Inverterid mängivad fotogalvaanilistes elektritootmissüsteemides üliolulist rolli, muutes fotogalvaaniliste paneelide genereeritud alalisvoolu vahelduvvooluks (AC), mis sobib võrguga ühendamiseks või koormuse kasutamiseks. Invertertehnoloogia areng on pidevalt arenenud, et vastata kõrgema efektiivsuse, parema toitekvaliteedi ja madalamate kulude nõuetele. Kolme - taseme inverteri tehnoloogia on üks olulisi edusamme selles valdkonnas.
Inverterite taseme mõiste viitab signaali edastamiseks või energia muundamiseks kasutatavale pingetasemele. Kahe - tasemega inverteril on ainult kaks pingetaset, kõrge ja madal, mis on lihtsa konstruktsiooniga ja sobib madalate - kuludega rakenduste jaoks. Kolm - taseme inverterit lisavad aga pinge keskpunkti -, pakkudes kolme pingetaset, mis võimaldab pinget täpsemalt reguleerida ja millel on süsteemi tasandil mitmeid olulisi eeliseid.1.
1. Kolme-taseme tehnoloogia tähendus
1980. aastatel pakkus Jaapani õpetlane Nabae välja kolme-tasandilise inverteri vooluringi, mis põhineb dioodiklambril. Selle tüüpiline topoloogiline struktuur on näidatud järgmisel joonisel. Kogu inverteri vooluringi iga sildõlg koosneb 4 isoleeritud paisuga bipolaarsest transistorist (IGBT) ja 6 dioodist.
Kuigi kolme-taseme ahel on topoloogialt suhteliselt keerukam, võrreldes traditsioonilise kahe-taseme inverteri vooluringiga, mis suudab väljastada ainult kõrgeid ja madalaid tasemeid, suudab see uudne inverteriahel väljastada kõrgeid ja madalaid tasemeid läbi ülemise ja alumise toru sisselülitamise ning nulltaseme väljastada vahepealsete dioodide oleku klambriefekti kaudu, kokku kolm. Seetõttu nimetatakse seda kolme-taseme inverteri vooluringiks.
Kolme taseme konkreetse tähenduse lühikirjelduse kirjeldamiseks võtke järgmisel joonisel näitena potentsiaalne muutus faasi A inverteri silla õla keskpunktis.
- Kui kaks IGBT-d A-faasi sillaharul juhivad, on potentsiaal punktis A sama, mis positiivse siini potentsiaal, mis on U/2. Iga IGBT pingeplatvormi pinge on U/2, nagu on näidatud tsüklis 1.
- Kui A-faasi sillaharu alumise sillaharu kaks IGBT-d juhivad, on potentsiaal punktis A sama, mis siini negatiivne potentsiaal, mis on -U/2, ja iga IGBT poolt talutav pingeplatvormi pinge on U/2, nagu on näidatud ahelas 2.
- Kui A-faasisilla õla teine IGBT ja möödaviigu kinnitusdiood juhivad, on A-faasiinverteri sild A vabakäigu olekus ja potentsiaal punktis A on sama, mis siini keskpunktis, mis on 0, nagu on näidatud ahelas 3.
Ülalkirjeldatud kolmest faasi A juhtivast vooluringist saab teada, et punkti A potentsiaalil võib olla kolm taset: U/2, 0 ja -U/2, seega nimetatakse seda kolme-taseme olekuks.2.
2. Üldised kolm - taseme topoloogiat
2.1NPC1 topoloogia
NPC1 (Neutral - Point - Clamped) topoloogia on üks klassikalisemaid kolme - taseme topoloogiaid. See optimeerib kadude jaotust ja parandab EMI-d, optimeerides praeguse tee ja nulli - taseme teisendusmehhanismi.
Inverteri tingimustes koonduvad NPC1 kaod peamiselt T1/T4 torudesse, sealhulgas juhtivus- ja lülituskaod. T2/T3 on tavaliselt avatud olekus ja kaotus on peamiselt juhtivuse kadu. D5/D6 juhib kommutatsiooni ajal ja selle kaod hõlmavad juhtivuskadusid ja tagasipööratud taastumiskaod.
Rektifikatsiooni tingimustes koonduvad kaod peamiselt D1/D4 torudesse ja T2/T3 torudesse. D1/D4 torudel on juhtivuskaod ja vastupidise taastumiskaod, samas kui T2/T3 torudel tekivad kommuteerimise ajal juhtivuskadud ja lülituskadud. Seevastu D2/D3 ja D5/D6 torudel on ainult juhtivuskaod.
2.2 NPC2 topoloogia
NPC2 topoloogia on NPC1 topoloogial põhinev täiustus. NPC2-s kasutatakse NPC1 kinnitusdioodide asendamiseks tavaliste emitterite või kollektoritega IGBT-de paari ja anti - paralleelseid dioode, vähendades dioodide arvu kahe võrra. NPC2-s kannavad T1/T4 torud siini täispinget ja T2/T3 torud pool siini pingest.
Inverteri seisundis, positiivses pooles - tsüklis, jääb T2 normaalselt avatuks ning T1 ja D3 kommuteerivad; negatiivses pooles - tsüklis jääb T3 normaalselt avatuks ning T4 ja D2 kommuteerivad.
Parandusseisundis on kommutatsiooniprotsess samuti sarnane NPC1 omaga, kuid klambriosa erineva struktuuri tõttu on kadude jaotus erinev NPC1 omast. Üldiselt on keskmises - ja madalas - lülitussagedusvahemikus - NPC2 topoloogia kogukadu väiksem kui NPC1 topoloogial.
2.3 ANPC topoloogia
ANPC (Active Neutral - Point - Clamped) topoloogia moodustatakse NPC1 kinnitusdioodide asendamisel IGBT-de ja anti - paralleeldioodidega. See laiendab kahte null---taseme kommutatsiooniteed ning null---taseme kommutatsiooniteede valimise ja juhtimisega on võimalik saavutada tasakaalustatum kadude jaotus ja väiksem kommutatsiooniahela haju-induktiivsus.3.
3. Kolme - tasemeinverteri juhtimismeetodid
3.1 Pinge juhtimine
3.1.1DC - Külgpinge juhtimine
Fotogalvaanilises elektritootmissüsteemis on vaja säilitada inverteri alalisvoolu - külgpinge stabiilsus. Alalisvoolu - külgpinge annavad peamiselt fotogalvaanilised paneelid. Selliste tegurite, nagu valguse intensiivsus ja temperatuur, mõju tõttu võib fotogalvaaniliste paneelide väljundpinge kõikuda. Seetõttu on vaja alalisvoolu --poolse pinge juhtimisstrateegiat. Tavaliselt kasutatavad meetodid hõlmavad võimendusmuunduri või buck - võimendusmuunduri kasutamist inverteri ees, et reguleerida alalisvoolu - külgpinge stabiilsele väärtusele. Näiteks kui fotogalvaaniliste paneelide väljundpinge on nõutavast väärtusest madalam, võib võimendusmuundur pinget suurendada; kui see on kõrgem, saab buck - võimendusmuundur pinget sobivale tasemele reguleerida.
3.1.2 Keskmise - punkti potentsiaali kontroll
Kolmes - taseme inverteris on keskmise - punkti potentsiaalne kõikumine tavaline probleem, eriti NPC - tüüpi topoloogiates. Keskmine - punkti potentsiaalne kõikumine mõjutab väljundpinge lainekuju kvaliteeti ja seadme töökindlust. Keskmise - punkti potentsiaali kontrollimiseks on palju meetodeid. Üks meetod on lisada modulatsioonisignaalile tavaline - režiimi komponent. Näiteks siinusimpulsi - laiusmodulatsiooni (SPWM) meetodi puhul lisatakse võrdluspingele teatud tavaline - režiimi pinge, et reguleerida keskmise - punkti kondensaatori laadimis- ja tühjenemisaega, et säilitada keskmise - punkti potentsiaali stabiilsus. Teine meetod on kasutada tagasiside juhtimissüsteemi, et tuvastada keskpunkti - potentsiaal ja reguleerida muunduri lülitusolekuid vastavalt kõrvalekaldele, et saavutada keskmise - punkti potentsiaali tasakaal.4.
3.2 Voolu juhtimine
3.2.1 Võrk - Ühendatud voolu juhtimine
Võrku - ühendatud fotogalvaaniliste inverterite puhul on vaja tagada, et väljundvool oleks võrgu pingega samas sageduses ja faasis. See saavutatakse võrguga - ühendatud praeguse juhtimisstrateegia kaudu. Levinud meetod on faasi - lukustatud kontuuri (PLL) kasutamine väljundvoolu sünkroonimiseks võrgu pingega. PLL suudab kiiresti ja täpselt jälgida võrgupinge sagedust ja faasi. PLL-i väljundi põhjal kujundatakse voolukontroller, näiteks proportsionaalne - integraalkontroller (PI) või proportsionaalne - resonantskontroller (PR). Voolukontroller reguleerib inverteri väljundpinget vastavalt võrdlusvoolu ja tegeliku väljundvoolu vahelisele kõrvalekaldusele, et tagada väljundvoolu vastavus võrguühenduse - nõuetele.
3.2.2Väljundvoolu harmooniline juhtimine
Lisaks võrgupingega sama sageduse ja faasi tagamisele on vaja kontrollida ka väljundvoolu harmoonilise sisu. Nagu eespool mainitud, on kolmel --tasemel muunduril väljundvoolu harmooniliste sisaldus väiksem kui kahel --tasemel inverteril, kuid mõne suure täpsusega --tasemega inverteril on siiski vaja täiendavat harmoonilist juhtimist. Seda on võimalik saavutada modulatsioonistrateegia optimeerimisega. Näiteks ruumi - vektorimpulsi - laiusmodulatsiooni (SVPWM) kasutamine traditsioonilise SPWM-i asemel võib vähendada väljundvoolu harmoonilist sisu. Lisaks saab väljundvoolu harmooniliste sisalduse edasiseks vähendamiseks kasutada ka mõningaid täiustatud juhtimisalgoritme, nagu harmoonilise etteande - edasijuhtimine ja mitme - harmoonilise kompensatsiooni juhtimine.5.
4. Kolme - nivoomuunduri eelised võrreldes kahe - tasemeinverteriga
4.1 Pinge väljundi lainekuju
Kahe{0}}taseme muunduri ahela pinge lainekuju väljund:
Pinge lainekuju väljund kolme-taseme inverteri vooluringist:
Kolme-taseme muunduri põhiprintsiip on kasutada mitut taset astmelise laine sünteesimiseks, et ligikaudselt lähendada sinusoidaalset väljundpinget. Täiendava väljundi taseme tõttu võrreldes kahe-tasemega inverteriga on selle väljastatav PWM-laine lähemal sinusoidaalsele lainekujule. Ülaltoodud kaks joonist on kahe-taseme ja kolme{5}}taseme inverteri PWM-lainekujude võrdlus. Võib intuitiivselt eristada, et kolme-taseme muunduri PWM-lainekuju väljund on siinusele lähemal ja sellel on vähem pulsatsiooni6.
4.2 Lülituskadu
Kolme-taseme inverteri ahelas jagavad alalisvoolu siini pinget U kaks IGBT-d. Pinge, mida kannab iga IGBT sillaõlal, on pool alalisvoolupoolsest sisendpingest U/2. Kahe-tasemega inverteri ahelas kannab ainult üks IGBT alalisvoolu siini pinget ja iga sillaharu IGBT pinge on otse alalisvoolu külje sisendpinge, st U. Seetõttu kannab IGBT kolmetasandilises inverteri ahelas pool pinget esimese astme pingest ja ahela alguses lülita-välja. See määrab, et kolme-taseme IGBT lülituskadu on palju väiksem kui kahe-taseme esimese7.
4.3 Kõrge sagedus
Kõrge-pingega IGBT-sid mõjutab rakenduse pingetase, mis määrab, et nende lülitussagedus ja lülituskiirus on palju väiksemad kui madalpinge-IGBT-de omad. Kolme-taseme süsteem võimaldab aga madala-pingega IGBT-de kõrgsageduslikku-rakendust. Võrreldes aktiivvõimsuse filtritega ei peegelda lülitussageduse tase otseselt mitte ainult kompenseerimise kiirust, vaid ka saavutatava kompensatsioonisagedusvahemiku laiust. Mida kõrgem on sagedusriba, kus lülitussagedus asub, mida laiem on filtreerimise sagedusriba, mida filter saab rakendada, seda kitsam see peaks olema; vastupidi, seda kitsam see peaks olema8.
4.4 Kvantitatiivne võrdlus
SMA tootesarja areng on heaks tõestuseks.
- Kahe-taseme tehnoloogiatoode: Sunny Tripoweri seeria.
- Kolme-taseme tehnoloogiatoode: Sunny Highpower Series.
Kahe ülaltoodud graafiku andmete põhjal võib järeldada, et kahe-taseme tehnoloogiaga fotogalvaanilise inverteri toote maksimaalne efektiivsus on 98,1% ja Euroopas 97,8%. Kolme-taseme tehnoloogiaga fotogalvaaniliste inverteritoodete maksimaalne efektiivsus võib ulatuda 99,1%-ni, Euroopas aga 98,8%. Neid kahte võrreldes võib leida, et kolme-taseme tehnoloogiatoodete efektiivsus on kasvanud 1%9.
5. Tuleviku arengusuunad
5.1 Integreerimine uute pooljuhtmaterjalidega
Pooljuhttehnoloogia arenedes hakatakse järk-järgult kasutama inverterites uusi pooljuhtmaterjale, nagu ränikarbiid (SiC) ja galliumnitriid (GaN). Nendel materjalidel on suurem elektronide liikuvus, suurem läbilöögipinge ja väiksem - takistus kui traditsioonilistel ränimaterjalidel. Kolme - taseme inverteritehnoloogia integreerimine uute pooljuhtmaterjalidega võib inverterite jõudlust veelgi parandada. Näiteks SiC MOSFET-ide kasutamine kolmes - taseme inverteris võib vähendada seadmete lülituskadu ja juhtivuse kadu, parandada inverteri efektiivsust ja suurendada lülitussagedust, mis aitab veelgi vähendada inverteri suurust ja kaalu ning parandada selle võimsustihedust.
5.2 Intelligentseerimine ja digitaliseerimine
Tulevikus on kolm - taseme muundurit intelligentsemad ja digitaliseeritumad. Mikroelektroonika tehnoloogia ja digitaalse juhtimistehnoloogia arenedes saab invertereid varustada täiustatud digitaalsete kontrollerite ja anduritega. Need digitaalsed kontrollerid võivad rakendada keerukamaid juhtimisalgoritme, nagu adaptiivne juhtimine, ennustav juhtimine ja tõrkediagnostika - ja enese{4}} paranduskontroll. Andurid saavad jälgida inverteri tööolekut reaalajas -, näiteks temperatuuri, pinget, voolu ja seadme tervislikku seisundit. Intelligentsete algoritmide ja reaalajas - jälgimise abil saab inverter kohandada oma tööparameetreid vastavalt tegelikule olukorrale, parandada süsteemi tõhusust ja töökindlust ning realiseerida kaugseiret ja intelligentset juhtimist.
5.3 Kõrgema - pinge ja kõrgema - võimsusega rakendused
Kuna fotogalvaanilise elektritootmise ulatus laieneb, suureneb ka nõudlus kõrgema - pinge ja kõrgema - võimsusega inverterite järele. Kolme - taseme inverteri tehnoloogial on potentsiaali selle nõudluse rahuldamiseks. Optimeerides kolme - taseme inverteri topoloogiat ja juhtimisstrateegiat ning kasutades kõrge - pingega - nimiseadmeid, saab kolme - taseme muunduri väljundpinget ja võimsust veelgi suurendada. See on väga oluline suurte - mastaabis fotogalvaaniliste elektrijaamade ja kõrge - pingega - ülekande - liiniga - ühendatud fotogalvaaniliste tootmissüsteemide jaoks, mis võivad vähendada vajalike inverterite arvu, lihtsustada süsteemi struktuuri ja vähendada süsteemi üldkulusid.10.
- Yu, Chengzhuo, 2023, 3-tasemelise PWM-inverteri juhtimine võrguga ühendatud fotogalvaaniliste genereerimissüsteemide jaoks.
- Zhihu, selgitus kolme-taseme tehnoloogia paremuse kohta.
- Mitte-võrk, kolme-taseme vooluahela põhimõte ja ühine vooluahela topoloogia analüüs.
- Elektroonikahuviline, T-tüüpi kolme-tasemel fotogalvaanilise võrgu-ühendatud inverteri kujundusskeem.
- Tang, Yao, 2023, Põimitud kolme-taseme T--tüüpi inverteri disain ja juhtimine suure võimsusega rakenduste jaoks.
- Elektroonikahuviline, kolme{0}}taseme ja kahe-taseme süsteemide eeliste võrdlus.
- CSDN, kahe{0}}taseme ja kolme-taseme erinevus.
- Baidu Wenku, kahe{0}}taseme ja kolme-taseme võrdlus.
- SMA, tooteandmed SMA ametlikult veebisaidilt.
- Qitian Power, kolme{0}}taseme topoloogia paralleelinverter.
