Trojúrovňová{0}technológia fotovoltaických meničov

Invertory zohrávajú kľúčovú úlohu vo fotovoltaických systémoch výroby energie, premieňajú jednosmerný prúd (DC) generovaný fotovoltaickými panelmi na striedavý prúd (AC) vhodný na pripojenie do siete alebo na použitie pri záťaži. Vývoj invertorovej technológie sa neustále vyvíja, aby spĺňal požiadavky vyššej účinnosti, lepšej kvality energie a nižších nákladov. Technológia troch - invertorov je jedným z dôležitých pokrokov v tejto oblasti.

Koncept úrovne v invertoroch sa vzťahuje na úroveň napätia používanú na prenos signálu alebo premenu energie. Dvojúrovňový menič - má iba dve úrovne napätia, vysokú a nízku, čo je dizajnovo jednoduché a vhodné pre aplikácie s nízkymi - nákladmi. Avšak tri meniče úrovne - zavádzajú stredný bod napätia -, ktorý poskytuje tri úrovne napätia, čo umožňuje jemnejšiu reguláciu napätia a má niekoľko významných výhod na úrovni systému¹.

1. Význam troj-úrovňovej technológie

V osemdesiatych rokoch minulého storočia japonský vedec Nabae navrhol trojúrovňový invertorový obvod založený na upínaní diód. Jeho typická topologická štruktúra je znázornená na nasledujúcom obrázku. Každé mostové rameno celého invertorového obvodu sa skladá zo 4 bipolárnych tranzistorov s izolovaným hradlom (IGBT) a 6 diód.

Hoci troj{0}}úrovňový obvod je z hľadiska topológie relatívne zložitejší, v porovnaní s tradičným dvojúrovňovým invertorovým obvodom, ktorý môže mať na výstupe len vysoké a nízke úrovne, tento nový invertorový obvod môže mať vysoké a nízke úrovne prostredníctvom zapínania-horných a dolných elektrónok a výstup nulovej úrovne prostredníctvom upínacieho efektu medziľahlej diódy, čo predstavuje celkovo tri stavy úrovní. Preto sa nazýva troj-úrovňový invertorový obvod.

Vezmite si potenciálnu zmenu v strede ramena invertorového mostíka fázy A na nasledujúcom obrázku ako príklad, ktorý stručne opíše špecifický význam troch úrovní.

• Keď sú dva IGBT na ramene mostíka fázy A{0}}vodivé, potenciál v bode A je rovnaký ako potenciál kladnej zbernice, čo je U/2. Napätie záťažovej platformy, ktoré nesie každý IGBT, je U/2, ako je znázornené v slučke 1.

• Keď sú dva IGBT spodného mostíkového ramena A-fázového mostíka vodivé, potenciál v bode A je rovnaký ako záporný potenciál zbernice, ktorý je -U/2, a napätie záťažovej platformy, ktoré znáša každý IGBT, je U/2, ako je znázornené v slučke 2.

• Keď je druhý IGBT na ramene A{0}}fázového mostíka a upínacia dióda bypassu vodivý, mostík striedača fázy A- je v stave A a potenciál v bode A je rovnaký ako potenciál v strede zbernice, čo je 0, ako je znázornené v slučke 3.

Z troch vodivých obvodov fázy A opísaných vyššie je možné vedieť, že potenciál v bode A môže predstavovať tri úrovne: U/2, 0 a -U/2, preto sa nazýva troj-úrovňový stav².

2. Spoločné tri - topológie úrovní

2.1 Topológia NPC1

Topológia NPC1 (Neutral - Point - Clamped) je jednou z najklasickejších troch topológií na úrovni -. Optimalizuje distribúciu strát a zlepšuje EMI optimalizáciou aktuálnej cesty a mechanizmu konverzie na nulovej úrovni -.

V podmienkach invertora sa straty NPC1 sústreďujú hlavne v trubiciach T1/T4, vrátane strát vo vedení a strát pri spínaní. T2/T3 je v normálne otvorenom stave a strata je hlavne strata vedenia. D5/D6 vedie počas komutácie a jeho straty zahŕňajú straty vo vedení a straty spätným zotavením.

V podmienkach rektifikácie sa straty sústreďujú najmä v trubiciach D1/D4 a trubiciach T2/T3. Rúrky D1/D4 majú straty vo vedení a straty pri spätnom zotavení, zatiaľ čo elektrónky T2/T3 vytvárajú straty vo vedení a straty pri prepínaní počas komutácie. Naproti tomu elektrónky D2/D3 a D5/D6 majú len straty vo vedení.

2.2 Topológia NPC2

Topológia NPC2 je vylepšenie založené na topológii NPC1. V NPC2 sa na nahradenie upínacích diód v NPC1 používa pár IGBT so spoločnými emitormi alebo kolektormi a anti - paralelnými diódami, čím sa počet diód zníži o dve. V NPC2 nesú elektrónky T1/T4 plné napätie zbernice a elektrónky T2/T3 polovicu napätia zbernice.

V stave meniča, v kladnej polovici cyklu -, zostáva T2 normálne otvorený a T1 a D3 komutujú; v zápornej polovici cyklu - zostáva T3 normálne otvorený a T4 a D2 komutujú.

V podmienkach rektifikácie je proces komutácie podobný ako v prípade NPC1, ale kvôli odlišnej štruktúre upínacej časti je rozloženie strát odlišné od rozdelenia strát v prípade NPC1. Vo všeobecnosti je v strednom - a nízkom - prepínacom - frekvenčnom rozsahu celková strata topológie NPC2 nižšia ako pri topológii NPC1.

2.3 Topológia ANPC

Topológia ANPC (Active Neutral - Point - Clamped) je vytvorená nahradením upínacích diód v NPC1 za IGBT a anti - paralelné diódy. Rozširuje dve komutačné cesty na nulovej - úrovni a výberom a ovládaním komutačných ciest na nulovej - úrovni možno dosiahnuť vyváženejšie rozloženie strát a menšiu rozptylovú indukčnosť komutačnej slučky³.

3. Metódy riadenia troch - meničov úrovne

3.1 Ovládanie napätia

3.1.1DC - Ovládanie bočného napätia

Vo fotovoltaickom systéme na výrobu elektrickej energie je potrebné udržiavať stabilitu napätia na strane DC - meniča. Napätie na strane DC - zabezpečujú hlavne fotovoltaické panely. Vplyvom faktorov ako je intenzita svetla a teplota bude kolísať výstupné napätie fotovoltaických panelov. Preto je potrebná stratégia riadenia napätia na strane DC -. Bežne používané metódy zahŕňajú použitie zosilňovacieho konvertora alebo zosilňovacieho konvertora - pred meničom na nastavenie napätia na strane DC - na stabilnú hodnotu. Napríklad, keď je výstupné napätie fotovoltaických panelov nižšie ako požadovaná hodnota, boostovací konvertor môže zvýšiť napätie; keď je vyššie, zosilňovací konvertor buck - môže upraviť napätie na vhodnú úroveň.

3.1.2 Stredná - kontrola potenciálu bodu

V troch invertoroch úrovne - je kolísanie potenciálu stredného bodu - bežným problémom, najmä v topológiách typu NPC -. Kolísanie potenciálu stredného - bodu ovplyvní kvalitu priebehu výstupného napätia a spoľahlivosť zariadenia. Existuje mnoho metód na kontrolu stredného - bodového potenciálu. Jednou z metód je pridanie bežného komponentu režimu - do modulačného signálu. Napríklad pri metóde sínusovej pulznej - šírkovej modulácie (SPWM) sa k referenčnému napätiu pridá určité bežné napätie v režime -, aby sa upravil čas nabíjania a vybíjania stredného - bodového kondenzátora, aby sa zachovala stabilita stredného - bodového potenciálu. Ďalšou metódou je použitie spätnoväzbového riadiaceho systému na detekciu stredného - bodového potenciálu a úpravu spínacích stavov meniča podľa odchýlky, aby sa dosiahla stredná - bodová potenciálna rovnováha⁴.

3.2 Kontrola prúdu

3.2.1 Mriežka - Kontrola pripojeného prúdu

Pre fotovoltaické invertory pripojené do siete - je potrebné zabezpečiť, aby výstupný prúd mal rovnakú frekvenciu a fázu ako sieťové napätie. Toto je dosiahnuté prostredníctvom mriežky - pripojenej stratégie riadenia prúdu. Bežnou metódou je použitie fázovej - slučky (PLL) na synchronizáciu výstupného prúdu s napätím siete. PLL dokáže rýchlo a presne sledovať frekvenciu a fázu sieťového napätia. Na základe výstupu PLL je navrhnutý prúdový regulátor, ako je proporcionálny - integrálny (PI) regulátor alebo proporcionálny - rezonančný (PR) regulátor. Prúdový regulátor upravuje výstupné napätie meniča podľa odchýlky medzi referenčným prúdom a skutočným výstupným prúdom, aby sa zabezpečilo, že výstupný prúd spĺňa požiadavky na pripojenie k sieti -.

3.2.2 Harmonické ovládanie výstupného prúdu

Okrem zabezpečenia rovnakej frekvencie a fázy ako sieťové napätie je potrebné riadiť aj harmonický obsah výstupného prúdu. Ako je uvedené vyššie, tri meniče úrovne - majú nižší obsah harmonických výstupného prúdu ako dva meniče úrovne -, ale v niektorých scenároch aplikácie s vysokou presnosťou - je stále potrebné ďalšie riadenie harmonických. To sa dá dosiahnuť optimalizáciou modulačnej stratégie. Napríklad použitie priestorovej - vektorovej pulznej - šírkovej modulácie (SVPWM) namiesto tradičnej SPWM môže znížiť harmonický obsah výstupného prúdu. Okrem toho je možné na ďalšie zníženie obsahu harmonických vo výstupnom prúde použiť aj niektoré pokročilé riadiace algoritmy, ako napríklad dopredné riadenie harmonického napájania - a riadenie kompenzácie viacerých - harmonických.⁵.

4. Výhody troch - úrovňových meničov v porovnaní s dvomi - úrovňovými invertormi

4.1 Výstupný priebeh napätia

Výstupná krivka napätia z dvojúrovňového obvodu meniča:

Výstup napäťového tvaru vlny trojúrovňového obvodu meniča:

Základným princípom troj{0}}úrovňového meniča je použitie viacerých úrovní na syntetizovanie krokovej vlny na aproximáciu sínusového výstupného napätia. Vďaka ďalšej výstupnej úrovni v porovnaní s dvojúrovňovým invertorom je vlna PWM, ktorú vydáva, bližšie k sínusovému tvaru vlny. Vyššie uvedené dva obrázky predstavujú porovnanie výstupných kriviek PWM dvoch-úrovňových a troch{5}}úrovňových meničov. Dá sa intuitívne rozlíšiť, že výstup tvaru vlny PWM trojúrovňového meniča{7}} je bližšie k sínusu a má menej zvlneného obsahu⁶.

4.2 Strata zo spínania

V troj{0}}úrovňovom invertorovom obvode je napätie DC zbernice U zdieľané dvoma IGBT. Napätie prenášané každým IGBT na ramene mostíka je polovica vstupného napätia na strane DC, U/2. V dvojúrovňovom invertorovom obvode iba jeden IGBT nesie napätie zbernice jednosmerného prúdu a napätie prenášané každým IGBT na ramene mostíka je priamo vstupným napätím na strane jednosmerného prúdu, t.j. U. V trojúrovňovom invertorovom obvode nesie IGBT polovičné napätie z dvoch-prvých úrovní na začiatku vedenia vypnutia{7}. To určuje, že spínacia strata troch-úrovňových IGBT je oveľa menšia ako strata pri dvoch{10}}úrovniach⁷.

4.3 Vysoká frekvencia

Vysoko{0}}napäťové IGBT sú ovplyvnené úrovňou napätia aplikácie, ktorá určuje, že ich frekvencia spínania a rýchlosť spínania sú oveľa menšie ako u nízkonapäťových IGBT. Trojúrovňový systém však umožňuje vysoko{4}}aplikáciu nízkonapäťových IGBT modulov-. V porovnaní s aktívnymi výkonovými filtrami, úroveň spínacej frekvencie priamo odráža nielen rýchlosť kompenzácie, ale aj šírku dosiahnuteľného kompenzačného frekvenčného rozsahu. Čím vyššie je frekvenčné pásmo, kde sa nachádza spínacia frekvencia. Čím širšie je filtračné frekvenčné pásmo, ktoré môže filter implementovať, tým užšie by malo byť; naopak, čím užšia by mala byť⁸.

4.4 Kvantitatívne porovnanie

Vývoj produktovej rady SMA je dobrým dôkazom.

• Dvojúrovňový technologický produkt: Sunny Tripower Series.

• Trojúrovňový technologický produkt: Sunny Highpower Series.

Z údajov v dvoch vyššie uvedených grafoch možno získať, že maximálna účinnosť dvoch{0}}technologických fotovoltaických invertorových produktov je 98,1 % a účinnosť v Európe je 97,8 %. Maximálna účinnosť produktov fotovoltaických invertorov s tromi{4}}úrovňami technológie môže dosiahnuť 99,1 %, zatiaľ čo v Európe to môže byť 98,8 %. Porovnaním týchto dvoch možno zistiť, že účinnosť produktov s tromi -úrovňami technológie sa zvýšila o 1 %⁹.

5. Budúce trendy vývoja

5.1 Integrácia s novými polovodičovými materiálmi

S rozvojom polovodičovej technológie sa do invertorov postupne aplikujú nové polovodičové materiály ako karbid kremíka (SiC) a nitrid gália (GaN). Tieto materiály majú vyššiu mobilitu elektrónov, vyššie prierazné napätie a nižší odpor - ako tradičné kremíkové materiály. Integrácia technológie trojúrovňových meničov - s novými polovodičovými materiálmi môže ďalej zlepšiť výkon meničov. Napríklad použitie SiC MOSFET v troch invertoroch úrovne - môže znížiť stratu spínania a stratu vedenia zariadení, zlepšiť účinnosť meniča a zvýšiť frekvenciu spínania, čo vedie k ďalšiemu zníženiu veľkosti a hmotnosti meniča a zlepšeniu jeho hustoty výkonu.

5.2 Inteligentizácia a digitalizácia

V budúcnosti budú tri meniče úrovne - inteligentnejšie a digitalizovanejšie. S rozvojom technológie mikroelektroniky a technológie digitálneho riadenia môžu byť meniče vybavené pokročilejšími digitálnymi ovládačmi a snímačmi. Tieto digitálne ovládače môžu implementovať zložitejšie riadiace algoritmy, ako je adaptívne riadenie, prediktívne riadenie a diagnostika porúch - a samočinné - riadenie opráv. Senzory môžu monitorovať prevádzkový stav meniča v reálnom čase -, ako je teplota, napätie, prúd a stav zariadenia. Prostredníctvom inteligentných algoritmov a monitorovania v reálnom čase - môže menič upraviť svoje prevádzkové parametre podľa aktuálnej situácie, zlepšiť efektivitu a spoľahlivosť systému a realizovať vzdialené monitorovanie a inteligentnú správu.

5.3 Aplikácie s vyšším - napätím a vyšším - výkonom

Keďže rozsah výroby fotovoltaickej energie sa neustále rozširuje, zvyšuje sa aj dopyt po invertoroch s vyšším napätím - a vyšším -. Technológia trojúrovňového meniča - má potenciál splniť tento dopyt. Optimalizáciou topológie a stratégie riadenia troch meničov úrovne - a použitím zariadení s menovitým - vysokým napätím - možno ďalej zvýšiť výstupné napätie a výkon troch invertorov úrovne -. Toto má veľký význam pre veľké - fotovoltaické elektrárne a vysokonapäťové - prenosové - vedenie - prepojené fotovoltaické výrobné systémy, čo môže znížiť počet potrebných invertorov, zjednodušiť štruktúru systému a znížiť celkové náklady na systém¹⁰.

1. Yu, Chengzhuo, 2023, Riadenie 3-úrovňového PWM invertora pre systémy fotovoltaickej výroby-pripojené k sieti.
2. Zhihu, Vysvetlenie nadradenosti technológie troch{0}}úrovní.
3. Ne{0}}sieťový, trojúrovňový princíp okruhu a analýza topológie spoločného okruhu.
4. Elektronický nadšenec, -typ schémy trojúrovňovej fotovoltaickej siete-prepojených invertorov{1}.
5. Tang, Yao, 2023, Dizajn a ovládanie prekladaného troj-invertora typu T- pre vysokovýkonné aplikácie.
6. Elektronický nadšenec, porovnanie výhod troj{0}}úrovňových a dvoj{1}}úrovňových systémov.
7. CSDN, rozdiel medzi dvoma-úrovňami a tromi{1}}úrovňami.
8. Baidu Wenku, Porovnanie dvoch-úrovní a troch{1}}úrovní.
9. SMA, Údaje o produkte z oficiálnej webovej stránky SMA.
10. Qitian Power, troj{0}}úrovňový paralelný invertor topológie.