Invertoriem ir izšķiroša nozīme fotoelektriskās enerģijas ražošanas sistēmās, pārvēršot fotoelektrisko paneļu radīto līdzstrāvu (DC) maiņstrāvā (AC), kas piemērota tīkla pieslēgšanai vai slodzes lietošanai. Invertora tehnoloģiju attīstība ir nepārtraukti attīstījusies, lai atbilstu augstākas efektivitātes, labākas jaudas kvalitātes un zemāku izmaksu prasībām. Trīs - līmeņa invertoru tehnoloģija ir viens no svarīgākajiem sasniegumiem šajā jomā.
Invertoru līmeņa jēdziens attiecas uz sprieguma līmeni, ko izmanto signāla pārraidei vai enerģijas pārveidošanai. Divu - līmeņu invertoram ir tikai divi sprieguma līmeņi, augsts un zems, kas ir vienkāršas konstrukcijas un piemērots zemu - izmaksu lietojumiem. Tomēr trīs - līmeņa invertori ievieš sprieguma viduspunktu -, nodrošinot trīs sprieguma līmeņus, kas ļauj precīzāk kontrolēt spriegumu, un tam ir vairākas būtiskas priekšrocības sistēmas līmenī.1.
1. Trīs-līmeņu tehnoloģijas nozīme
Astoņdesmitajos gados japāņu zinātnieks Nabae ierosināja trīs-līmeņu invertora ķēdi, kuras pamatā ir diodes iespīlēšana. Tā tipiskā topoloģiskā struktūra ir parādīta nākamajā attēlā. Katra visas invertora ķēdes tilta svira sastāv no 4 izolētiem bipolāriem tranzistoriem (IGBT) un 6 diodēm.
Lai gan trīs-līmeņu ķēde ir salīdzinoši sarežģītāka pēc topoloģijas, salīdzinot ar tradicionālo divu-līmeņu invertora ķēdi, kas var izvadīt tikai augstus un zemus līmeņus, šī jaunā invertora ķēde var izvadīt augstus un zemus līmeņus, ieslēdzot-augšējo un apakšējo cauruli, un izvadīt nulles līmeni, izmantojot starpposma diodes saspiešanas efektu, kopā trīs. Tāpēc to sauc par trīs-līmeņu invertora ķēdi.
Kā piemēru ņemiet potenciālās izmaiņas A fāzes invertora tilta sviras viduspunktā nākamajā attēlā, lai īsi aprakstītu trīs līmeņu īpašo nozīmi.
- Kad divi IGBT uz A-fāzes tilta sviras vada, potenciāls punktā A ir tāds pats kā pozitīvajai kopnei, kas ir U/2. Sprieguma platformas spriegums, ko nes katrs IGBT, ir U/2, kā parādīts 1. cilpā.
- Kad vada divas A-fāzes tilta sviras apakšējās tilta sviras IGBT, potenciāls punktā A ir tāds pats kā negatīvais kopnes potenciāls, kas ir -U/2, un sprieguma platformas spriegums, ko iztur katrs IGBT, ir U/2, kā parādīts 2. cilpā.
- Kad vada otrs IGBT uz A-fāzes tilta sviras un apvada iespīlēšanas diode, A-fāzes invertora tilts atrodas A brīvgaitas stāvoklī, un potenciāls punktā A ir tāds pats kā kopnes viduspunktā, kas ir 0, kā parādīts 3. cilpā.
No trim iepriekš aprakstītajām A fāzes vadošajām ķēdēm var uzzināt, ka potenciāls punktā A var būt trīs līmeņi: U/2, 0 un -U/2, tāpēc to sauc par trīs-līmeņu stāvokli.2.
2.Kopējās trīs - līmeņa topoloģijas
2.1NPC1 topoloģija
NPC1 (Neitral - Point - Clamped) topoloģija ir viena no klasiskākajām trīs - līmeņa topoloģijām. Tas optimizē zaudējumu sadalījumu un uzlabo EMI, optimizējot pašreizējo ceļu un nulles - līmeņa konversijas mehānismu.
Invertora apstākļos NPC1 zudumi galvenokārt koncentrējas T1/T4 caurulēs, ieskaitot vadītspējas zudumus un komutācijas zudumus. T2/T3 ir parasti atvērtā stāvoklī, un zaudējumi galvenokārt ir vadītspējas zudumi. D5/D6 vada komutācijas laikā, un tā zudumi ietver vadītspējas zudumus un reversās atkopšanas zudumus.
Rektifikācijas apstākļos zudumi galvenokārt koncentrējas D1/D4 un T2/T3 caurulēs. D1/D4 lampām ir vadītspējas zudumi un apgrieztās reģenerācijas zudumi, savukārt T2/T3 lampas rada vadīšanas zudumus un pārslēgšanas zudumus komutācijas laikā. Turpretim D2/D3 un D5/D6 lampām ir tikai vadītspējas zudumi.
2.2 NPC2 topoloģija
NPC2 topoloģija ir uzlabojums, kas balstīts uz NPC1 topoloģiju. NPC2 IGBT pāris ar kopīgiem emitētājiem vai kolektoriem un anti - paralēlām diodēm tiek izmantots, lai aizstātu NPC1 iespīlēšanas diodes, samazinot diožu skaitu par divām. NPC2 T1/T4 lampām ir pilns kopnes spriegums, un T2/T3 lampām ir puse no kopnes sprieguma.
Invertora stāvoklī pozitīvajā pus - ciklā T2 paliek normāli atvērts, un T1 un D3 komutējas; negatīvajā pus - ciklā T3 paliek normāli atvērts, un T4 un D2 komutējas.
Rektifikācijas stāvoklī komutācijas process arī ir līdzīgs NPC1 procesam, taču saspiešanas daļas atšķirīgās struktūras dēļ zaudējumu sadalījums atšķiras no NPC1. Parasti vidējā - un zemā - pārslēgšanās - frekvenču diapazonā kopējais NPC2 topoloģijas zudums ir mazāks nekā NPC1 topoloģijas zudums.
2.3 ANPC topoloģija
ANPC (Active Neutral - Point - Clamped) topoloģija tiek veidota, aizstājot iespīlēšanas diodes NPC1 ar IGBT un anti - paralēlām diodēm. Tas paplašina divus nulles - līmeņa komutācijas ceļus, un, izvēloties un kontrolējot nulles - līmeņa komutācijas ceļus, var panākt līdzsvarotāku zudumu sadalījumu un mazāku komutācijas cilpas izkliedes induktivitāti.3.
3. Trīs - līmeņa invertoru kontroles metodes
3.1 Sprieguma kontrole
3.1.1. DC - Sānu sprieguma vadība
Fotoelementu enerģijas ražošanas sistēmā ir nepieciešams uzturēt invertora līdzstrāvas - sānu sprieguma stabilitāti. Līdzstrāvas - sānu spriegumu galvenokārt nodrošina fotoelektriskie paneļi. Tādu faktoru kā gaismas intensitāte un temperatūra ietekmē fotoelektrisko paneļu izejas spriegums mainīsies. Tāpēc ir nepieciešama līdzstrāvas - sānu sprieguma kontroles stratēģija. Parasti izmantotās metodes ietver pastiprināšanas pārveidotāja vai buck - pastiprināšanas pārveidotāja izmantošanu invertora priekšā, lai noregulētu līdzstrāvas - sānu spriegumu līdz stabilai vērtībai. Piemēram, ja fotoelektrisko paneļu izejas spriegums ir zemāks par nepieciešamo vērtību, pastiprināšanas pārveidotājs var palielināt spriegumu; ja tas ir lielāks, pastiprināšanas pārveidotājs - var pielāgot spriegumu līdz atbilstošajam līmenim.
3.1.2. Vidēja - punkta potenciāla kontrole
Trīs - līmeņa invertoros vidējā - punkta potenciālās svārstības ir izplatīta problēma, īpaši NPC - tipa topoloģijās. Vidēja - punkta potenciāla svārstības ietekmēs izejas sprieguma viļņu formas kvalitāti un ierīces uzticamību. Ir daudzas metodes, kā kontrolēt vidējā - punkta potenciālu. Viena no metodēm ir modulācijas signālam pievienot kopīgu - režīma komponentu. Piemēram, sinusoidālās impulsa - platuma modulācijas (SPWM) metodē standarta - režīma spriegums tiek pievienots atsauces spriegumam, lai pielāgotu vidējā - punkta kondensatora uzlādes un izlādes laiku, lai saglabātu vidējā - punkta potenciāla stabilitāti. Vēl viena metode ir izmantot atgriezeniskās saites vadības sistēmu, lai noteiktu vidējā - punkta potenciālu un pielāgotu invertora pārslēgšanas stāvokļus atbilstoši novirzei, lai sasniegtu vidējā - punkta potenciāla līdzsvaru.4.
3.2 Pašreizējā vadība
3.2.1. Režģis - Savienotās strāvas vadība
Tīklam - pieslēgtiem fotogalvaniskajiem invertoriem ir jānodrošina, lai izejas strāva būtu tādā pašā frekvencē un fāzē kā tīkla spriegumam. Tas tiek panākts, izmantojot tīklam - savienotu pašreizējo vadības stratēģiju. Izplatīta metode ir izmantot fāzes - bloķēto cilpu (PLL), lai sinhronizētu izejas strāvu ar tīkla spriegumu. PLL var ātri un precīzi izsekot tīkla sprieguma frekvencei un fāzei. Pamatojoties uz PLL izvadi, tiek izveidots strāvas regulators, piemēram, proporcionālais - integrālais (PI) kontrolleris vai proporcionālais - rezonanses (PR) kontrolieris. Strāvas regulators pielāgo invertora izejas spriegumu atbilstoši novirzei starp atsauces strāvu un faktisko izejas strāvu, lai nodrošinātu, ka izejas strāva atbilst tīkla - savienojuma prasībām.
3.2.2.Izejas strāvas harmoniskā vadība
Papildus tam, lai nodrošinātu tādu pašu frekvenci un fāzi kā tīkla spriegumam, ir nepieciešams arī kontrolēt izejas strāvas harmonisko saturu. Kā minēts iepriekš, trim - līmeņa invertoriem ir mazāks izejas strāvas harmonikas saturs nekā diviem - līmeņa invertoriem, taču dažos augstas - precizitātes lietojuma scenārijos joprojām ir nepieciešama papildu harmoniku kontrole. To var panākt, optimizējot modulācijas stratēģiju. Piemēram, izmantojot kosmosa - vektora impulsa - platuma modulāciju (SVPWM) tradicionālā SPWM vietā, var samazināt izejas strāvas harmonisko saturu. Turklāt dažus uzlabotus vadības algoritmus, piemēram, harmonikas padeves - uz priekšu vadību un vairāku - harmonikas kompensācijas vadību, var izmantot arī, lai vēl vairāk samazinātu izejas strāvas harmonikas saturu.5.
4. Trīs - līmeņa invertoru priekšrocības salīdzinājumā ar diviem - līmeņa invertoriem
4.1 Sprieguma izejas viļņu forma
Sprieguma viļņu forma, ko izvada divu{0}}līmeņu invertora ķēde:
Sprieguma viļņu forma, ko izvada trīs{0}}līmeņu invertora ķēde:
Trīs{0}}līmeņu invertora pamatprincips ir izmantot vairākus līmeņus, lai sintezētu soli, lai tuvinātu sinusoidālu izejas spriegumu. Tā kā tam ir papildu izvades līmenis salīdzinājumā ar divu-līmeņu invertoru, tā izvadītais PWM vilnis ir tuvāks sinusoidālajai viļņu formai. Iepriekš minētie divi skaitļi ir divu-līmeņu un trīs{5}}līmeņu invertoru PWM viļņu formu salīdzinājums. Var intuitīvi atšķirt, ka trīs-līmeņu invertora PWM viļņu formas izeja ir tuvāk sinusam un tajā ir mazāks pulsācijas saturs.6.
4.2. Pārslēgšanas zudums
Trīs{0}}līmeņu invertora ķēdē līdzstrāvas kopnes spriegumu U dala divi IGBT. Spriegums, ko sedz katrs IGBT uz tilta sviras, ir puse no ieejas sprieguma līdzstrāvas pusē, U/2. Divu -līmeņu invertora ķēdē tikai viens IGBT nes līdzstrāvas kopnes spriegumu, un spriegums, ko sedz katrs IGBT uz tilta sviras, ir tieši ieejas spriegums līdzstrāvas pusē, tas ir, U. Tāpēc trīs-līmeņu invertora ķēdē IGBT ir puse no pirmā līmeņa sprieguma, bet 2. līmeņa sākumā{6}. izslēgt-. Tas nosaka, ka trīs-līmeņu IGBT pārslēgšanas zudums ir daudz mazāks nekā divu{10}}līmeņu IGBT.7.
4.3. Augsta frekvence
Augsta-sprieguma IGBT ietekmē lietojuma sprieguma līmenis, kas nosaka, ka to pārslēgšanas frekvence un pārslēgšanas ātrums ir daudz mazāki nekā zemsprieguma{1}}IGBT. Tomēr trīs-līmeņu sistēma nodrošina zemsprieguma IGBT-augstfrekvences lietošanu. Salīdzinot ar aktīvās jaudas filtriem, pārslēgšanas frekvences līmenis tieši atspoguļo ne tikai kompensācijas ātrumu, bet arī sasniedzamā kompensācijas frekvenču diapazona platumu. Jo augstāka ir frekvenču josla, kurā atrodas pārslēgšanās frekvence. Jo plašāka ir filtrēšanas frekvenču josla, ko filtrs var izvēlēties ieviešanai, jo šaurākai tai jābūt; otrādi, jo šaurākai tai jābūt8.
4.4. Kvantitatīvs salīdzinājums
SMA produktu līnijas attīstība ir labs pierādījums.
- Divu-līmeņu tehnoloģiju produkts: Sunny Tripower sērija.
- Trīs{0}}līmeņu tehnoloģiju produkts: Sunny Highpower Series.
No datiem augstākajos divos grafikos var iegūt, ka divu -līmeņu tehnoloģiju fotoelektrisko invertoru produktu maksimālā efektivitāte ir 98,1%, bet efektivitāte Eiropā ir 97,8%. Trīs-līmeņu tehnoloģiju fotoelektrisko invertoru produktu maksimālā efektivitāte var sasniegt 99,1%, savukārt Eiropā tā var sasniegt 98,8%. Salīdzinot abus, var secināt, ka trīs-līmeņa tehnoloģiju produktu efektivitāte ir palielinājusies par 1%9.
5. Nākotnes attīstības tendences
5.1. Integrācija ar jauniem pusvadītāju materiāliem
Attīstoties pusvadītāju tehnoloģijai, invertoros pakāpeniski tiek izmantoti jauni pusvadītāju materiāli, piemēram, silīcija karbīds (SiC) un gallija nitrīds (GaN). Šiem materiāliem ir lielāka elektronu mobilitāte, lielāks pārrāvuma spriegums un mazāka - pretestība nekā tradicionālajiem silīcija materiāliem. Trīs - līmeņa invertoru tehnoloģijas integrēšana ar jauniem pusvadītāju materiāliem var vēl vairāk uzlabot invertoru veiktspēju. Piemēram, izmantojot SiC MOSFET trīs - līmeņa invertoros, var samazināt ierīču pārslēgšanas un vadītspējas zudumus, uzlabot invertora efektivitāti un palielināt pārslēgšanas frekvenci, kas ļauj vēl vairāk samazināt invertora izmēru un svaru un uzlabot tā jaudas blīvumu.
5.2. Intelektualizācija un digitalizācija
Nākotnē trīs - līmeņa invertori būs viedāki un digitalizētāki. Attīstoties mikroelektronikas tehnoloģijai un digitālās vadības tehnoloģijai, invertorus var aprīkot ar modernākiem digitālajiem kontrolieriem un sensoriem. Šie digitālie kontrolleri var ieviest sarežģītākus vadības algoritmus, piemēram, adaptīvo vadību, paredzamo vadību un kļūmju - diagnostiku un pašlabošanas - kontroli. Sensori var pārraudzīt invertora darbības stāvokli reāllaikā -, piemēram, temperatūru, spriegumu, strāvu un ierīces veselības stāvokli. Izmantojot viedos algoritmus un reālā laika - uzraudzību, invertors var pielāgot savus darbības parametrus atbilstoši faktiskajai situācijai, uzlabot sistēmas efektivitāti un uzticamību, kā arī realizēt attālo uzraudzību un viedo pārvaldību.
5.3. augstāks - spriegums un lielākas - jaudas lietojumprogrammas
Tā kā fotoelementu enerģijas ražošanas apjoms turpina paplašināties, pieaug arī pieprasījums pēc augstāka - sprieguma un augstāka - jaudas invertoriem. Trīs - līmeņa invertora tehnoloģija spēj apmierināt šo pieprasījumu. Optimizējot trīs - līmeņa invertoru topoloģiju un vadības stratēģiju un izmantojot augsta - sprieguma - nominālās ierīces, trīs - līmeņa invertoru izejas spriegumu un jaudu var vēl vairāk palielināt. Tas ir ļoti svarīgi lielām - mēroga fotoelektriskajām elektrostacijām un augsta - sprieguma - pārvades - līnijai - pieslēgtām fotoelementu ģenerēšanas sistēmām, kas var samazināt nepieciešamo invertoru skaitu, vienkāršot sistēmas struktūru un samazināt sistēmas kopējās izmaksas.10.
- Yu, Chengzhuo, 2023, 3 līmeņu PWM invertora vadība tīklam pieslēgtām fotoelementu ģenerēšanas sistēmām.
- Zhihu, Paskaidrojums par trīs{0}līmeņu tehnoloģijas pārākumu.
- Ne{0}}tīkls, trīs-līmeņu shēmas princips un kopējās ķēdes topoloģijas analīze.
- Elektronikas entuziasts, T-tipa trīs-līmeņu fotoelektriskā tīkla-pievienota invertora dizaina shēma.
- Tang, Yao, 2023, trīs-līmeņu T- tipa invertora dizains un vadība lielas jaudas lietojumam.
- Elektronikas entuziasts. Trīs{0}}līmeņu un divu{1}}līmeņu sistēmu priekšrocību salīdzinājums.
- CSDN, atšķirība starp diviem{0}}līmeņiem un trīs{1}}līmeņiem.
- Baidu Wenku, divu{0}}līmeņu un trīs-līmeņu salīdzinājums.
- SMA, produkta dati no SMA oficiālās vietnes.
- Qitian Power, trīs{0}}līmeņu topoloģijas paralēlais invertors.
