Invertterit ovat ratkaisevassa roolissa aurinkosähkön sähköntuotantojärjestelmissä, koska ne muuttavat aurinkopaneelien tuottaman tasavirran (DC) vaihtovirraksi (AC), joka soveltuu verkkoliitäntään tai kuormitukseen. Invertteriteknologian kehitystä on jatkuvasti kehitetty vastaamaan korkeamman hyötysuhteen, paremman virranlaadun ja alhaisempien kustannusten vaatimuksia. Kolmen --tason invertteritekniikka on yksi tärkeimmistä edistysaskeleista tällä alalla.
Inverttereiden tasokäsite viittaa jännitetasoon, jota käytetään signaalin siirtoon tai energian muuntamiseen. Kaksitasoisessa - invertterissä on vain kaksi jännitetasoa, korkea ja matala, mikä on rakenteeltaan yksinkertainen ja sopii edullisiin - kustannuksiin. Kolme --tason invertteriä tuovat kuitenkin jännitteen keskipisteen -, mikä tarjoaa kolme jännitetasoa, mikä mahdollistaa tarkemman jännitteen ohjauksen ja jolla on useita merkittäviä etuja järjestelmätasolla.1.
1. Kolmi-tason teknologian merkitys
1980-luvulla japanilainen tutkija Nabae ehdotti kolmi-tasoista invertteripiiriä, joka perustuu diodikiinnitykseen. Sen tyypillinen topologinen rakenne on esitetty seuraavassa kuvassa. Jokainen koko invertteripiirin siltavarsi koostuu 4 eristetystä hilasta (IGBT) ja 6 diodista.
Vaikka kolmitasoinen piiri on topologialtaan suhteellisen monimutkaisempi verrattuna perinteiseen kaksi-tasoiseen invertteripiiriin, joka pystyy tuottamaan vain korkeita ja matalia tasoja, tämä uusi invertteripiiri voi tuottaa korkeita ja matalia tasoja ylemmän ja alemman putken-käynnistyksen kautta ja nollatason välidiodin puristusvaikutuksen kautta, yhteensä kolme. Siksi sitä kutsutaan kolmi-tason invertteripiiriksi.
Otetaan seuraavan kuvan potentiaalinen muutos vaiheen A vaihtosuuntaajan siltavarren keskipisteessä esimerkkinä, joka kuvaa lyhyesti näiden kolmen tason erityistä merkitystä.
- Kun A-vaiheen siltavarren kaksi IGBT:tä johtavat, pisteen A potentiaali on sama kuin positiivisen väylän potentiaali, joka on U/2. Jokaisen IGBT:n kantama jännitystason jännite on U/2, kuten silmukassa 1 on esitetty.
- Kun A--vaiheen siltavarren alemman siltavarren kaksi IGBT:tä johtavat, pisteen A potentiaali on sama kuin negatiivinen väylän potentiaali, joka on -U/2, ja kunkin IGBT:n kestämä jännitysalustan jännite on U/2, kuten silmukassa 2 näkyy.
- Kun A--vaiheen siltavarren toinen IGBT ja ohituksen puristusdiodi johtavat, A--vaiheinvertterisilta on A-tilassa, ja pisteen A potentiaali on sama kuin väylän keskipisteessä, joka on 0, kuten silmukassa 3 näkyy.
Yllä kuvatuista kolmesta vaiheen A johtavasta piiristä voidaan tietää, että pisteen A potentiaalilla voi olla kolme tasoa: U/2, 0 ja -U/2, joten sitä kutsutaan kolmi-tason tilaksi.2.
2. Yleiset kolme - tason topologiaa
2.1NPC1-topologia
NPC1 (Neutral - Point - Clamped) topologia on yksi klassisimmista kolmen --tason topologioista. Se optimoi häviöiden jakautumisen ja parantaa EMI:tä optimoimalla nykyisen polun ja nolla-{5}}-tason muuntomekanismin.
Invertteriolosuhteissa NPC1:n häviöt keskittyvät pääasiassa T1/T4-putkiin, mukaan lukien johtavuushäviöt ja kytkentähäviöt. T2/T3 on normaalisti avoimessa tilassa ja häviö on pääasiassa johtavuushäviö. D5/D6 johtaa kommutoinnin aikana, ja sen häviöt sisältävät johtohäviöt ja käänteisen palautumisen häviöt.
Tasasuuntausolosuhteissa häviöt keskittyvät pääasiassa D1/D4- ja T2/T3-putkiin. D1/D4-putkissa on johtavuushäviöitä ja käänteispalautushäviöitä, kun taas T2/T3-putkissa syntyy johtavuushäviöitä ja kytkentähäviöitä kommutoinnin aikana. Sitä vastoin D2/D3- ja D5/D6-putkissa on vain johtavuushäviöitä.
2.2 NPC2-topologia
NPC2-topologia on parannus, joka perustuu NPC1-topologiaan. NPC2:ssa käytetään IGBT-paria yhteisillä emittereillä tai kollektoreilla ja anti - rinnakkaisdiodilla korvaamaan NPC1:n puristusdiodit, mikä vähentää diodien määrää kahdella. NPC2:ssa T1/T4-putket kantavat täyden väyläjännitteen ja T2/T3-putket puolet väyläjännitteestä.
Invertteritilassa, positiivisen puoliskon - aikana, T2 pysyy normaalisti auki ja T1 ja D3 kommutoidaan; negatiivisen puoliskon - aikana T3 pysyy normaalisti auki ja T4 ja D2 kommutoidaan.
Tasasuuntaustilassa kommutointiprosessi on myös samanlainen kuin NPC1:ssä, mutta puristusosan erilaisesta rakenteesta johtuen häviöjakauma on erilainen kuin NPC1:ssä. Yleensä keskitason - ja matalan - kytkentätaajuusalueella - NPC2-topologian kokonaishäviö on pienempi kuin NPC1-topologian.
2.3ANPC-topologia
ANPC-topologia (Active Neutral - Point - Clamped) muodostetaan korvaamalla NPC1:n puristusdiodit IGBT- ja anti---rinnakkaisdiodeilla. Se laajentaa kahta nolla---tason kommutointipolkua, ja nolla---tason kommutointipolkujen valinnalla ja ohjauksella voidaan saavuttaa tasapainoisempi häviöjakauma ja pienempi kommutointisilmukan hajainduktanssi.3.
3. Kolmen --tason invertterin ohjausmenetelmät
3.1 Jännitteensäätö
3.1.1DC - Sivujänniteohjaus
Aurinkosähköisessä sähköntuotantojärjestelmässä on välttämätöntä ylläpitää invertterin DC - -sivujännitteen vakaus. DC - -sivujännite saadaan pääasiassa aurinkosähköpaneeleista. Valon voimakkuuden ja lämpötilan kaltaisten tekijöiden vaikutuksesta aurinkopaneelien lähtöjännite vaihtelee. Siksi DC - -puolen jännitteen ohjausstrategia tarvitaan. Yleisesti käytettyjä menetelmiä ovat muuntimen käyttö vaihtosuuntaajan edessä DC - -sivujännitteen säätämiseksi vakaaseen arvoon. Esimerkiksi kun aurinkopaneelien lähtöjännite on vaadittua arvoa pienempi, tehostusmuunnin voi lisätä jännitettä; kun se on korkeampi, buck - -tehostusmuunnin voi säätää jännitteen sopivalle tasolle.
3.1.2 Keskipisteen - potentiaalin hallinta
Kolmessa --tason invertterissä keskipisteen - potentiaalin vaihtelu on yleinen ongelma, erityisesti NPC - -tyyppisissä topologioissa. Keskipisteen - potentiaalin vaihtelu vaikuttaa lähtöjännitteen aaltomuodon laatuun ja laitteen luotettavuuteen. Keskipisteen - potentiaalin hallitsemiseksi on monia menetelmiä. Yksi tapa on lisätä yleinen --moodikomponentti modulaatiosignaaliin. Esimerkiksi sinipulssin - leveysmodulaatiomenetelmässä (SPWM) tietty yhteinen - -moodijännite lisätään referenssijännitteeseen, jotta voidaan säätää keskipisteen - kondensaattorin lataus- ja purkuaikaa, jotta keskipisteen - potentiaalin stabiilisuus säilyy. Toinen tapa on käyttää takaisinkytkentäohjausjärjestelmää keskipisteen - potentiaalin tunnistamiseen ja vaihtosuuntaajan kytkentätilojen säätämiseen poikkeaman mukaan keskipisteen - potentiaalitasapainon saavuttamiseksi.4.
3.2 Nykyinen ohjaus
3.2.1Grid - Connected Current Control
Verkkoon - kytkettyjen aurinkosähköinvertterien osalta on varmistettava, että lähtövirta on samalla taajuudella ja vaiheella kuin verkon jännite. Tämä saavutetaan verkkoon - yhdistetyn nykyisen ohjausstrategian avulla. Yleinen menetelmä on käyttää vaihelukittua silmukkaa (PLL) lähtövirran synkronoimiseksi verkon jännitteen kanssa. PLL voi seurata nopeasti ja tarkasti verkkojännitteen taajuutta ja vaihetta. PLL:n lähdön perusteella suunnitellaan virtasäädin, kuten suhteellinen - integraalisäädin (PI) tai suhteellinen - resonanssisäädin (PR). Virtasäädin säätää invertterin lähtöjännitettä vertailuvirran ja todellisen lähtövirran välisen poikkeaman mukaan varmistaakseen, että lähtövirta vastaa verkkoliitäntävaatimuksia -.
3.2.2 Lähtövirran harmoninen ohjaus
Sen lisäksi, että varmistetaan sama taajuus ja vaihe kuin verkkojännitteellä, on myös tarpeen ohjata lähtövirran harmonista sisältöä. Kuten edellä mainittiin, kolmella --tason invertterillä on pienempi lähtövirran harmoninen sisältö kuin kahdella --tason invertterillä, mutta joissakin erittäin tarkassa --tason taajuusmuuttajassa tarvitaan edelleen yliaaltojen säätöä. Tämä voidaan saavuttaa optimoimalla modulaatiostrategia. Esimerkiksi avaruus - vektoripulssi - leveysmodulaation (SVPWM) käyttäminen perinteisen SPWM:n sijaan voi vähentää lähtövirran harmonista sisältöä. Lisäksi joitain kehittyneitä ohjausalgoritmeja, kuten harmonisen syötön - eteenpäinohjausta ja usean - harmonisen kompensoinnin ohjausta, voidaan myös käyttää vähentämään edelleen lähtövirran harmonista sisältöä.5.
4. Kolmen --tason invertterin edut kahteen --tason invertteriin verrattuna
4.1 Jännitelähtöaaltomuoto
Kaksitasoisen invertteripiirin jänniteaaltomuoto:
Kolmitasoisen invertteripiirin jänniteaaltomuoto:
Kolmi{0}}tason invertterin perusperiaate on käyttää useita tasoja askelaallon syntetisoimiseksi sinimuotoisen lähtöjännitteen arvioimiseksi. Koska sillä on ylimääräinen lähtötaso verrattuna kaksi-tasoiseen invertteriin, sen tuottama PWM-aalto on lähempänä siniaaltomuotoa. Yllä olevat kaksi kuvaa vertailevat kahden-tason ja kolmen{5}}tason invertterin PWM-aaltomuotoja. Voidaan intuitiivisesti erottaa, että kolmi-tason invertterin PWM-aaltomuoto on lähempänä siniä ja siinä on vähemmän aaltoilua6.
4.2 Kytkentähäviö
Kolmitasoisessa invertteripiirissä DC-väylän jännite U jaetaan kahden IGBT:n kesken. Jokaisen siltavarren IGBT:n kantama jännite on puolet DC-puolen tulojännitteestä, U/2. Kaksitasoisessa invertteripiirissä vain yksi IGBT kantaa tasavirtaväylän jännitettä, ja kunkin siltavarren IGBT:n kantama jännite on suoraan DC-puolen tulojännite eli U. Siksi kolmi-tasoisessa invertteripiirissä IGBT kantaa puolet jännitteestä johtavuustason kaksi ja johtavuustason 1 alussa-. sammuta-. Tämä määrittää, että kolmen-tason IGBT:n kytkentähäviö on paljon pienempi kuin kahden-tason yksi.7.
4.3 Korkea taajuus
Sovelluksen jännitetaso vaikuttaa korkean -jännitteen IGBT:hen, mikä määrittää, että niiden kytkentätaajuus ja kytkentänopeus ovat paljon pienemmät kuin matalajännitteisten-IGBT:iden. Kolmi-tasoinen järjestelmä mahdollistaa kuitenkin matalajännitteisten IGBT:iden korkean Aktiivitehosuodattimiin verrattuna kytkentätaajuuden taso heijastaa suoraan kompensointinopeuden lisäksi myös saavutettavissa olevan kompensointitaajuusalueen leveyttä. Mitä korkeampi taajuuskaista, jolla kytkentätaajuus sijaitsee, Mitä leveämpi suodatustaajuuskaista, jonka suodatin voi valita toteutettavaksi, sitä kapeampi sen tulisi olla; päinvastoin, mitä kapeampi sen pitäisi olla8.
4.4 Kvantitatiivinen vertailu
SMA:n tuotelinjan kehitys on hyvä todiste.
- Kaksi-tason teknologiatuote: Sunny Tripower Series.
- Kolmi-tason teknologiatuote: Sunny Highpower -sarja.
Yllä olevien kahden kaavion tiedoista voidaan päätellä, että kahden-tason teknologian aurinkosähköinvertterituotteiden maksimihyötysuhde on 98,1 % ja hyötysuhde Euroopassa on 97,8 %. Kolmen-tason teknologian aurinkosähköinvertterituotteiden maksimihyötysuhde voi olla 99,1 %, kun taas Euroopassa se voi olla 98,8 %. Vertaamalla näitä kahta voidaan havaita, että kolmen-tason teknologiatuotteen tehokkuus on kasvanut 1 %9.
5. Tulevaisuuden kehitystrendit
5.1 Integrointi uusien puolijohdemateriaalien kanssa
Puolijohdeteknologian kehittyessä uusia puolijohdemateriaaleja, kuten piikarbidia (SiC) ja galliumnitridiä (GaN) aletaan soveltaa vähitellen inverttereihin. Näillä materiaaleilla on suurempi elektronien liikkuvuus, suurempi läpilyöntijännite ja pienempi --vastus kuin perinteisillä piimateriaaleilla. Kolmen --tason invertteriteknologian integrointi uusiin puolijohdemateriaaleihin voi edelleen parantaa invertterien suorituskykyä. Esimerkiksi SiC MOSFETien käyttäminen kolmessa --tason invertterissä voi vähentää laitteiden kytkentähäviöitä ja johtavuushäviöitä, parantaa invertterin tehokkuutta ja lisätä kytkentätaajuutta, mikä vähentää entisestään invertterin kokoa ja painoa ja parantaa sen tehotiheyttä.
5.2 Älykäs ja digitalisaatio
Tulevaisuudessa kolme --tason invertteriä ovat älykkäämpiä ja digitaalisempia. Mikroelektroniikan ja digitaalisen ohjaustekniikan kehittyessä invertterit voidaan varustaa kehittyneemmillä digitaalisilla ohjaimilla ja antureilla. Nämä digitaaliset ohjaimet voivat toteuttaa monimutkaisempia ohjausalgoritmeja, kuten adaptiivista ohjausta, ennakoivaa ohjausta ja vian - diagnosointia ja itse - korjausohjausta. Anturit voivat tarkkailla invertterin toimintatilaa reaaliajassa -, kuten lämpötilaa, jännitettä, virtaa ja laitteen kunnon tilaa. Älykkäiden algoritmien ja reaaliaikaisen - valvonnan avulla invertteri voi säätää toimintaparametrejaan todellisen tilanteen mukaan, parantaa järjestelmän tehokkuutta ja luotettavuutta sekä toteuttaa etävalvonnan ja älykkään hallinnan.
5.3 Korkeampi - jännite ja korkeampi - tehosovellukset
Kun aurinkosähkön tuotannon laajuus laajenee, myös korkeamman - jännitteen ja korkeamman - tehoinvertterien kysyntä kasvaa. Kolmen --tason invertteriteknologialla on potentiaalia vastata tähän tarpeeseen. Optimoimalla kolmen --tason invertterin topologia ja ohjausstrategia ja käyttämällä korkean - jännitteen - laitteita, kolmen --tason invertterin lähtöjännitettä ja tehoa voidaan edelleen lisätä. Tällä on suuri merkitys suurissa - mittakaavassa aurinkosähkövoimaloissa ja korkean - jännitteen - siirtojohdon - linjassa - kytketyissä aurinkosähkötuotantojärjestelmissä, jotka voivat vähentää tarvittavien invertterien määrää, yksinkertaistaa järjestelmän rakennetta ja alentaa järjestelmän kokonaiskustannuksia.10.
- Yu, Chengzhuo, 2023, 3-tasoisen PWM-invertterin ohjaus verkkoon{2}}kytketyissä aurinkosähköjärjestelmissä.
- Zhihu, Selitys kolmitason tekniikan-ylivoimasta.
- Ei--verkko, kolmi-tason piiriperiaate ja yhteinen piiritopologian analyysi.
- Elektroniikkaharrastaja, T-tyypin kolmi-tason aurinkosähköverkko-kytketyn invertterin suunnittelumalli.
- Tang, Yao, 2023, Lomitetun kolmi-tason T--tyyppisen invertterin suunnittelu ja ohjaus suuritehoisiin sovelluksiin.
- Elektroniikkaharrastaja, Vertailu kolmi{0}}- ja kaksi{1}}tason järjestelmien etuihin.
- CSDN, kahden{0}}tason ja kolmen-tason välinen ero.
- Baidu Wenku, kahden{0}}tason ja kolmen-tason vertailu.
- SMA, tuotetiedot SMA:n viralliselta verkkosivustolta.
- Qitian Power, kolmitason{0}}topologian rinnakkaisinvertteri.