC1's, men på grund af den anderledes struktur af spændedelen er tabsfordelingen forskellig fra NPC1's. Generelt er det samlede tab af NPC2-topologien lavere i det mellemstore - og lave - skifte --frekvensområde end NPC1-topologien.

2.3ANPC Topologi

ANPC-topologien (Active Neutral - Point - Clamped) dannes ved at erstatte spændedioderne i NPC1 med IGBT'er og anti - parallelle dioder. Den udvider to nul - niveau kommuteringsveje, og gennem udvælgelse og kontrol af nul - niveau kommuteringsveje kan der opnås mere afbalanceret tabsfordeling og mindre kommuteringssløjfe stray induktans³.

3. Kontrolmetoder for tre --niveauomformere

3.1 Spændingskontrol

3.1.1DC - Sidespændingskontrol

I et fotovoltaisk elproduktionssystem er det nødvendigt at opretholde stabiliteten af ​​DC - sidespændingen på inverteren. DC - sidespændingen leveres hovedsageligt af fotovoltaiske paneler. På grund af påvirkningen af ​​faktorer som lysintensitet og temperatur vil udgangsspændingen fra solcellepanelerne svinge. Derfor er en DC - sidespændingsstyringsstrategi nødvendig. De almindeligt anvendte metoder omfatter brug af en boost-konverter eller en buck - boost-konverter foran inverteren for at justere DC - sidespændingen til en stabil værdi. For eksempel, når udgangsspændingen fra de fotovoltaiske paneler er lavere end den krævede værdi, kan boost-konverteren øge spændingen; når den er højere, kan buck - boost-konverteren justere spændingen til det passende niveau.

3.1.2 Midt - punktpotentialekontrol

I tre vekselrettere på --niveau er den midterste --punkts potentielle fluktuation et almindeligt problem, især i topologier af typen NPC -. Potentialudsvinget i midten af ​​--punktet vil påvirke udgangsspændingsbølgeformens kvalitet og enhedens pålidelighed. Der er mange metoder til at kontrollere det midterste --punktpotentiale. En metode er at tilføje en fælles --tilstandskomponent til modulationssignalet. I den sinusformede puls - width modulation (SPWM)-metoden føjes f.eks. en vis fælles --tilstandsspænding til referencespændingen for at justere opladnings- og afladningstiden for midter---punktskondensatoren for at opretholde stabiliteten af ​​det midterste --punktpotentiale. En anden metode er at bruge et feedback-kontrolsystem til at detektere det midterste --punktpotentiale og justere vekselretterens koblingstilstande i henhold til afvigelsen for at opnå midt---punktpotentialbalancen⁴.

3.2 Strømstyring

3.2.1Grid - Tilsluttet strømstyring

For net - tilsluttede fotovoltaiske invertere er det nødvendigt at sikre, at udgangsstrømmen er i samme frekvens og fase som netspændingen. Dette opnås gennem en net - tilsluttet strømstyringsstrategi. En almindelig metode er at bruge en fase - låst sløjfe (PLL) til at synkronisere udgangsstrømmen med netspændingen. PLL'en kan hurtigt og præcist spore frekvensen og fasen af ​​netspændingen. Baseret på outputtet fra PLL'en er en strømstyring designet, såsom en proportional - integral (PI) controller eller en proportional - resonans (PR) controller. Strømstyringen justerer vekselretterens udgangsspænding i henhold til afvigelsen mellem referencestrømmen og den faktiske udgangsstrøm for at sikre, at udgangsstrømmen opfylder netforbindelseskravene -.

3.2.2 Udgangsstrøm harmonisk kontrol

Udover at sikre samme frekvens og fase som netspændingen, er det også nødvendigt at kontrollere det harmoniske indhold af udgangsstrømmen. Som nævnt ovenfor har tre --niveau-invertere et lavere harmonisk indhold af outputstrøm end to --niveau-invertere, men i nogle applikationsscenarier med høj - præcision er der stadig behov for yderligere harmonisk kontrol. Dette kan opnås ved at optimere moduleringsstrategien. For eksempel kan brug af rum - vektorimpuls - breddemodulation (SVPWM) i stedet for traditionel SPWM reducere det harmoniske indhold af udgangsstrømmen. Derudover kan nogle avancerede kontrolalgoritmer, såsom harmonisk feed - fremad kontrol og multi - harmonisk kompensationskontrol, også bruges til yderligere at reducere det harmoniske indhold af udgangsstrømmen⁵.

4. Fordele ved tre --niveau-invertere sammenlignet med to --niveau-invertere

4.1 Spændingsudgangsbølgeform

Spændingsbølgeformen, der udsendes af inverterkredsløbet med to-niveauer:

Spændingsbølgeformen, der udsendes af et vekselretterkredsløb med tre-niveauer:

Det grundlæggende princip for en vekselretter med tre-niveauer er at bruge flere niveauer til at syntetisere en trinbølge for at tilnærme en sinusformet udgangsspænding. På grund af at have et ekstra udgangsniveau sammenlignet med en to--niveau inverter, er den PWM-bølge, den udsender, tættere på en sinusformet bølgeform. Ovenstående to figurer er en sammenligning af PWM-bølgeformer, der udsendes af vekselrettere på to-niveauer og tre-niveauer. Det kan intuitivt skelnes, at PWM-bølgeformoutputtet fra vekselretteren med tre-niveauer er tættere på sinus og har mindre krusningsindhold⁶.

4.2 Omkoblingstab

I et vekselretterkredsløb med tre-niveauer deles DC-busspændingen U af to IGBT'er. Spændingen, som hver IGBT bærer på broarmen, er halvdelen af ​​indgangsspændingen på DC-siden, U/2. I et vekselretterkredsløb med to-niveauer bærer kun én IGBT DC-busspændingen, og den spænding, som hver IGBT på broarmen bærer, er direkte indgangsspændingen på DC-siden, det vil sige U. Derfor bærer IGBT i et tre--inverterkredsløb halvdelen af spændingen af de to niveauer og i slutningen af ledningsniveauet{{6} slå-fra. Dette bestemmer, at koblingstabet for IGBT på tre-niveauer er meget mindre end tabet på to-niveau ét⁷.

4.3 Højfrekvens

Høj--IGBT'er påvirkes af applikationsspændingsniveauet, som bestemmer, at deres koblingsfrekvens og koblingshastighed er meget mindre end lavspændings-IGBT'er. Systemet med tre-niveauer muliggør imidlertid høj-anvendelse af lav-IGBT'er. Sammenlignet med aktive effektfiltre afspejler niveauet af omskiftningsfrekvens direkte ikke kun kompensationshastigheden, men også bredden af ​​det opnåelige kompensationsfrekvensområde. Jo højere frekvensbånd, hvor omskiftningsfrekvensen er placeret, Jo bredere filtreringsfrekvensbånd, som et filter kan vælge at implementere, desto smallere bør det være; omvendt, jo smallere skal den være⁸.

4.4 Kvantitativ sammenligning

Udviklingen af ​​SMA's produktlinje er et godt bevis.

• To-teknologiprodukt: Sunny Tripower-serien.

• Teknologiprodukt på tre-niveauer: Sunny Highpower-serien.

Ud fra dataene i de to ovenstående grafer kan det opnås, at den maksimale effektivitet for de to{0}}teknologiske fotovoltaiske inverterprodukter er 98,1 %, og effektiviteten i Europa er 97,8 %. Den maksimale effektivitet af de tre-teknologiske fotovoltaiske inverterprodukter kan nå op på 99,1 %, mens den i Europa kan være 98,8 %. Ved at sammenligne de to kan det konstateres, at effektiviteten af ​​de tre-teknologiske produkter er steget med 1 %⁹.

5. Fremtidige udviklingstendenser

5.1 Integration med nye halvledermaterialer

Med udviklingen af ​​halvlederteknologi bliver nye halvledermaterialer som siliciumcarbid (SiC) og galliumnitrid (GaN) gradvist påført invertere. Disse materialer har højere elektronmobilitet, højere nedbrydningsspænding og lavere --modstand end traditionelle siliciummaterialer. Integrering af tre --niveau inverterteknologi med nye halvledermaterialer kan forbedre ydeevnen af ​​invertere yderligere. For eksempel kan brug af SiC MOSFET'er i tre --niveau-invertere reducere koblingstabet og ledningstabet af enhederne, forbedre vekselretterens effektivitet og øge koblingsfrekvensen, hvilket er befordrende for yderligere at reducere størrelsen og vægten af ​​inverteren og forbedre dens effekttæthed.

5.2 Intelligentisering og digitalisering

I fremtiden vil tre invertere på - niveau være mere intelligente og digitaliserede. Med udviklingen af ​​mikroelektronikteknologi og digital kontrolteknologi kan invertere udstyres med mere avancerede digitale controllere og sensorer. Disse digitale controllere kan implementere mere komplekse kontrolalgoritmer, såsom adaptiv kontrol, forudsigelig kontrol og fejl - diagnose og selv - reparationskontrol. Sensorerne kan overvåge inverterens driftsstatus i - realtid, såsom temperatur, spænding, strøm og enhedens helbredsstatus. Gennem intelligente algoritmer og reel - tidsovervågning kan inverteren justere sine driftsparametre i henhold til den faktiske situation, forbedre effektiviteten og pålideligheden af ​​systemet og realisere fjernovervågning og intelligent styring.

5.3 Anvendelser med højere - spænding og højere - strøm

Efterhånden som omfanget af fotovoltaisk elproduktion fortsætter med at udvide, er efterspørgslen efter højere - spænding og højere - strømomformere også stigende. Tre --niveau inverterteknologi har potentialet til at imødekomme denne efterspørgsel. Ved at optimere topologien og kontrolstrategien for tre --niveau-invertere og bruge højspændings---enheder, kan udgangsspændingen og effekten af ​​tre --niveau-invertere øges yderligere. Dette er af stor betydning for store --skala fotovoltaiske kraftværker og højspændings-- transmissions-- linje - forbundne fotovoltaiske generationssystemer, som kan reducere antallet af krævede invertere, forenkle systemstrukturen og reducere de samlede omkostninger ved systemet¹⁰.

1. Yu, Chengzhuo, 2023, Styring af en 3-niveaus PWM-inverter til net-forbundne fotovoltaiske generationssystemer.
2. Zhihu, Forklaring af overlegenheden af ​​teknologi på tre-niveauer.
3. Ikke-netværk, tre-kredsløbsprincip og fælles kredsløbstopologianalyse.
4. Elektronisk entusiast, T-type tre-fotovoltaisk net-tilsluttet inverterdesignskema.
5. Tang, Yao, 2023, Design og kontrol af interleaved tre-niveau T--type inverter til højeffektapplikationer.
6. Elektronisk entusiast, en sammenligning af fordelene ved systemer på tre-niveauer og to-niveauer.
7. CSDN, forskellen mellem to-niveauer og tre-niveauer.
8. Baidu Wenku, Sammenligning mellem to-niveauer og tre-niveauer.
9. SMA, Produktdata fra SMAs officielle hjemmeside.
10. Qitian Power, tre-niveau topologi parallel inverter.