Инверторы играют решающую роль в фотоэлектрических системах производства электроэнергии, преобразуя постоянный ток (DC), генерируемый фотоэлектрическими панелями, в переменный ток (AC), подходящий для подключения к сети или использования нагрузки. Развитие инверторной технологии постоянно развивается, чтобы удовлетворить требования более высокой эффективности, лучшего качества электроэнергии и более низкой стоимости. Трехуровневая инверторная технология - является одним из важных достижений в этой области.
Концепция уровня в инверторах относится к уровню напряжения, используемому для передачи сигнала или преобразования энергии. Двухуровневый инвертор - имеет только два уровня напряжения: высокий и низкий, что делает его простым по конструкции и подходящим для недорогих - приложений. Однако три инвертора уровня - вводят среднюю точку напряжения -, обеспечивая три уровня напряжения, что позволяет более точно контролировать напряжение и имеет несколько существенных преимуществ на уровне системы.1.
1.Значение трехуровневой-технологии
В 1980-х годах японский ученый Набаэ предложил трехуровневую схему инвертора, основанную на диодном ограничении. Его типичная топологическая структура показана на следующем рисунке. Каждое плечо моста всей схемы инвертора состоит из 4 биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) и 6 диодов.
Хотя трехуровневая схема имеет относительно более сложную топологию по сравнению с традиционной двухуровневой инверторной схемой, которая может выводить только высокие и низкие уровни, эта новая инверторная схема может выдавать высокие и низкие уровни посредством включения-верхней и нижней ламп, а также выводить нулевой уровень благодаря эффекту ограничения промежуточного диода, всего три состояния уровня. Поэтому ее называют трехуровневой инверторной схемой.
Возьмите изменение потенциала в средней точке плеча инверторного моста фазы А на следующем рисунке в качестве примера, чтобы кратко описать конкретное значение трех уровней.
- Когда два IGBT на плече фазного моста A-проводящие, потенциал в точке A такой же, как и у положительной шины, то есть U/2. Напряжение нагрузочной платформы, которое несет каждый IGBT, равно U/2, как показано в контуре 1.
- Когда два IGBT нижнего плеча моста фазы A- являются проводящими, потенциал в точке A такой же, как отрицательный потенциал шины, который равен -U/2, а напряжение платформы нагрузки, выдерживаемое каждым IGBT, равно U/2, как показано в контуре 2.
- Когда второй IGBT на плече фазного моста A- и обводной фиксирующий диод являются проводящими, мост инвертора фазы A- находится в свободном состоянии A, а потенциал в точке A такой же, как и в средней точке шины, который равен 0, как показано в контуре 3.
Из трех проводящих цепей фазы A, описанных выше, можно знать, что потенциал в точке A может представлять три уровня: U/2, 0 и -U/2, поэтому его называют трех-уровневым состоянием.2.
2.Общие трехуровневые топологии -
2.1 Топология NPC1
Топология NPC1 (нейтральная - точка - фиксированная) является одной из наиболее классических трехуровневых топологий -. Он оптимизирует распределение потерь и улучшает EMI за счет оптимизации текущего пути и механизма преобразования нулевого уровня -.
В условиях инвертора потери NPC1 в основном сосредоточены в трубках Т1/Т4, включая потери проводимости и потери переключения. T2/T3 находится в нормально открытом состоянии, и потери в основном связаны с потерями проводимости. D5/D6 проводит ток во время коммутации, и его потери включают потери проводимости и потери обратного восстановления.
В условиях выпрямления потери в основном сосредоточены в трубках D1/D4 и трубках T2/T3. Трубки D1/D4 имеют потери проводимости и потери обратного восстановления, тогда как лампы T2/T3 генерируют потери проводимости и потери переключения во время коммутации. Напротив, лампы D2/D3 и D5/D6 имеют только потери проводимости.
2.2 Топология NPC2
Топология NPC2 является усовершенствованием топологии NPC1. В NPC2 пара IGBT с общими эмиттерами или коллекторами и параллельными анти-- диодами используется для замены фиксирующих диодов в NPC1, что уменьшает количество диодов на два. В NPC2 лампы T1/T4 несут полное напряжение шины, а лампы T2/T3 — половину напряжения шины.
В состоянии инвертора, в положительной половине цикла -, T2 остается нормально разомкнутым, а T1 и D3 коммутируют; в отрицательной половине цикла - T3 остается нормально открытым, а T4 и D2 коммутируют.
В состоянии выпрямления процесс коммутации также аналогичен процессу коммутации NPC1, но из-за другой конструкции зажимной части распределение потерь отличается от такового у NPC1. Как правило, в среднем - и низком - диапазоне частот переключения - общие потери топологии NPC2 ниже, чем у топологии NPC1.
2.3 Топология ANPC
Топология ANPC (активная нейтральная - точка - фиксированная) формируется путем замены фиксирующих диодов в NPC1 на IGBT и анти-- параллельные диоды. Он расширяет два пути коммутации нулевого уровня -, а за счет выбора и управления путями коммутации нулевого уровня - можно добиться более сбалансированного распределения потерь и меньшей паразитной индуктивности контура коммутации.3.
3. Методы управления тремя - инверторами уровня.
3.1 Контроль напряжения
3.1.1Регулирование бокового напряжения постоянного тока -
В фотоэлектрической системе производства электроэнергии необходимо поддерживать стабильность напряжения на стороне постоянного тока - инвертора. Напряжение на стороне постоянного тока - в основном обеспечивается фотоэлектрическими панелями. Из-за влияния таких факторов, как интенсивность света и температура, выходное напряжение фотоэлектрических панелей будет колебаться. Следовательно, необходима стратегия управления напряжением на стороне постоянного тока -. Обычно используемые методы включают использование повышающего преобразователя или понижающего повышающего преобразователя - перед инвертором для регулировки напряжения на стороне постоянного тока - до стабильного значения. Например, когда выходное напряжение фотоэлектрических панелей ниже требуемого значения, повышающий преобразователь может повысить напряжение; когда оно выше, понижающий преобразователь - может отрегулировать напряжение до соответствующего уровня.
3.1.2Потенциальный контроль средней точки -
В трех инверторах уровня - колебания потенциала средней точки - являются распространенной проблемой, особенно в топологиях типа NPC -. Колебания потенциала в средней точке - повлияют на качество формы выходного напряжения и надежность устройства. Существует множество методов управления потенциалом средней точки -. Одним из методов является добавление общего компонента режима - к сигналу модуляции. Например, в методе широтно-импульсной модуляции - (SPWM) определенное общее напряжение режима - добавляется к опорному напряжению для регулировки времени зарядки и разрядки конденсатора средней точки -, чтобы поддерживать стабильность потенциала средней точки -. Другой метод заключается в использовании системы управления с обратной связью для обнаружения потенциала средней точки - и регулировки состояний переключения инвертора в соответствии с отклонением для достижения баланса потенциалов средней точки -.4.
3.2 Текущий контроль
3.2.1 Сетевое - управление подключенным током
Для фотоэлектрических инверторов, подключенных к сети -, необходимо убедиться, что выходной ток имеет ту же частоту и фазу, что и напряжение сети. Это достигается за счет стратегии управления током, подключенной к сети -. Распространенным методом является использование фазовой автоподстройки частоты - (PLL) для синхронизации выходного тока с напряжением сети. ФАПЧ может быстро и точно отслеживать частоту и фазу напряжения сети. На основе выходного сигнала системы ФАПЧ проектируется регулятор тока, например пропорциональный - интегральный (ПИ) регулятор или пропорциональный - резонансный (ПР) регулятор. Регулятор тока регулирует выходное напряжение инвертора в соответствии с отклонением между опорным током и фактическим выходным током, чтобы гарантировать, что выходной ток соответствует требованиям к подключению к сети -.
3.2.2 Контроль гармоник выходного тока
Помимо обеспечения той же частоты и фазы, что и напряжение сети, необходимо также контролировать содержание гармоник выходного тока. Как упоминалось выше, три инвертора уровня - имеют более низкое содержание гармоник выходного тока, чем два инвертора уровня -, но в некоторых сценариях применения с высокой точностью - по-прежнему необходим дополнительный контроль гармоник. Этого можно достичь путем оптимизации стратегии модуляции. Например, использование пространственной - векторно-импульсной - широтной модуляции (SVPWM) вместо традиционного SPWM может уменьшить содержание гармоник выходного тока. Кроме того, некоторые усовершенствованные алгоритмы управления, такие как управление прямой подачей гармоник - и управление компенсацией нескольких гармоник -, также могут использоваться для дальнейшего снижения содержания гармоник в выходном токе.5.
4.Преимущества трех инверторов уровня - по сравнению с двумя инверторами уровня -
4.1 Форма выходного напряжения
Форма сигнала напряжения, выдаваемого двух-схемой инвертора:
Форма сигнала напряжения, выдаваемого трех-уровневой инверторной схемой:
Основной принцип трех-инвертора заключается в использовании нескольких уровней для синтеза ступенчатой волны для аппроксимации синусоидального выходного напряжения. Благодаря наличию дополнительного выходного уровня по сравнению с двухуровневым инвертором, выдаваемая им ШИМ-волна ближе к синусоидальной форме. На двух приведенных выше рисунках показано сравнение выходных сигналов ШИМ двух-и трех-уровневых инверторов. Интуитивно можно заметить, что выходной сигнал ШИМ трехуровневого инвертора ближе к синусу и имеет меньше пульсаций.6.
4.2 Потери при переключении
В трехуровневой инверторной схеме напряжение U шины постоянного тока распределяется между двумя IGBT. Напряжение, воспринимаемое каждым IGBT на плече моста, составляет половину входного напряжения на стороне постоянного тока, U/2. В двух-схеме инвертора только один IGBT несет напряжение шины постоянного тока, а напряжение, передаваемое каждым IGBT на плече моста, является непосредственно входным напряжением на стороне постоянного тока, то есть U. Таким образом, в трех-схеме инвертора IGBT выдерживает половину напряжения двух-первого уровня в начале проводимости и в конце выключения-выключения. Это определяет, что потери на переключение трех-уровневого IGBT намного меньше, чем у двух-уровневого IGBT.7.
4.3 Высокая частота
На высоковольтные-БТИЗ (IGBT) влияет уровень напряжения приложения, из-за чего их частота и скорость переключения намного меньше, чем у низко-БТИЗ с низким напряжением. Однако трех-уровневая система позволяет применять высокочастотные-низко-БТИЗ. По сравнению с фильтрами активной мощности уровень частоты переключения напрямую отражает не только скорость компенсации, но и ширину достижимого диапазона частот компенсации. Чем выше полоса частот, в которой расположена частота переключения. Чем шире полоса частот фильтрации, которую может выбрать фильтр, тем уже она должна быть; и наоборот, чем уже он должен быть8.
4.4 Количественное сравнение
Эволюция линейки продуктов SMA является хорошим тому подтверждением.
- Двухуровневая технологическая продукция: серия Sunny Tripower.
- Трехуровневая технологическая продукция: серия Sunny Highpower.
Из данных на двух приведенных выше графиках можно получить, что максимальная эффективность фотоэлектрических инверторов с двухуровневой технологией составляет 98,1 %, а эффективность в Европе — 97,8 %. Максимальная эффективность фотоэлектрических инверторов трех-уровневой технологии может достигать 99,1%, тогда как в Европе она может достигать 98,8%. Сравнивая эти два показателя, можно обнаружить, что эффективность трех-технологических продуктов возросла на 1%.9.
5. Тенденции будущего развития.
5.1 Интеграция с новыми полупроводниковыми материалами
С развитием полупроводниковой технологии в инверторах постепенно применяются новые полупроводниковые материалы, такие как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN). Эти материалы имеют более высокую подвижность электронов, более высокое напряжение пробоя и более низкое сопротивление -, чем традиционные кремниевые материалы. Интеграция трехуровневой инверторной технологии - с новыми полупроводниковыми материалами может еще больше повысить производительность инверторов. Например, использование SiC MOSFET в инверторах трех уровней - может снизить потери на переключение и потери проводимости устройств, повысить эффективность инвертора и увеличить частоту переключения, что способствует дальнейшему уменьшению размера и веса инвертора и улучшению его удельной мощности.
5.2 Интеллектуализация и цифровизация
В будущем три инвертора уровня - станут более интеллектуальными и цифровыми. С развитием технологий микроэлектроники и технологий цифрового управления инверторы могут быть оснащены более совершенными цифровыми контроллерами и датчиками. Эти цифровые контроллеры могут реализовывать более сложные алгоритмы управления, такие как адаптивное управление, прогнозирующее управление, диагностику неисправностей - и управление самовосстановлением -. Датчики могут отслеживать рабочее состояние инвертора в реальном времени -, например, температуру, напряжение, ток и состояние работоспособности устройства. Благодаря интеллектуальным алгоритмам и мониторингу в реальном времени - инвертор может регулировать свои рабочие параметры в соответствии с реальной ситуацией, повышать эффективность и надежность системы, а также осуществлять удаленный мониторинг и интеллектуальное управление.
5.3 Приложения с более высоким - напряжением и более высокой - мощностью
Поскольку масштабы производства фотоэлектрической энергии продолжают расширяться, спрос на инверторы с более высоким напряжением - и более высокой мощностью - также растет. Трехуровневая инверторная технология - потенциально может удовлетворить этот спрос. Путем оптимизации топологии и стратегии управления трех инверторов уровня - и использования устройств с высоким номинальным напряжением - - можно дополнительно увеличить выходное напряжение и мощность трех инверторов уровня -. Это имеет большое значение для крупных - фотоэлектрических электростанций и высоковольтных - - передающих - линий - фотоэлектрических систем генерации, которые могут уменьшить количество требуемых инверторов, упростить структуру системы и снизить общую стоимость системы.10.
- Ю, Чэнчжуо, 2023 г., Управление трехуровневым инвертором ШИМ для сетевых- фотоэлектрических систем генерации.
- Чжиху, Объяснение превосходства трехуровневой-технологии.
- Не-сетевой, трех-принцип схемы и анализ топологии общей схемы.
- Энтузиаст электроники, трехуровневая фотоэлектрическая схема Т-типа-фотоэлектрической сети-инвертора.
- Тан, Яо, 2023 г., Проектирование и управление чередующимся трехуровневым инвертором типа T- для приложений большой мощности.
- Электронный энтузиаст. Сравнение преимуществ трех- и двух-уровневых систем.
- CSDN. Разница между двумя-уровнями и тремя-уровнями.
- Байду Венку, Сравнение двух-уровней и трёх-уровней.
- SMA, Данные о продукте с официального сайта SMA.
- Qitian Power, параллельный инвертор с трех-уровневой топологией.