Střídače hrají klíčovou roli ve fotovoltaických systémech výroby energie, přeměňují stejnosměrný proud (DC) generovaný fotovoltaickými panely na střídavý proud (AC) vhodný pro připojení k síti nebo použití zátěže. Vývoj invertorové technologie se neustále vyvíjí, aby splnil požadavky na vyšší účinnost, lepší kvalitu energie a nižší náklady. Technologie tří - invertorů je jedním z důležitých pokroků v této oblasti.
Koncept úrovně u měničů se týká napěťové úrovně používané pro přenos signálu nebo přeměnu energie. Dvouúrovňový střídač - má pouze dvě úrovně napětí, vysokou a nízkou, což má jednoduchý design a je vhodné pro aplikace s nízkými - náklady. Nicméně tři měniče úrovně - zavádějí střední bod napětí -, který poskytuje tři úrovně napětí, což umožňuje jemnější řízení napětí a má několik významných výhod na úrovni systému1.
1. Význam tří-úrovňové technologie
V 80. letech navrhl japonský učenec Nabae tří-úrovňový invertorový obvod založený na upínání diod. Jeho typická topologická struktura je znázorněna na následujícím obrázku. Každé můstkové rameno celého invertorového obvodu se skládá ze 4 bipolárních tranzistorů s izolovaným hradlem (IGBT) a 6 diod.
Ačkoli je tří{0}}úrovňový obvod relativně složitější v topologii, ve srovnání s tradičním dvou{1}}úrovňovým invertorovým obvodem, který může mít na výstupu pouze vysoké a nízké úrovně, může tento nový invertorový obvod vydávat vysoké a nízké úrovně prostřednictvím zapínání- horní a spodní elektronky a výstup nulové úrovně prostřednictvím upínacího efektu mezilehlé diody, celkem tři stavy úrovní. Proto se nazývá tří-úrovňový invertorový obvod.
Vezměte potenciální změnu ve středu ramene můstku invertoru fáze A na následujícím obrázku jako příklad ke stručnému popisu konkrétního významu tří úrovní.
- Když jsou dva IGBT na rameni můstku fáze A{0}} vodivé, potenciál v bodě A je stejný jako potenciál kladné sběrnice, což je U/2. Napětí zátěžové platformy, které nese každý IGBT, je U/2, jak ukazuje smyčka 1.
- Když jsou dva IGBT spodního můstkového ramena můstku A-fázového můstku vodivé, potenciál v bodě A je stejný jako záporný potenciál sběrnice, což je -U/2, a napětí na zátěžové platformě vystavené každým IGBT je U/2, jak ukazuje smyčka 2.
- Když je druhý IGBT na ramenu můstku A{0}}fázového můstku a upínací dioda bypassu vodivý, můstek střídače fáze A- je ve stavu A a potenciál v bodě A je stejný jako ve středním bodě sběrnice, což je 0, jak je znázorněno ve smyčce 3.
Ze tří vodivých obvodů fáze A popsaných výše lze poznat, že potenciál v bodě A může představovat tři úrovně: U/2, 0 a -U/2, proto se nazývá tří-úrovňový stav.2.
2. Společné tři - topologie úrovní
2.1 Topologie NPC1
Topologie NPC1 (Neutral - Point - Clamped) je jednou z nejklasičtějších topologií tří úrovní -. Optimalizuje rozložení ztrát a zlepšuje EMI optimalizací aktuální cesty a mechanismu konverze na nulové - úrovni.
Za podmínek invertoru se ztráty NPC1 soustřeďují hlavně v elektronkách T1/T4, včetně ztrát vedením a ztrát spínáním. T2/T3 je v normálně otevřeném stavu a ztráta je hlavně ztráta vedení. D5/D6 vede během komutace a jeho ztráty zahrnují ztráty vedením a ztráty zpětným zotavením.
V podmínkách rektifikace se ztráty soustřeďují především do elektronek D1/D4 a T2/T3. Elektronky D1/D4 mají ztráty ve vedení a reverzní ztráty zotavením, zatímco elektronky T2/T3 generují ztráty ve vedení a ztráty při přepínání během komutace. Naproti tomu trubice D2/D3 a D5/D6 mají pouze ztráty ve vedení.
2.2 Topologie NPC2
Topologie NPC2 je vylepšení založené na topologii NPC1. V NPC2 se používá dvojice IGBT se společnými emitory nebo kolektory a anti - paralelními diodami k nahrazení upínacích diod v NPC1, čímž se počet diod sníží o dvě. V NPC2 nesou elektronky T1/T4 plné napětí sběrnice a elektronky T2/T3 polovinu napětí sběrnice.
Ve stavu invertoru v kladné polovině cyklu - zůstává T2 normálně otevřený a T1 a D3 komutují; v cyklu záporné poloviny - zůstává T3 normálně otevřený a T4 a D2 komutují.
Ve stavu rektifikace je komutační proces také podobný jako u NPC1, ale kvůli odlišné struktuře upínací části je rozložení ztrát jiné než u NPC1. Obecně platí, že ve středním - a nízkém - spínacím - frekvenčním rozsahu je celková ztráta topologie NPC2 nižší než topologie NPC1.
2.3 Topologie ANPC
Topologie ANPC (Active Neutral - Point - Clamped) je vytvořena nahrazením upínacích diod v NPC1 IGBT a anti - paralelními diodami. Rozšiřuje dvě komutační cesty nulové úrovně - a prostřednictvím výběru a ovládání komutačních cest nulové úrovně - lze dosáhnout vyváženějšího rozložení ztrát a menší rozptylové indukčnosti komutační smyčky3.
3. Metody řízení tří - střídačů úrovně
3.1 Ovládání napětí
3.1.1DC - Řízení bočního napětí
Ve fotovoltaickém systému výroby elektrické energie je nutné udržovat stabilitu stejnosměrného napětí na straně - střídače. Napětí na straně DC - zajišťují hlavně fotovoltaické panely. Vlivem faktorů, jako je intenzita světla a teplota, bude výstupní napětí fotovoltaických panelů kolísat. Proto je zapotřebí strategie řízení napětí na straně DC -. Běžně používané metody zahrnují použití boost konvertoru nebo buck - boost konvertoru před invertorem pro úpravu stejnosměrného napětí na straně - na stabilní hodnotu. Například, když je výstupní napětí fotovoltaických panelů nižší než požadovaná hodnota, může boost konvertor zvýšit napětí; když je vyšší, buck - boost konvertor může upravit napětí na vhodnou úroveň.
3.1.2 Kontrola středního potenciálu -
U tří střídačů úrovně - je kolísání potenciálu středního bodu - běžným problémem, zejména v topologiích typu NPC -. Kolísání potenciálu středního - bodu ovlivní kvalitu průběhu výstupního napětí a spolehlivost zařízení. Existuje mnoho metod, jak ovládat střední - bodový potenciál. Jednou z metod je přidání běžné složky režimu - do modulačního signálu. Například v metodě sinusové pulzní - šířkové modulace (SPWM) je k referenčnímu napětí přidáno určité napětí v běžném - režimu, aby se upravila doba nabíjení a vybíjení středního - bodového kondenzátoru, aby byla zachována stabilita středního - bodového potenciálu. Další metodou je použití zpětnovazebního řídicího systému k detekci středního - bodového potenciálu a nastavení spínacích stavů měniče podle odchylky, aby bylo dosaženo střední - bodové rovnováhy potenciálu4.
3.2 Řízení proudu
3.2.1Mřížka - Připojené řízení proudu
U fotovoltaických střídačů připojených k síti - je nutné zajistit, aby výstupní proud byl ve stejné frekvenci a fázi jako síťové napětí. Toho je dosaženo prostřednictvím mřížky - připojené strategie řízení proudu. Běžnou metodou je použití smyčky fázového závěsu (PLL) - k synchronizaci výstupního proudu s napětím sítě. PLL dokáže rychle a přesně sledovat frekvenci a fázi síťového napětí. Na základě výstupu PLL je navržen proudový regulátor, jako je proporcionální - integrální (PI) regulátor nebo proporcionální - rezonanční (PR) regulátor. Proudový regulátor upravuje výstupní napětí střídače podle odchylky mezi referenčním proudem a skutečným výstupním proudem, aby bylo zajištěno, že výstupní proud splňuje požadavky na připojení k síti -.
3.2.2 Harmonické ovládání výstupního proudu
Kromě zajištění stejné frekvence a fáze jako síťové napětí je také nutné řídit harmonický obsah výstupního proudu. Jak bylo uvedeno výše, tři měniče úrovně - mají nižší harmonický obsah výstupního proudu než dva měniče úrovně -, ale v některých scénářích aplikací s vysokou přesností - je stále potřeba další harmonické řízení. Toho lze dosáhnout optimalizací modulační strategie. Například použití prostorové - vektorové pulzní - šířkové modulace (SVPWM) namísto tradiční SPWM může snížit harmonický obsah výstupního proudu. Kromě toho lze k dalšímu snížení obsahu harmonických ve výstupním proudu použít některé pokročilé řídicí algoritmy, jako je dopředné řízení harmonického napájení - a řízení kompenzace více harmonických -5.
4. Výhody tří - úrovňových invertorů ve srovnání se dvěma - úrovňovými invertory
4.1 Průběh výstupního napětí
Výstup napěťového průběhu dvou-obvodu invertoru:
Výstup napěťového průběhu tří{0}}úrovňového invertorového obvodu:
Základní princip tří{0}}úrovňového měniče spočívá v použití více úrovní k syntéze krokové vlny aproximující sinusové výstupní napětí. Díky dodatečné výstupní úrovni ve srovnání s dvou{2}}úrovňovým měničem se vlna PWM, kterou vydává, blíží sinusovému tvaru vlny. Výše uvedené dva obrázky jsou srovnáním výstupu PWM průběhů dvou-úrovňových a tří{5}}úrovňových měničů. Intuitivně lze rozlišit, že výstup PWM tvaru vlny tří-úrovňového měniče je blíže sinusovému a má méně zvlněný obsah6.
4.2 Ztráta spínání
Ve tří{0}}úrovňovém invertorovém obvodu je napětí DC sběrnice U sdíleno dvěma IGBT. Napětí nesené každým IGBT na rameni můstku je polovina vstupního napětí na stejnosměrné straně, U/2. Ve dvou-úrovňovém invertorovém obvodu pouze jeden IGBT nese napětí stejnosměrné sběrnice a napětí přenášené každým IGBT na rameni můstku je přímo vstupním napětím na straně stejnosměrného proudu, tedy U. Ve tří-úrovňovém invertorovém obvodu nese IGBT poloviční napětí ze dvou-první úrovně na začátku vypínacího{7} vedení. To určuje, že spínací ztráta tří-úrovňových IGBT je mnohem menší než u dvou{10}}úrovní jedna7.
4.3 Vysoká frekvence
Vysokonapěťové IGBT moduly jsou ovlivněny úrovní napětí aplikace, která určuje, že jejich frekvence a rychlost spínání jsou mnohem menší než u nízkonapěťových IGBT. Tří{3}}úrovňový systém však umožňuje vysokofrekvenční-aplikaci nízkonapěťových IGBT-. Ve srovnání s filtry aktivního výkonu odráží úroveň spínací frekvence přímo nejen rychlost kompenzace, ale také šířku dosažitelného kompenzačního frekvenčního rozsahu. Čím vyšší je frekvenční pásmo, kde se nachází spínací frekvence, Čím širší je filtrační frekvenční pásmo, které může filtr implementovat, tím užší by mělo být; naopak, čím užší by měl být8.
4.4 Kvantitativní srovnání
Vývoj produktové řady SMA je dobrým důkazem.
- Produkt dvou{0}}technologie: Sunny Tripower Series.
- Tří{0}}úrovňový technologický produkt: Sunny Highpower Series.
Z údajů ve dvou výše uvedených grafech lze získat, že maximální účinnost dvou{0}}technologických fotovoltaických střídačů je 98,1 % a účinnost v Evropě je 97,8 %. Maximální účinnost tří-technologických fotovoltaických střídačů může dosáhnout 99,1 %, zatímco v Evropě to může být 98,8 %. Porovnáním těchto dvou lze zjistit, že účinnost tří-technologických produktů úrovně se zvýšila o 1 %9.
5. Budoucí vývojové trendy
5.1 Integrace s novými polovodičovými materiály
S rozvojem polovodičové technologie se do invertorů postupně uplatňují nové polovodičové materiály jako karbid křemíku (SiC) a nitrid galia (GaN). Tyto materiály mají vyšší mobilitu elektronů, vyšší průrazné napětí a nižší odolnost - než tradiční křemíkové materiály. Integrace tříúrovňové technologie invertorů - s novými polovodičovými materiály může dále zlepšit výkon invertorů. Například použití SiC MOSFET ve třech invertorech úrovně - může snížit spínací ztráty a ztráty vedení zařízení, zlepšit účinnost měniče a zvýšit spínací frekvenci, což vede k dalšímu snížení velikosti a hmotnosti měniče a zlepšení jeho hustoty výkonu.
5.2 Inteligentizace a digitalizace
V budoucnu budou tři měniče úrovně - inteligentnější a digitalizované. S rozvojem technologie mikroelektroniky a digitální řídicí technologie mohou být měniče vybaveny pokročilejšími digitálními řídicími jednotkami a senzory. Tyto digitální ovladače mohou implementovat složitější řídicí algoritmy, jako je adaptivní řízení, prediktivní řízení a diagnostika poruch - a vlastní - řízení oprav. Senzory mohou monitorovat provozní stav měniče v reálném - čase, jako je teplota, napětí, proud a stav zařízení. Prostřednictvím inteligentních algoritmů a monitorování v reálném čase - může střídač upravit své provozní parametry podle aktuální situace, zlepšit efektivitu a spolehlivost systému a realizovat vzdálené monitorování a inteligentní správu.
5.3 Aplikace s vyšším - napětím a vyšším - výkonem
S tím, jak se rozsah výroby fotovoltaické energie neustále rozšiřuje, roste také poptávka po měničích s vyšším napětím - a vyššími -. Technologie tříúrovňových invertorů - má potenciál tuto poptávku uspokojit. Optimalizací topologie a strategie řízení tří střídačů úrovně - a použitím zařízení s vysokým napětím - - lze výstupní napětí a výkon tří střídačů úrovně - dále zvýšit. To má velký význam pro velké - fotovoltaické elektrárny a vysokonapěťové - přenosové - vedení - propojené fotovoltaické výrobní systémy, které mohou snížit počet potřebných střídačů, zjednodušit strukturu systému a snížit celkové náklady na systém10.
- Yu, Chengzhuo, 2023, Řízení 3úrovňového PWM invertoru pro systémy fotovoltaické výroby připojené k síti-.
- Zhihu, Vysvětlení převahy tří{0}}úrovňové technologie.
- Ne-síťový, tří-úrovňový princip obvodu a analýza společné topologie obvodu.
- Elektronický nadšenec, T-typ tří-úrovňové fotovoltaické sítě-propojeného invertorového schématu.
- Tang, Yao, 2023, Návrh a řízení prokládaného tří-invertoru typu T- pro aplikace s vysokým výkonem.
- Elektronický nadšenec, Srovnání výhod tří{0}}úrovňových a dvou{1}}úrovňových systémů.
- CSDN, rozdíl mezi dvěma-úrovněmi a třemi{1}}úrovněmi.
- Baidu Wenku, Srovnání dvou-úrovně a tří{1}}úrovní.
- SMA, Produktová data z oficiálních stránek SMA.
- Qitian Power, tří-úrovňový paralelní invertor topologie.
