Växelriktare spelar en avgörande roll i fotovoltaiska kraftgenereringssystem, och omvandlar likström (DC) som genereras av fotovoltaiska paneler till växelström (AC) lämplig för nätanslutning eller lastanvändning. Utvecklingen av inverterteknik har ständigt utvecklats för att möta kraven på högre effektivitet, bättre strömkvalitet och lägre kostnad. Tre --nivå inverterteknik är en av de viktiga framstegen inom detta område.
Nivåkonceptet i växelriktare avser den spänningsnivå som används för signalöverföring eller energiomvandling. En växelriktare med två - nivåer har bara två spänningsnivåer, hög och låg, vilket är enkelt i designen och lämpar sig för applikationer med låga - kostnader. Tre --nivåväxelriktare introducerar dock en spänningsmittpunkt -, vilket ger tre spänningsnivåer, vilket möjliggör finare spänningskontroll och har flera betydande fördelar på systemnivå1.
1. Betydelsen av teknik på tre-nivåer
På 1980-talet föreslog den japanska forskaren Nabae en växelriktarkrets med tre-nivåer baserad på diodklämning. Dess typiska topologiska struktur visas i följande figur. Varje bryggarm i hela växelriktarkretsen är sammansatt av 4 Isolated Gate Bipolar Transistors (IGBT) och 6 dioder.
Även om tre-nivåkretsen är relativt mer komplex i topologi, jämfört med den traditionella två-växelriktarkretsen som bara kan mata ut höga och låga nivåer, kan denna nya växelriktarkrets mata ut höga och låga nivåer genom att slå på- de övre och nedre rören, och mata ut nollnivå genom klämeffekten av de totalt tre mellanliggande dioderna. Därför kallas det en växelriktarkrets med tre-nivåer.
Ta potentialändringen vid mittpunkten av växelriktarbryggarmen i fas A i följande figur som ett exempel för att kortfattat beskriva den specifika innebörden av de tre nivåerna.
- När de två IGBT:erna på A-fasbryggarmen leder, är potentialen i punkt A densamma som den för den positiva bussen, som är U/2. Spänningsplattformens spänning som varje IGBT bär är U/2, som visas i loop 1.
- När de två IGBT:erna i den nedre bryggarmen på A-fasbryggarmen är ledande, är potentialen i punkt A densamma som den negativa busspotentialen, som är -U/2, och spänningsplattformsspänningen som uthärdar av varje IGBT är U/2, som visas i slinga 2.
- När den andra IGBT på A-fasbryggarmen och bypass-klämdioden är ledande, är A-fasomriktarbryggan i ett frihjulstillstånd och potentialen i punkt A är densamma som den vid bussens mittpunkt, vilket är 0, som visas i loop 3.
Från de tre ledande kretsarna i fas A som beskrivits ovan kan man veta att potentialen vid punkt A kan uppvisa tre nivåer: U/2, 0 och -U/2, så det kallas tre-nivåtillstånd2.
2. Vanliga tre --nivåtopologier
2.1NPC1 Topologi
NPC1-topologin (Neutral - Point - Clamped) är en av de mest klassiska topologierna på tre --nivåer. Den optimerar förlustfördelningen och förbättrar EMI genom att optimera den aktuella sökvägen och noll - omvandlingsmekanism.
Under växelriktarförhållanden är förlusterna av NPC1 huvudsakligen koncentrerade till T1/T4-rören, inklusive ledningsförluster och kopplingsförluster. T2/T3 är i normalt öppet tillstånd och förlusten är huvudsakligen ledningsförlust. D5/D6 leder under kommutering, och dess förluster inkluderar ledningsförluster och omvänd återvinningsförlust.
Under korrigeringsförhållanden är förlusterna huvudsakligen koncentrerade till D1/D4-rör och T2/T3-rör. D1/D4-rör har ledningsförluster och omvända återhämtningsförluster, medan T2/T3-rör genererar ledningsförluster och omkopplingsförluster under kommutering. Däremot har D2/D3- och D5/D6-rör endast ledningsförluster.
2.2 NPC2-topologi
NPC2-topologin är en förbättring baserad på NPC1-topologin. I NPC2 används ett par IGBT:er med gemensamma sändare eller kollektorer och anti - parallella dioder för att ersätta klämdioderna i NPC1, vilket minskar antalet dioder med två. I NPC2 bär T1/T4-rör hela bussspänningen, och T2/T3-rör bär hälften av bussspänningen.
I växelriktartillståndet, i den positiva halva --cykeln, förblir T2 normalt öppet och T1 och D3 kommuterar; i den negativa halva --cykeln förblir T3 normalt öppet och T4 och D2 kommuterar.
I korrigeringstillståndet liknar kommuteringsprocessen också den för NPC1, men på grund av den olika strukturen hos klämdelen är förlustfördelningen annorlunda än den för NPC1. I allmänhet är den totala förlusten av NPC2-topologin lägre än den för NPC1-topologin i mellanfrekvensområdet - och lågt - växlings-- frekvensområde.
2.3ANPC-topologi
ANPC-topologin (Active Neutral - Point - Clamped) bildas genom att ersätta klämdioderna i NPC1 med IGBT och anti - parallella dioder. Den expanderar två nollnivå - kommuteringsvägar, och genom val och kontroll av noll - nivå kommuteringsvägar, kan mer balanserad förlustfördelning och mindre kommuteringsslinga ströinduktans uppnås3.
3. Kontrollmetoder för tre - nivåväxelriktare
3.1 Spänningskontroll
3.1.1DC - Sidospänningskontroll
I ett solenergisystem är det nödvändigt att upprätthålla stabiliteten hos växelriktarens DC - sidospänning. DC - sidospänningen tillhandahålls huvudsakligen av fotovoltaiska paneler. På grund av påverkan av faktorer som ljusintensitet och temperatur kommer solcellspanelernas utspänning att fluktuera. Därför behövs en DC - sidospänningskontrollstrategi. Vanligt använda metoder inkluderar användning av en boostomvandlare eller en buck - boostomvandlare framför växelriktaren för att justera DC - sidospänningen till ett stabilt värde. Till exempel, när utspänningen från solcellspanelerna är lägre än det erforderliga värdet, kan boost-omvandlaren öka spänningen; när den är högre kan buck - boost-omvandlaren justera spänningen till lämplig nivå.
3.1.2 Mellan - punktpotentialkontroll
I tre växelriktare på --nivå är potentialfluktuationen i mitten av - punkten ett vanligt problem, särskilt i topologier av typen NPC -. Potentialfluktuationen i mitten av --punkten kommer att påverka utspänningens vågformskvalitet och enhetens tillförlitlighet. Det finns många metoder för att kontrollera mittpunktspotentialen på -. En metod är att lägga till en gemensam --modkomponent till moduleringssignalen. Till exempel, i sinusformade puls - width modulation (SPWM)-metoden, läggs en viss vanlig --lägesspänning till referensspänningen för att justera laddnings- och urladdningstiden för mittpunktskondensatorn -, för att bibehålla stabiliteten hos mittpunkten --punktspotential. En annan metod är att använda ett återkopplingsstyrsystem för att detektera mittpunkten - punktpotential och justera växelriktarens växlingstillstånd enligt avvikelsen för att uppnå mittpunkten - punktpotentialbalans4.
3.2 Strömkontroll
3.2.1Grid - Ansluten strömkontroll
För nätanslutna - fotovoltaiska växelriktare är det nödvändigt att säkerställa att utströmmen är i samma frekvens och fas som nätspänningen. Detta uppnås genom en nätansluten - strömstyrstrategi. En vanlig metod är att använda en fas - låst slinga (PLL) för att synkronisera utströmmen med nätspänningen. PLL:n kan snabbt och exakt spåra frekvensen och fasen för nätspänningen. Baserat på utsignalen från PLL:n designas en strömstyrenhet, såsom en proportionell - integral (PI) styrenhet eller en proportionell - resonans (PR) styrenhet. Strömregulatorn justerar växelriktarens utspänning enligt avvikelsen mellan referensströmmen och den faktiska utströmmen för att säkerställa att utströmmen uppfyller nätanslutningskraven -.
3.2.2 Utströmsövertonskontroll
Förutom att säkerställa samma frekvens och fas som nätspänningen är det också nödvändigt att styra övertonsinnehållet i utströmmen. Som nämnts ovan har tre växelriktare på --nivå ett lägre övertonsinnehåll för utström än två växelriktare på --nivå, men i vissa tillämpningsscenarier med hög - precision behövs ytterligare övertonskontroll. Detta kan uppnås genom att optimera moduleringsstrategin. Om du till exempel använder space - vektorpuls - breddmodulering (SVPWM) istället för traditionell SPWM kan det minska det övertonska innehållet i utströmmen. Dessutom kan vissa avancerade kontrollalgoritmer, såsom harmonisk matning - framåtstyrning och multi - harmonisk kompensationskontroll, också användas för att ytterligare reducera övertonsinnehållet i utströmmen5.
4. Fördelar med tre - nivåväxelriktare jämfört med två - nivåväxelriktare
4.1 Spänningsutgångsvågform
Spänningsvågformen som matas ut av växelriktarkretsen med två-nivåer:
Spänningsvågformen som matas ut av en växelriktarkrets med tre-nivåer:
Grundprincipen för en växelriktare med tre-nivåer är att använda flera nivåer för att syntetisera en stegvåg för att approximera en sinusformad utspänning. På grund av att den har en extra utgångsnivå jämfört med en växelriktare med två-nivåer, är PWM-vågen den matar ut närmare en sinusformad vågform. Ovanstående två figurer är en jämförelse av PWM-vågformerna som matas ut av två-nivå- och tre-nivåväxelriktare. Det kan intuitivt urskiljas att PWM-vågformsutmatningen från tre-nivåomriktaren är närmare sinus och har mindre rippelinnehåll6.
4.2 Omkopplingsförlust
I en växelriktarkrets med tre-nivåer delas DC-bussspänningen U av två IGBT:er. Spänningen som bärs av varje IGBT på bryggarmen är hälften av inspänningen på DC-sidan, U/2. I en växelriktarkrets med två-nivåer bär endast en IGBT DC-bussspänningen, och spänningen som bärs av varje IGBT på bryggarmen är direkt inspänningen på DC-sidan, det vill säga U. Därför, i en växelriktarkrets med tre-nivåer, bär IGBT hälften av spänningen av de två nivåerna och i slutet av ledningsnivån- stäng av-. Detta avgör att växlingsförlusten för IGBT på tre-nivåer är mycket mindre än för de två-nivåer7.
4.3 Hög frekvens
Hög-IGBT påverkas av applikationsspänningsnivån, vilket bestämmer att deras switchfrekvens och switchhastighet är mycket mindre än lågspänningsIGBT:er. Systemet med tre-nivåer möjliggör dock hög-tillämpning av låg-IGBT:er. Jämfört med aktiva effektfilter, reflekterar nivån på omkopplingsfrekvensen direkt inte bara kompensationshastigheten utan också bredden på det uppnåbara kompensationsfrekvensområdet. Ju högre frekvensband där omkopplingsfrekvensen är placerad, Ju bredare filtreringsfrekvensband som ett filter kan välja att implementera, desto smalare bör det vara; omvänt, desto smalare bör den vara8.
4.4 Kvantitativ jämförelse
Utvecklingen av SMA:s produktlinje är ett bra bevis.
- Teknikprodukt på två-nivåer: Sunny Tripower-serien.
- Teknikprodukt med tre-nivåer: Sunny Highpower-serien.
Från data i de två diagrammen ovan kan man erhålla att den maximala verkningsgraden för fotovoltaiska växelriktarprodukter med två-nivåer är 98,1 % och effektiviteten i Europa är 97,8 %. Den maximala verkningsgraden för de tre-nivåteknikprodukterna för fotovoltaiska växelriktare kan nå 99,1 %, medan den i Europa kan vara 98,8 %. Genom att jämföra de två kan det konstateras att effektiviteten hos de tre-nivåteknikprodukterna har ökat med 1 %9.
5. Framtida utvecklingstrender
5.1 Integration med nya halvledarmaterial
Med utvecklingen av halvledarteknologin appliceras gradvis nya halvledarmaterial som kiselkarbid (SiC) och galliumnitrid (GaN) på växelriktare. Dessa material har högre elektronrörlighet, högre genombrottsspänning och lägre --resistans än traditionella kiselmaterial. Att integrera växelriktarteknik på tre nivåer på - med nya halvledarmaterial kan förbättra växelriktarnas prestanda ytterligare. Användning av SiC MOSFETs i tre växelriktare på --nivå kan till exempel minska enheternas kopplingsförlust och ledningsförlust, förbättra växelriktarens effektivitet och öka växlingsfrekvensen, vilket bidrar till att ytterligare minska växelriktarens storlek och vikt och förbättra dess effekttäthet.
5.2 Intelligentisering och digitalisering
I framtiden kommer tre växelriktare på - nivå att vara mer intelligenta och digitaliserade. Med utvecklingen av mikroelektronikteknik och digital styrteknik kan växelriktare utrustas med mer avancerade digitala styrenheter och sensorer. Dessa digitala styrenheter kan implementera mer komplexa styralgoritmer, såsom adaptiv styrning, förutsägande styrning och - feldiagnos och själv - reparationskontroll. Sensorerna kan övervaka växelriktarens driftstatus i - realtid, såsom temperatur, spänning, ström och enhetens hälsostatus. Genom intelligenta algoritmer och realtidsövervakning av - kan växelriktaren justera sina driftsparametrar efter den faktiska situationen, förbättra systemets effektivitet och tillförlitlighet och realisera fjärrövervakning och intelligent hantering.
5.3 Applikationer för högre - spänning och högre - effekt
I takt med att omfattningen av fotovoltaisk elproduktion fortsätter att expandera, ökar också efterfrågan på högre - spänning och högre - strömriktare. Inverterteknik på tre - nivåer har potential att möta denna efterfrågan. Genom att optimera topologin och styrstrategin för tre växelriktare på --nivå och använda enheter med hög --spänning - kan utspänningen och effekten från tre växelriktare på --nivå ökas ytterligare. Detta är av stor betydelse för storskaliga - solcellskraftverk och hög - spänning - transmission - linje - anslutna solcellsgenereringssystem, vilket kan minska antalet växelriktare som krävs, förenkla systemstrukturen och minska den totala kostnaden för systemet10.
- Yu, Chengzhuo, 2023, Styrning av en 3-nivå PWM-växelriktare för nätanslutna-solcellsgenereringssystem.
- Zhihu, Förklaring av överlägsenheten hos tre-nivåteknik.
- Icke-nätverk, tre-kretsprincip och gemensam kretstopologianalys.
- Elektronisk entusiast, T-typ tre-fotovoltaiskt nät-ansluten växelriktare designschema.
- Tang, Yao, 2023, Design och kontroll av interfolierad växelriktare av tre-nivåer av T-typ för högeffektapplikationer.
- Elektronisk entusiast, en jämförelse av fördelarna med tre-nivå- och två-nivåsystem.
- CSDN, skillnaden mellan två-nivåer och tre-nivåer.
- Baidu Wenku, Jämförelse mellan två-nivåer och tre-nivåer.
- SMA, Produktdata från SMA:s officiella hemsida.
- Qitian Power, tre-nivå topologi parallell inverterare.
