Інвертори відіграють вирішальну роль у фотоелектричних системах виробництва електроенергії, перетворюючи постійний струм (DC), що генерується фотоелектричними панелями, у змінний струм (AC), придатний для підключення до мережі або використання навантаження. Розвиток інверторної технології постійно розвивається, щоб відповідати вимогам вищої ефективності, кращої якості електроенергії та нижчої вартості. Технологія трирівневого інвертора - є одним із важливих досягнень у цій галузі.
Концепція рівня в інверторах відноситься до рівня напруги, який використовується для передачі сигналу або перетворення енергії. Дворівневий інвертор - має лише два рівні напруги, високий і низький, що має просту конструкцію та підходить для - низьких витрат. Однак інвертори трьох рівнів - вводять середню точку напруги -, забезпечуючи три рівні напруги, що дозволяє точніше контролювати напругу та має кілька значних переваг на системному рівні1.
1. Значення три-технології рівня
У 1980-х роках японський учений Набае запропонував три-схему інвертора на основі діодного затискання. Його типова топологічна структура показана на наступному малюнку. Кожне мостове плече всієї схеми інвертора складається з 4 біполярних транзисторів з ізольованим затвором (IGBT) і 6 діодів.
Хоча три{0}}рівнева схема є відносно складнішою за топологією порівняно з традиційною дво-інверторною схемою, яка може виводити лише високий і низький рівні, ця нова схема інвертора може видавати високі та низькі рівні через увімкнення-верхньої та нижньої трубок, а також видавати нульовий рівень через затискний ефект проміжного діода, загалом три рівні рівні. Тому її називають три-схемою інвертора.
Візьмемо зміну потенціалу в середній точці плеча інверторного мосту фази А на наступному малюнку як приклад, щоб коротко описати конкретне значення трьох рівнів.
- Коли два IGBT на плечі A-фазового моста є провідними, потенціал у точці A такий самий, як і потенціал позитивної шини, тобто U/2. Напруга платформи напруги, яку витримує кожен IGBT, становить U/2, як показано в контурі 1.
- Коли два IGBT нижнього плеча моста A-фазового плеча моста є провідними, потенціал у точці A дорівнює негативному потенціалу шини, який дорівнює -U/2, а напруга на платформі, яку витримує кожен IGBT, дорівнює U/2, як показано в контурі 2.
- Коли другий IGBT на плечі моста фази A- та затискний діод байпасу є провідними, міст інвертора фази A- перебуває у вільному стані A, а потенціал у точці A такий самий, як і в середині шини, який дорівнює 0, як показано в контурі 3.
З трьох провідних кіл фази A, описаних вище, можна знати, що потенціал у точці A може мати три рівні: U/2, 0 і -U/2, тому його називають три-станом2.
2. Загальні топології трьох - рівнів
2.1 Топологія NPC1
Топологія NPC1 (нейтральна - точка - затиснута) є однією з найбільш класичних трьохрівневих топологій -. Він оптимізує розподіл втрат і покращує EMI шляхом оптимізації шляху струму та механізму перетворення нульового рівня -.
В умовах інвертора втрати NPC1 в основному зосереджені в трубках T1/T4, включаючи втрати на провідність і втрати на комутацію. T2/T3 знаходиться в нормально відкритому стані, і втрата в основному є втратою провідності. D5/D6 проводить під час комутації, і його втрати включають втрати провідності та втрати зворотного відновлення.
В умовах ректифікації втрати в основному зосереджені в трубках D1/D4 і трубках T2/T3. Лампи D1/D4 мають втрати провідності та втрати зворотного відновлення, тоді як лампи T2/T3 генерують втрати провідності та втрати на комутацію під час комутації. Навпаки, трубки D2/D3 і D5/D6 мають лише втрати провідності.
2.2 Топологія NPC2
Топологія NPC2 є вдосконаленням на основі топології NPC1. У NPC2 пара IGBT із загальними емітерами або колекторами та проти - паралельними діодами використовується для заміни затискних діодів у NPC1, зменшуючи кількість діодів на два. У NPC2 трубки T1/T4 несуть повну напругу шини, а трубки T2/T3 несуть половину напруги шини.
У стані інвертора в позитивній половині циклу - T2 залишається нормально відкритим, а T1 і D3 комутуються; у негативній половині - циклу T3 залишається нормально відкритим, а T4 і D2 комутують.
В умовах випрямлення процес комутації також подібний до процесу NPC1, але через іншу структуру затискної частини розподіл втрат відрізняється від розподілу втрат NPC1. Як правило, у середньому - та низькому - діапазоні частот перемикання - загальні втрати топології NPC2 нижчі, ніж у топології NPC1.
2.3 Топологія ANPC
Топологія ANPC (активна нейтральна - точка - затиснута) формується шляхом заміни затискних діодів у NPC1 на IGBT та проти - паралельних діодів. Він розширює два шляхи комутації нульового рівня -, і завдяки вибору та контролю шляхів комутації нульового рівня - можна досягти більш збалансованого розподілу втрат і меншої блукаючої індуктивності контуру комутації3.
3. Методи керування трьома - інверторами рівня
3.1 Контроль напруги
3.1.1 Постійний струм - Бічне керування напругою
У фотоелектричній системі виробництва електроенергії необхідно підтримувати стабільність напруги на стороні постійного струму - інвертора. Постійна напруга - в основному забезпечується фотоелектричними панелями. Через вплив таких факторів, як інтенсивність світла та температура, вихідна напруга фотоелектричних панелей буде коливатися. Тому необхідна стратегія керування напругою на стороні постійного струму -. Зазвичай використовувані методи включають використання підвищувального перетворювача або понижувального - підвищувального перетворювача перед інвертором для регулювання напруги постійного струму - на стороні до стабільного значення. Наприклад, коли вихідна напруга фотоелектричних панелей нижча за необхідне значення, підвищувальний перетворювач може збільшити напругу; коли він вищий, понижуючий - підвищувальний перетворювач може регулювати напругу до відповідного рівня.
3.1.2 Контроль потенціалу середньої - точки
У інверторах трьох рівнів - коливання потенціалу середньої точки - є загальною проблемою, особливо в топологіях типу NPC -. Коливання потенціалу середньої - точки впливатиме на якість сигналу вихідної напруги та надійність пристрою. Існує багато методів контролю потенціалу середньої - точки. Одним із методів є додавання загального компонента режиму - до сигналу модуляції. Наприклад, у методі синусоїдальної імпульсної - широтної модуляції (SPWM) певна загальна напруга - режиму додається до опорної напруги, щоб регулювати час заряджання та розряду конденсатора середньої - точки, щоб підтримувати стабільність потенціалу середньої - точки. Інший метод полягає у використанні системи керування зворотним зв’язком для визначення потенціалу середньої - точки та регулювання станів перемикання інвертора відповідно до відхилення для досягнення балансу потенціалу середньої - точки4.
3.2 Поточний контроль
3.2.1Мережа - Контроль підключеного струму
Для фотоелектричних інверторів, підключених до мережі -, необхідно переконатися, що вихідний струм має ту саму частоту та фазу, що й напруга мережі. Це досягається за допомогою стратегії керування підключеним струмом до мережі -. Поширеним методом є використання фазового - автопідстроюваного циклу (PLL) для синхронізації вихідного струму з напругою мережі. PLL може швидко і точно відстежувати частоту і фазу напруги мережі. На основі вихідного сигналу ФАПЧ проектується регулятор струму, наприклад пропорційний інтегральний (PI) регулятор - або пропорційний резонансний (PR) регулятор -. Контролер струму регулює вихідну напругу інвертора відповідно до відхилення між опорним струмом і фактичним вихідним струмом, щоб переконатися, що вихідний струм відповідає вимогам підключення до мережі -.
3.2.2 Контроль гармонік вихідного струму
Окрім забезпечення тієї самої частоти та фази, що й напруга мережі, необхідно також контролювати вміст гармонік вихідного струму. Як згадувалося вище, три інвертори рівня - мають нижчий вміст гармоній вихідного струму, ніж два інвертори рівня -, але в деяких сценаріях застосування з високою точністю - все ще потрібне подальше керування гармоніками. Цього можна досягти шляхом оптимізації стратегії модуляції. Наприклад, використання просторової - векторної імпульсної - широтної модуляції (SVPWM) замість традиційної SPWM може зменшити вміст гармоній у вихідному струмі. Крім того, деякі розширені алгоритми керування, такі як гармонічне керування - вперед і багато - керування компенсацією гармонік, також можна використовувати для подальшого зменшення вмісту гармонік у вихідному струмі5.
4. Переваги трьох - інверторів рівня порівняно з двома - інверторами рівня
4.1 Форма вихідної напруги
Сигнал напруги, виведений дво{0}}схемою інвертора двох рівнів:
Сигнал напруги, виведений три{0}}схемою інвертора:
Основний принцип три{0}}рівневого інвертора полягає у використанні кількох рівнів для синтезу крокової хвилі для наближення синусоїдальної вихідної напруги. Завдяки додатковому вихідному рівню порівняно з дво-рівневим інвертором ШІМ-хвиля, яку він виводить, ближча до синусоїдальної. Дві вищенаведені фігури є порівнянням сигналів ШІМ, виведених дво- та три-рівневими інверторами. Можна інтуїтивно визначити, що ШІМ-сигнал на виході три-рівневого інвертора ближче до синуса та має менший вміст пульсацій6.
4.2 Втрата перемикання
У три{0}}схемі інвертора напруга шини постійного струму U розподіляється двома IGBT. Напруга кожного IGBT на плечі моста становить половину вхідної напруги на стороні постійного струму, U/2. У дворівневій інверторній схемі лише один IGBT несе напругу шини постійного струму, а напруга, яку несе кожен IGBT на плечі моста, є безпосередньо вхідною напругою на стороні постійного струму, тобто U. Тому в три-інверторній схемі IGBT несе половину напруги двох-першого рівня на початку провідності та в кінці вимкнення-. Це визначає, що втрати на перемикання три-рівневого IGBT набагато менші, ніж дво{10}}рівневий IGBT7.
4.3 Висока частота
На IGBT високої-напруги впливає рівень прикладеної напруги, який визначає, що їх частота перемикання та швидкість перемикання набагато нижчі, ніж у IGBT низької{1}}напруги. Однак три{3}}система дозволяє застосовувати високочастотні IGBT низької-напруги. У порівнянні з фільтрами активної потужності рівень частоти перемикання безпосередньо відображає не тільки швидкість компенсації, але й ширину досяжного діапазону частот компенсації. Чим вище смуга частот, де розташована частота перемикання, чим ширша смуга частот фільтрації, яку може вибрати для реалізації фільтр, тим вужчою вона повинна бути; навпаки, тим вужчим він повинен бути8.
4.4 Кількісне порівняння
Еволюція лінійки продуктів SMA є гарним доказом.
- Дворівневий технологічний продукт: серія Sunny Tripower.
- Три{0}}рівневий технологічний продукт: серія Sunny Highpower.
З даних на двох вищенаведених графіках можна отримати, що максимальна ефективність фотоелектричних інверторів із дворівневою-технологією становить 98,1%, а ефективність у Європі становить 97,8%. Максимальний ККД трирівневої технології фотоелектричних інверторів може досягати 99,1%, тоді як у Європі він може становити 98,8%. Порівнявши ці два, можна виявити, що ефективність трьох-технологічних продуктів зросла на 1%9.
5. Майбутні тенденції розвитку
5.1 Інтеграція з новими напівпровідниковими матеріалами
З розвитком напівпровідникових технологій нові напівпровідникові матеріали, такі як карбід кремнію (SiC) і нітрид галію (GaN), поступово застосовуються для інверторів. Ці матеріали мають вищу рухливість електронів, вищу напругу пробою та нижчий - опір, ніж традиційні кремнієві матеріали. Інтеграція трирівневої інверторної технології - з новими напівпровідниковими матеріалами може ще більше покращити продуктивність інверторів. Наприклад, використання SiC MOSFET в інверторах трьох рівнів - може зменшити втрати на комутацію та втрати провідності пристроїв, підвищити ефективність інвертора та збільшити частоту перемикання, що сприяє подальшому зменшенню розміру та ваги інвертора та покращенню його питомої потужності.
5.2 Інтелектуалізація та цифровізація
У майбутньому інвертори трьох рівнів - стануть розумнішими та оцифрованими. З розвитком технології мікроелектроніки та технології цифрового керування інвертори можуть бути оснащені більш досконалими цифровими контролерами та датчиками. Ці цифрові контролери можуть реалізовувати більш складні алгоритми керування, такі як адаптивне керування, прогнозне керування, діагностика несправностей - і самовідновлення - керування. Датчики можуть відстежувати робочий стан інвертора в реальному - часі, наприклад температуру, напругу, струм і стан справності пристрою. Завдяки інтелектуальним алгоритмам і моніторингу реального - часу інвертор може регулювати свої робочі параметри відповідно до фактичної ситуації, покращувати ефективність і надійність системи, а також здійснювати віддалений моніторинг і інтелектуальне управління.
5.3 Застосування з високою - напругою та вищою - потужністю
Оскільки масштаб фотоелектричної генерації електроенергії продовжує розширюватися, попит на інвертори з вищою - напругою та потужністю - також зростає. Трирівнева інверторна технологія - має потенціал для задоволення цього попиту. Шляхом оптимізації топології та стратегії керування трьох інверторів рівня - та використання пристроїв з номінальною напругою - - можна додатково збільшити вихідну напругу та потужність інверторів рівня трьох -. Це має велике значення для великомасштабних - фотоелектричних електростанцій і високої - напруги - лінії - - підключених фотоелектричних генераційних систем, які можуть зменшити кількість необхідних інверторів, спростити структуру системи та знизити загальну вартість системи.10.
- Юй, Ченжуо, 2023, Керування 3-рівневим ШІМ-інвертором для-підключених до мережі фотоелектричних систем генерації.
- Zhihu, Пояснення переваги три{0}}рівневої технології.
- Не{0}}мережевий, трьох{1}}схемний принцип і аналіз топології загальної схеми.
- Електронні ентузіасти, T-тип три-схеми фотоелектричної мережі-підключеного інвертора.
- Тан, Яо, 2023, Розробка та керування три{1}}перемежованим інвертором типу T- для високої потужності.
- Електронний ентузіаст. Порівняння переваг три{0}} та дво-систем.
- CSDN, різниця між дво-рівневими та три-рівневими.
- Байду Венку, Порівняння двох-рівнів і трьох-рівнів.
- SMA, Дані про продукт з офіційного веб-сайту SMA.
- Qitian Power, три{0}}рівневий паралельний інвертор топології.