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