Tri{0}}tehnologija fotonaponskih invertera

Invertori igraju ključnu ulogu u fotonaponskim sistemima za proizvodnju energije, pretvarajući jednosmjernu struju (DC) koju generiraju fotonaponski paneli u naizmjeničnu struju (AC) prikladnu za povezivanje na mrežu ili korištenje opterećenja. Razvoj inverterske tehnologije neprestano se razvija kako bi zadovoljio zahtjeve veće efikasnosti, boljeg kvaliteta električne energije i niže cijene. Tehnologija pretvarača sa tri nivoa - jedan je od važnih napretka u ovoj oblasti.

Koncept nivoa u inverterima se odnosi na nivo napona koji se koristi za prenos signala ili konverziju energije. Inverter sa dva nivoa - ima samo dva nivoa napona, visoki i niski, što je jednostavnog dizajna i pogodno za aplikacije niske cijene -. Međutim, tri pretvarača nivoa - uvode srednju tačku napona -, obezbjeđujući tri nivoa napona, što omogućava finiju kontrolu napona i ima nekoliko značajnih prednosti na nivou sistema¹.

1. Značenje tehnologije na tri-razina

1980-ih, japanski naučnik Nabae je predložio tro-invertersko kolo bazirano na stezanju dioda. Njegova tipična topološka struktura prikazana je na sljedećoj slici. Svaki krak mosta cijelog inverterskog kruga se sastoji od 4 bipolarna tranzistora s izoliranim vratima (IGBT) i 6 dioda.

Iako je tro-kolo relativno složenije u topologiji, u poređenju sa tradicionalnim dvo-inverterskim krugom koje može emitovati samo visoke i niske nivoe, ovo novo invertersko kolo može emitovati visoke i niske nivoe putem-uključenja gornje i donje cijevi i emitovati nulti nivo kroz efekat stezanja diode srednjeg nivoa, ukupno stanje. Stoga se naziva tro-invertersko kolo.

Uzmite potencijalnu promjenu na sredini kraka mosta invertera faze A na sljedećoj slici kao primjer da ukratko opišete specifično značenje tri nivoa.

• Kada dva IGBT-a na A-faznom kraku mosta provode, potencijal u tački A je isti kao i kod pozitivne magistrale, a to je U/2. Napon naponske platforme koji nosi svaki IGBT je U/2, kao što je prikazano u Petlji 1.

• Kada dva IGBT-a donjeg kraka mosta A-faznog kraka mosta provode, potencijal u tački A je isti kao i negativni potencijal magistrale, koji je -U/2, a napon platforme naprezanja koji podnosi svaki IGBT je U/2, kao što je prikazano u petlji 2.

• Kada drugi IGBT na A-faznom kraku mosta i dioda za stezanje premosnice provode, A-fazni inverterski most je u A stanju slobodnog hoda, a potencijal u tački A je isti kao onaj u sredini magistrale, koja je 0, kao što je prikazano u petlji 3.

Iz tri provodna kola faze A opisana gore, može se znati da potencijal u tački A može imati tri nivoa: U/2, 0 i -U/2, tako da se naziva tro- stanje².

2. Uobičajena tri - topologija nivoa

2.1NPC1 topologija

NPC1 (neutralna - tačka - spojena) topologija je jedna od najklasičnijih topologija sa tri nivoa -. Optimizira distribuciju gubitaka i poboljšava EMI optimiziranjem trenutnog puta i mehanizma konverzije nultog - nivoa.

U uslovima pretvarača, gubici NPC1 su uglavnom koncentrisani u T1/T4 cevima, uključujući gubitke u provodljivosti i gubitke pri prebacivanju. T2/T3 je u normalno otvorenom stanju, a gubitak je uglavnom gubitak provodljivosti. D5/D6 provode tokom komutacije, a njegovi gubici uključuju gubitke provodljivosti i gubitke povratnog oporavka.

U uslovima ispravljanja, gubici su uglavnom koncentrisani u cevima D1/D4 i T2/T3 cevima. D1/D4 cijevi imaju gubitke provodljivosti i povratne gubitke, dok T2/T3 cijevi generiraju gubitke provodljivosti i komutacijske gubitke tokom komutacije. Nasuprot tome, D2/D3 i D5/D6 cijevi imaju samo gubitke provodljivosti.

2.2 NPC2 topologija

NPC2 topologija je poboljšanje zasnovano na NPC1 topologiji. U NPC2, par IGBT sa zajedničkim emiterima ili kolektorima i anti - paralelnim diodama se koristi za zamjenu dioda za stezanje u NPC1, smanjujući broj dioda za dvije. U NPC2, T1/T4 cijevi nose puni napon sabirnice, a T2/T3 cijevi nose polovinu napona sabirnice.

U stanju pretvarača, u pozitivnoj polovini ciklusa -, T2 ostaje normalno otvoren, a T1 i D3 komutiraju; u negativnoj polovini ciklusa -, T3 ostaje normalno otvoren, a T4 i D2 komutiraju.

U stanju ispravljanja, proces komutacije je također sličan onom kod NPC1, ali zbog različite strukture steznog dijela, raspodjela gubitaka je drugačija od one kod NPC1. Općenito, u srednjem - i niskom - komutacijskom - frekventnom opsegu, ukupni gubitak NPC2 topologije je manji od onog kod NPC1 topologije.

2.3 ANPC topologija

ANPC (aktivna neutralna - tačka - spojena) topologija se formira zamjenom dioda za stezanje u NPC1 sa IGBT i anti - paralelnim diodama. Proširuje dvije komutacijske staze nultog nivoa -, a kroz odabir i kontrolu komutacijskih putanja nultog nivoa -, može se postići uravnoteženija raspodjela gubitaka i manja zalutala induktivnost komutacijske petlje³.

3. Metode upravljanja tri - pretvarača nivoa

3.1 Kontrola napona

3.1.1DC - Bočna kontrola napona

U fotonaponskom sistemu za proizvodnju energije potrebno je održavati stabilnost DC - bočnog napona pretvarača. DC - bočni napon uglavnom obezbjeđuju fotonaponski paneli. Zbog utjecaja faktora kao što su intenzitet svjetlosti i temperatura, izlazni napon fotonaponskih panela će fluktuirati. Stoga je potrebna strategija kontrole napona sa strane DC -. Uobičajene metode uključuju korištenje pojačivača ili dodatnog - pojačivača ispred pretvarača za podešavanje DC - bočnog napona na stabilnu vrijednost. Na primjer, kada je izlazni napon fotonaponskih panela niži od potrebne vrijednosti, pojačani pretvarač može povećati napon; kada je veći, buck - konvertor može podesiti napon na odgovarajući nivo.

3.1.2 Kontrola potencijala srednje - tačke

U tri pretvarača nivoa -, potencijalna fluktuacija srednje tačke - je uobičajen problem, posebno u topologijama tipa NPC -. Fluktuacija potencijala srednje tačke - će uticati na kvalitet talasnog oblika izlaznog napona i pouzdanost uređaja. Postoji mnogo metoda za kontrolu srednjeg potencijala - tačke. Jedna metoda je dodavanje uobičajene komponente - modalacionog signala. Na primjer, u metodi modulacije širine sinusoidalnog impulsa - (SPWM), određeni uobičajeni napon - moda se dodaje referentnom naponu kako bi se podesilo vrijeme punjenja i pražnjenja kondenzatora srednje tačke -, kako bi se održala stabilnost srednjeg - potencijala tačke. Druga metoda je korištenje kontrolnog sistema povratne sprege za detekciju srednjeg potencijala tačke - i podešavanje stanja preklapanja pretvarača prema devijaciji kako bi se postigao balans potencijala srednje tačke -⁴.

3.2 Kontrola struje

3.2.1 Mreža - Povezana strujna kontrola

Za fotonaponske invertore povezane na mrežu -, potrebno je osigurati da izlazna struja bude na istoj frekvenciji i fazi kao i napon mreže. Ovo se postiže strategijom kontrole struje povezane mreže -. Uobičajena metoda je korištenje fazne - zaključane petlje (PLL) za sinhronizaciju izlazne struje sa naponom mreže. PLL može brzo i precizno pratiti frekvenciju i fazu napona mreže. Na osnovu izlaza PLL-a, dizajniran je strujni kontroler, kao što je proporcionalni - integralni (PI) kontroler ili proporcionalni - rezonantni (PR) kontroler. Regulator struje podešava izlazni napon pretvarača prema odstupanju između referentne struje i stvarne izlazne struje kako bi osigurao da izlazna struja ispunjava zahtjeve za povezivanje mreže -.

3.2.2 Harmonička kontrola izlazne struje

Osim osiguravanja iste frekvencije i faze kao napon mreže, potrebno je i kontrolisati sadržaj harmonika izlazne struje. Kao što je gore spomenuto, tri pretvarača nivoa - imaju niži harmonijski sadržaj izlazne struje od dva pretvarača nivoa -, ali u nekim scenarijima primjene visoke - preciznosti, daljnja kontrola harmonika je i dalje potrebna. Ovo se može postići optimizacijom modulacijske strategije. Na primjer, korištenje vektorske modulacije širine - vektorskog impulsa - (SVPWM) umjesto tradicionalnog SPWM može smanjiti sadržaj harmonika izlazne struje. Osim toga, neki napredni algoritmi upravljanja, kao što su harmonijska kontrola - naprijed i kontrola višestruke - kompenzacije harmonika, također se mogu koristiti za dalje smanjenje sadržaja harmonika izlazne struje⁵.

4.Prednosti tri invertora - nivoa u poređenju sa dva - pretvarača nivoa

4.1 Talasni oblik izlaznog napona

Talasni oblik napona na izlazu iz dva-kola invertera:

Izlaz talasnog oblika napona putem inverterskog kola na tri-razina:

Osnovni princip pretvarača sa tri-razina je korištenje više nivoa za sintezu koraka talasa za aproksimaciju sinusoidnog izlaznog napona. Zbog dodatnog izlaznog nivoa u poređenju sa invertorom na dva-razina, PWM talas koji on proizvodi je bliži sinusoidnom talasnom obliku. Gornje dvije slike su poređenje PWM talasnih oblika koji izlaze sa dva-i tri-razina invertera. Intuitivno se može razlikovati da je izlaz PWM talasnog oblika od tro-invertera bliži sinusnom i ima manje talasanja⁶.

4.2 Gubitak prebacivanja

U trostepenom inverterskom kolu, napon DC sabirnice U dijele dva IGBT-a. Napon koji nosi svaki IGBT na kraku mosta je polovina ulaznog napona na DC strani, U/2. U dvostepenom inverterskom kolu, samo jedan IGBT nosi napon istosmjerne sabirnice, a napon koji nosi svaki IGBT na kraku mosta je direktno ulazni napon na DC strani, odnosno U. Prema tome, u tro-inverterskom kolu, IGBT nosi polovinu napona dva- na početku skretanja- na početku skretanja. Ovo određuje da je komutacijski gubitak IGBT tri-nivoa mnogo manji od gubitka dva{10}}nivoa jedan⁷.

4.3 Visoka frekvencija

Visoko{0}}naponski IGBT-ovi su pod uticajem nivoa napona aplikacije, što određuje da su njihova frekvencija i brzina prebacivanja mnogo manje od onih kod niskonaponskih IGBT-ova. Međutim, sistem na tri-stepena omogućava visoko{4}}primenu niskonaponskih-IGBT-ova. U poređenju sa filterima aktivne snage, nivo frekvencije preklapanja direktno odražava ne samo brzinu kompenzacije već i širinu opsega frekvencije kompenzacije. Što je veći frekventni opseg na kojem se nalazi frekvencija prebacivanja, što je širi opseg frekvencije filtriranja koji filter može odabrati da implementira, to bi trebao biti uži; obrnuto, što bi trebalo da bude uži⁸.

4.4 Kvantitativno poređenje

Evolucija SMA-ove linije proizvoda je dobar dokaz.

• Dvo{0}}tehnološki proizvod: Sunny Tripower serija.

• Tri{0}}tehnološki proizvod: Sunny Highpower serija.

Iz podataka u gornja dva grafikona može se dobiti da je maksimalna efikasnost fotonaponskih inverterskih proizvoda s dva-stepena tehnologija 98,1%, a efikasnost u Evropi 97,8%. Maksimalna efikasnost fotonaponskih inverterskih proizvoda sa tri{4}}stepene tehnologije može dostići 99,1%, dok u Evropi može biti 98,8%. Upoređivanjem ova dva, može se ustanoviti da je efikasnost proizvoda sa tri-tehnološke razine povećana za 1%⁹.

5.Trendovi budućeg razvoja

5.1 Integracija s novim poluvodičkim materijalima

Sa razvojem poluvodičke tehnologije, novi poluvodički materijali kao što su silicijum karbid (SiC) i galijum nitrid (GaN) postepeno se primenjuju na pretvarače. Ovi materijali imaju veću pokretljivost elektrona, veći napon proboja i nižu otpornost na - od tradicionalnih silicijumskih materijala. Integracija tehnologije invertera tri nivoa - sa novim poluvodičkim materijalima može dodatno poboljšati performanse invertera. Na primjer, korištenje SiC MOSFET-a u tri pretvarača - nivoa može smanjiti komutacijski gubitak i gubitak provodljivosti uređaja, poboljšati efikasnost pretvarača i povećati frekvenciju prebacivanja, što doprinosi daljem smanjenju veličine i težine pretvarača i poboljšanju njegove gustine snage.

5.2 Inteligentizacija i digitalizacija

U budućnosti će tri pretvarača nivoa - biti inteligentnija i digitalizovanija. Sa razvojem tehnologije mikroelektronike i tehnologije digitalnog upravljanja, pretvarači mogu biti opremljeni naprednijim digitalnim kontrolerima i senzorima. Ovi digitalni kontroleri mogu implementirati složenije algoritme upravljanja, kao što su adaptivna kontrola, prediktivna kontrola i dijagnostika kvarova - i kontrola samopopravke -. Senzori mogu pratiti radni status pretvarača u stvarnom - vremenu, kao što su temperatura, napon, struja i stanje zdravlja uređaja. Putem inteligentnih algoritama i nadzora u realnom vremenu -, pretvarač može prilagoditi svoje radne parametre prema stvarnoj situaciji, poboljšati efikasnost i pouzdanost sistema, te ostvariti daljinski nadzor i inteligentno upravljanje.

5.3 Aplikacije većeg - napona i veće - snage

Kako obim fotonaponske proizvodnje električne energije nastavlja da se širi, potražnja za višim - naponom i višim - pretvaračima energije također raste. Inverterska tehnologija sa tri nivoa - ima potencijal da zadovolji ovu potražnju. Optimizacijom topologije i strategije upravljanja tri pretvarača nivoa -, te korištenjem uređaja sa visokim - naponom -, izlazni napon i snaga tri pretvarača nivoa - mogu se dodatno povećati. Ovo je od velikog značaja za velike fotonaponske elektrane - i visokonaponske - - prijenosne - linije - povezane fotonaponske sisteme proizvodnje, što može smanjiti broj potrebnih invertera, pojednostaviti strukturu sistema i smanjiti ukupne troškove sistema¹⁰.

1. Yu, Chengzhuo, 2023, Kontrola 3 nivoa PWM invertera za sisteme fotonaponske proizvodnje povezanih na mrežu{2}}.
2. Zhihu, Objašnjenje superiornosti tri-tehnologije.
3. Ne-mrežni, tro-princip kola na tri nivoa i analiza topologije zajedničkog kola.
4. Elektronski entuzijasta, T-tip tri-fotonaponska mreža-povezana inverterska šema.
5. Tang, Yao, 2023, Dizajn i kontrola interleaved tri-razina T- invertera za primjenu velike snage.
6. Elektronski entuzijasta, Poređenje prednosti sistema na tri-i dva-nivoa.
7. CSDN, razlika između dva-nivoa i tri-nivoa.
8. Baidu Wenku, Poređenje između dva-nivoa i tri-nivoa.
9. SMA, Podaci o proizvodu sa SMA službene web stranice.
10. Qitian Power, tro-paralelni pretvarač topologije.