Tri{0}}nivojska tehnologija fotovoltaičnih pretvornikov

Pretvorniki igrajo ključno vlogo v fotonapetostnih sistemih za proizvodnjo električne energije, saj pretvarjajo enosmerni tok (DC), ki ga ustvarjajo fotonapetostne plošče, v izmenični tok (AC), ki je primeren za priključitev na omrežje ali obremenitev. Razvoj inverterske tehnologije se nenehno razvija, da bi izpolnil zahteve po višji učinkovitosti, boljši kakovosti električne energije in nižjih stroških. Tri - nivojska inverterska tehnologija je eden od pomembnih napredkov na tem področju.

Koncept nivoja v pretvornikih se nanaša na nivo napetosti, ki se uporablja za prenos signala ali pretvorbo energije. Dvostopenjski pretvornik - ima samo dve ravni napetosti, visoko in nizko, kar je preproste zasnove in primerno za nizke - cenovne aplikacije. Vendar pa razsmerniki s tremi nivoji - uvedejo srednjo točko napetosti -, kar zagotavlja tri nivoje napetosti, kar omogoča natančnejši nadzor napetosti in ima več pomembnih prednosti na ravni sistema¹.

1. Pomen tri{1}}tehnologije

V osemdesetih letih prejšnjega stoletja je japonski učenjak Nabae predlagal tri{1}}nivojsko invertersko vezje, ki temelji na vpenjanju diode. Njegova tipična topološka struktura je prikazana na naslednji sliki. Vsak mostni krak celotnega inverterskega vezja je sestavljen iz 4 bipolarnih tranzistorjev z izoliranimi vrati (IGBT) in 6 diod.

Čeprav je tri{0}}nivojsko vezje sorazmerno bolj zapleteno v topologiji v primerjavi s tradicionalnim dvo-nivojskim inverterskim vezjem, ki lahko oddaja samo visoke in nizke ravni, lahko to novo invertersko vezje oddaja visoke in nizke ravni z vklopom-zgornje in spodnje cevi ter ničelno oddaja z vpenjalnim učinkom vmesne diode, skupaj v treh nivojskih stanjih. Zato se imenuje tri{4}}nivojsko pretvorniško vezje.

Kot primer vzemite potencialno spremembo na sredini kraka pretvorniškega mostu faze A na naslednji sliki, da na kratko opišete poseben pomen treh ravni.

• Ko dva IGBT-ja na kraku mostu faze A- prevajata, je potencial v točki A enak potencialu pozitivnega vodila, ki je U/2. Napetost napetostne platforme, ki jo nosi vsak IGBT, je U/2, kot je prikazano v zanki 1.

• Ko dva IGBT-ja spodnjega kraka mostu A-faznega kraka mostu prevajata, je potencial v točki A enak negativnemu potencialu vodila, ki je -U/2, napetost platforme, ki jo prenaša vsak IGBT, pa je U/2, kot je prikazano v zanki 2.

• Ko drugi IGBT na kraku A-faznega mostu in obvodna vpenjalna dioda prevajata, je A-fazni inverterski most v stanju prostega teka A in potencial v točki A je enak tistemu na sredini vodila, ki je 0, kot je prikazano v zanki 3.

Iz zgoraj opisanih treh prevodnih tokokrogov faze A je razvidno, da lahko potencial v točki A predstavlja tri ravni: U/2, 0 in -U/2, zato se imenuje stanje treh-nivojev².

2. Običajne topologije treh - ravni

2.1 Topologija NPC1

Topologija NPC1 (nevtralna - točka - vpeta) je ena najbolj klasičnih topologij treh - ravni. Optimizira porazdelitev izgub in izboljša EMI z optimizacijo trenutne poti in mehanizma pretvorbe ničelne - ravni.

V pogojih pretvornika so izgube NPC1 v glavnem koncentrirane v ceveh T1/T4, vključno s prevodnimi izgubami in izgubami preklapljanja. T2/T3 je v normalno odprtem stanju, izguba pa je predvsem izguba prevodnosti. D5/D6 prevaja med komutacijo, njegove izgube pa vključujejo izgube prevodnosti in izgube povratne obnovitve.

V pogojih rektifikacije so izgube v glavnem koncentrirane v ceveh D1/D4 in T2/T3. Cevke D1/D4 imajo prevodne izgube in povratne izgube, medtem ko cevi T2/T3 povzročajo prevodne izgube in izgube pri preklapljanju med komutacijo. V nasprotju s tem imata cevi D2/D3 in D5/D6 le izgube prevodnosti.

2.2 Topologija NPC2

Topologija NPC2 je izboljšava, ki temelji na topologiji NPC1. V NPC2 je par IGBT-jev s skupnimi oddajniki ali kolektorji in anti - vzporednimi diodami uporabljen za zamenjavo vpenjalnih diod v NPC1, kar zmanjša število diod za dve. V NPC2 cevi T1/T4 nosijo polno napetost vodila, cevi T2/T3 pa polovico napetosti vodila.

V stanju pretvornika v pozitivni polovici - cikla T2 ostane normalno odprt, T1 in D3 pa komutirata; v negativni polovici - cikla T3 ostane normalno odprt, T4 in D2 pa komutirata.

V rektifikacijskih pogojih je postopek komutacije podoben kot pri NPC1, vendar je zaradi drugačne strukture vpenjalnega dela porazdelitev izgub drugačna kot pri NPC1. Na splošno je v srednjem - in nizkem - preklopnem frekvenčnem območju - skupna izguba topologije NPC2 manjša kot pri topologiji NPC1.

2.3 Topologija ANPC

Topologija ANPC (Active Neutral - Point - Clamped) se oblikuje z zamenjavo vpenjalnih diod v NPC1 z IGBT-ji in anti - vzporednimi diodami. Razširi dve komutacijski poti ničelne - ravni in z izbiro in nadzorom komutacijskih poti ničelne - ravni je mogoče doseči bolj uravnoteženo porazdelitev izgub in manjšo blodečo induktivnost komutacijske zanke³.

3. Metode krmiljenja treh - nivojskih pretvornikov

3.1 Nadzor napetosti

3.1.1DC - stranski nadzor napetosti

V fotovoltaičnem sistemu za proizvodnjo električne energije je treba vzdrževati stabilnost enosmerne - stranske napetosti pretvornika. DC - stransko napetost v glavnem zagotavljajo fotovoltaični paneli. Zaradi vpliva dejavnikov, kot sta jakost svetlobe in temperatura, bo izhodna napetost fotovoltaičnih panelov nihala. Zato je potrebna strategija nadzora napetosti na strani DC -. Običajno uporabljene metode vključujejo uporabo ojačevalnega pretvornika ali dolarskega - ojačevalnega pretvornika pred pretvornikom za prilagoditev stranske napetosti enosmernega toka - na stabilno vrednost. Na primer, ko je izhodna napetost fotovoltaičnih plošč nižja od zahtevane vrednosti, lahko ojačevalni pretvornik poveča napetost; ko je višja, lahko ojačevalni pretvornik - prilagodi napetost na ustrezno raven.

3.1.2 Kontrola potenciala srednje- točke

V razsmernikih treh nivojev - je nihanje potenciala srednje - točke pogosta težava, zlasti v topologijah tipa NPC -. Potencialno nihanje srednje - točke bo vplivalo na kakovost valovne oblike izhodne napetosti in zanesljivost naprave. Obstaja veliko metod za nadzor potenciala srednje - točke. Ena metoda je, da modulacijskemu signalu dodate skupno komponento načina -. Na primer, pri metodi širinske modulacije sinusnega impulza - (SPWM) se referenčni napetosti doda določena skupna napetost načina -, da se prilagodi čas polnjenja in praznjenja kondenzatorja srednje - točke, da se ohrani stabilnost potenciala srednje - točke. Druga metoda je uporaba povratnega nadzornega sistema za zaznavanje potenciala srednje - točke in prilagajanje preklopnih stanj pretvornika glede na odstopanje, da se doseže ravnotežje potenciala srednje - točke⁴.

3.2 Trenutni nadzor

3.2.1 Omrežje - Nadzor povezanega toka

Pri fotonapetostnih pretvornikih, povezanih z omrežjem -, je treba zagotoviti, da je izhodni tok v isti frekvenci in fazi kot omrežna napetost. To dosežemo s strategijo krmiljenja toka s povezanim omrežjem -. Pogosta metoda je uporaba fazne - zaklenjene zanke (PLL) za sinhronizacijo izhodnega toka z napetostjo omrežja. PLL lahko hitro in natančno sledi frekvenci in fazi omrežne napetosti. Na podlagi izhoda PLL je zasnovan krmilnik toka, kot je proporcionalni - integralni (PI) krmilnik ali proporcionalni - resonančni (PR) krmilnik. Krmilnik toka prilagodi izhodno napetost pretvornika glede na odstopanje med referenčnim tokom in dejanskim izhodnim tokom, da zagotovi, da izhodni tok izpolnjuje zahteve za povezavo z omrežjem -.

3.2.2 Harmonični nadzor izhodnega toka

Poleg zagotavljanja enake frekvence in faze, kot je omrežna napetost, je treba nadzorovati tudi vsebnost harmonikov izhodnega toka. Kot je navedeno zgoraj, imajo trije - nivojski pretvorniki nižjo harmonično vsebnost izhodnega toka kot dva - nivojska pretvornika, vendar je v nekaterih scenarijih uporabe z visoko - natančnostjo še vedno potreben nadaljnji harmonski nadzor. To je mogoče doseči z optimizacijo strategije modulacije. Na primer, uporaba prostorske - vektorske impulzne - širinske modulacije (SVPWM) namesto tradicionalne SPWM lahko zmanjša harmonično vsebino izhodnega toka. Poleg tega je mogoče nekatere napredne krmilne algoritme, kot sta harmonično krmiljenje - naprej in več - harmonsko kompenzacijsko krmiljenje, uporabiti tudi za nadaljnje zmanjšanje vsebnosti harmonikov v izhodnem toku⁵.

4. Prednosti treh - stopenjskih pretvornikov v primerjavi z dvema - stopenjskima razsmernikoma

4.1 Valovna oblika izhodne napetosti

Izhod napetostnega valovanja dvo{0}}nivojskega inverterskega vezja:

Izhod napetostnega valovanja tri{0}}nivojskega inverterskega vezja:

Osnovno načelo tri{0}}nivojskega pretvornika je uporaba več nivojev za sintetiziranje stopenjskega vala za približek sinusne izhodne napetosti. Zaradi dodatnega izhodnega nivoja v primerjavi z dvo-nivojskim pretvornikom je val PWM, ki ga oddaja, bližje sinusni valovni obliki. Zgornji dve sliki sta primerjava valovnih oblik PWM, ki jih oddajata dvo-in tri-nivojski pretvornik. Intuitivno je mogoče razločiti, da je izhod valovne oblike PWM tri-nivojskega pretvornika bližje sinusu in ima manj valovanja⁶.

4.2 Preklopna izguba

V tri{0}}nivojskem pretvorniškem vezju si napetost U vodila enosmernega toka delita dva IGBT-ja. Napetost, ki jo nosi vsak IGBT na kraku mostu, je polovica vhodne napetosti na strani DC, U/2. V dvo-nivojskem inverterskem vezju samo en IGBT nosi napetost enosmernega vodila in napetost, ki jo nosi vsak IGBT na kraku mostu, je neposredno vhodna napetost na enosmerni strani, to je U. Zato v tri-nivojskem inverterskem vezju IGBT nosi polovico napetosti dveh-nivoja ena na začetku prevodnosti in koncu izklopa-. To določa, da je preklopna izguba tri-nivojskega IGBT veliko manjša kot pri dvo-stopenjskem 1⁷.

4.3 Visoka frekvenca

Na visoko-napetostne IGBT-je vpliva nivo napetosti aplikacije, ki določa, da sta njihova preklopna frekvenca in preklopna hitrost veliko manjši kot pri nizko{1}}napetostnih IGBT-jih. Vendar pa tri{3}}nivojski sistem omogoča visoko{4}}uporabo nizko-napetostnih IGBT-jev. V primerjavi s filtri aktivne moči nivo preklopne frekvence neposredno odraža ne le hitrost kompenzacije, temveč tudi širino dosegljivega frekvenčnega območja kompenzacije. Višji kot je frekvenčni pas, kjer se nahaja preklopna frekvenca, širši kot je frekvenčni pas filtriranja, ki ga filter lahko izbere za izvajanje, ožji mora biti; obratno, čim ožji naj bo⁸.

4.4 Kvantitativna primerjava

Razvoj linije izdelkov SMA je dober dokaz.

• Dvo{0}}nivojski tehnološki izdelek: serija Sunny Tripower.

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

Iz podatkov v zgornjih dveh grafih je mogoče razbrati, da je največji izkoristek dvo{0}}tehnoloških fotovoltaičnih inverterskih izdelkov 98,1 %, izkoristek v Evropi pa 97,8 %. Največji izkoristek fotonapetostnih pretvornikov s tri{4}}nivojsko tehnologijo lahko doseže 99,1 %, medtem ko je v Evropi lahko 98,8 %. Če primerjamo oba, lahko ugotovimo, da se je učinkovitost treh-tehnoloških izdelkov povečala za 1 %⁹.

5. Prihodnji razvojni trendi

5.1 Integracija z novimi polprevodniškimi materiali

Z razvojem polprevodniške tehnologije se novi polprevodniški materiali, kot sta silicijev karbid (SiC) in galijev nitrid (GaN), postopoma uporabljajo za pretvornike. Ti materiali imajo večjo mobilnost elektronov, višjo prebojno napetost in nižjo odpornost na - kot tradicionalni silicijevi materiali. Integracija tri - inverterske tehnologije z novimi polprevodniškimi materiali lahko dodatno izboljša učinkovitost pretvornikov. Na primer, z uporabo SiC MOSFET-jev v razsmernikih treh nivojev - lahko zmanjšate preklopne izgube in izgube prevodnosti naprav, izboljšate učinkovitost pretvornika in povečate preklopno frekvenco, kar vodi k nadaljnjemu zmanjšanju velikosti in teže pretvornika ter izboljšanju njegove gostote moči.

5.2 Inteligentizacija in digitalizacija

V prihodnosti bodo pretvorniki treh stopenj - bolj inteligentni in digitalizirani. Z razvojem tehnologije mikroelektronike in tehnologije digitalnega krmiljenja je mogoče razsmernike opremiti z naprednejšimi digitalnimi krmilniki in senzorji. Ti digitalni krmilniki lahko izvajajo bolj zapletene krmilne algoritme, kot so prilagodljiv nadzor, napovedni nadzor ter diagnostika napak - in nadzor samopopravljanja -. Senzorji lahko spremljajo stanje delovanja pretvornika v realnem - času, kot so temperatura, napetost, tok in zdravstveno stanje naprave. Preko inteligentnih algoritmov in nadzora v realnem - času lahko pretvornik prilagodi svoje parametre delovanja glede na dejansko stanje, izboljša učinkovitost in zanesljivost sistema ter uresniči nadzor na daljavo in inteligentno upravljanje.

5.3 Aplikacije z višjo - napetostjo in višjo - močjo

Ko se obseg fotonapetostne proizvodnje električne energije še naprej širi, se povečuje tudi povpraševanje po pretvornikih z višjo - napetostjo in višjo - močjo. Inverterska tehnologija treh - ravni lahko zadosti temu povpraševanju. Z optimizacijo topologije in strategije krmiljenja treh razsmernikov ravni - in uporabo naprav z visoko napetostjo - - je mogoče dodatno povečati izhodno napetost in moč pretvornikov treh stopenj -. To je zelo pomembno za fotonapetostne elektrarne velikega - obsega in visoke - napetosti - prenosne - linije - povezane fotovoltaične proizvodne sisteme, ki lahko zmanjšajo število potrebnih pretvornikov, poenostavijo strukturo sistema in zmanjšajo skupne stroške sistema¹⁰.

1. Yu, Chengzhuo, 2023, Krmiljenje 3-stopenjskega pretvornika PWM za-omrežne fotovoltaične proizvodne sisteme.
2. Zhihu, Razlaga superiornosti tri{0}}tehnologije.
3. Ne-omrežna, tri{1}}načelo vezja in analiza topologije skupnega vezja.
4. Elektronski navdušenec, T-tip tri-fotovoltaične mreže-zasnova sheme povezanega pretvornika.
5. Tang, Yao, 2023, Načrtovanje in nadzor prepletenega tri-nivojskega T-razsmernika za uporabo z visoko močjo.
6. Elektronski navdušenec, primerjava prednosti tri{0}}in dvo{1}}nivojskih sistemov.
7. CSDN, razlika med dvo-ravnimi in tri-ravnimi.
8. Baidu Wenku, Primerjava med dvo-ravni in tri-ravni.
9. SMA, podatki o izdelkih z uradne spletne strani SMA.
10. Qitian Power, tri{0}}topološki vzporedni pretvornik.