Tro{0}}tehnologija fotonaponskih pretvarača

Inverteri igraju ključnu ulogu u fotonaponskim sustavima za proizvodnju električne energije, pretvarajući istosmjernu struju (DC) koju generiraju fotonaponski paneli u izmjeničnu struju (AC) prikladnu za povezivanje na mrežu ili korištenje opterećenja. Razvoj inverterske tehnologije neprestano se razvija kako bi se zadovoljili zahtjevi veće učinkovitosti, bolje kvalitete električne energije i nižih troškova. Inverterska tehnologija s tri - razine jedan je od važnih napredaka u ovom području.

Koncept razine u pretvaračima odnosi se na razinu napona koja se koristi za prijenos signala ili pretvorbu energije. Pretvarač s dvije - razine ima samo dvije razine napona, visoku i nisku, što je jednostavnog dizajna i prikladno za niske - troškovne primjene. Međutim, pretvarači s tri razine - uvode srednju točku napona -, osiguravajući tri razine napona, što omogućuje finiju kontrolu napona i ima nekoliko značajnih prednosti na razini sustava¹.

1. Značenje tehnologije tri-razine

U 1980-ima, japanski učenjak Nabae predložio je tri-izmjenjivački krug temeljen na stezanju diode. Njegova tipična topološka struktura prikazana je na sljedećoj slici. Svaki krak mosta cijelog kruga pretvarača sastoji se od 4 bipolarna tranzistora s izoliranim vratima (IGBT) i 6 dioda.

Iako je tro{0}}razinski krug relativno složeniji u topologiji, u usporedbi s tradicionalnim dvo-razinskim inverterskim krugom koji može emitirati samo visoke i niske razine, ovaj novi inverterski krug može emitirati visoke i niske razine kroz uključivanje-gornje i donje cijevi, te izlaz nulte razine kroz učinak stezanja srednje diode, ukupno tri stanja razine. Stoga se naziva tro-inverterski krug.

Uzmite promjenu potencijala na sredini kraka premosnog pretvarača faze A na sljedećoj slici kao primjer da biste ukratko opisali specifično značenje tri razine.

• Kada dva IGBT-a na kraku mosta A-faze provode, potencijal u točki A je isti kao onaj pozitivne sabirnice, što je U/2. Napon platforme naprezanja koji nosi svaki IGBT je U/2, kao što je prikazano u petlji 1.

• Kada dva IGBT-a donjeg kraka mosta kraka mosta A-faze provode, potencijal u točki A je isti kao negativni potencijal sabirnice, što je -U/2, a napon platforme opterećenja koji podnosi svaki IGBT je U/2, kao što je prikazano u petlji 2.

• Kada drugi IGBT na kraku A-faznog mosta i stezna dioda premosnice provode, A-fazni inverterski most je u slobodnom stanju A, a potencijal u točki A je isti kao onaj u sredini sabirnice, što je 0, kao što je prikazano u petlji 3.

Iz gore opisana tri provodna kruga faze A, može se znati da potencijal u točki A može predstavljati tri razine: U/2, 0 i -U/2, stoga se naziva stanje tri-razine².

2. Uobičajene topologije tri - razine

2.1NPC1 Topologija

Topologija NPC1 (Neutralna - točka - stegnuta) jedna je od najklasičnijih topologija s tri - razine. Optimizira distribuciju gubitaka i poboljšava EMI optimiziranjem putanje struje i mehanizma konverzije nulte - razine.

U uvjetima pretvarača, gubici NPC1 uglavnom su koncentrirani u cijevima T1/T4, uključujući gubitke provodljivosti i gubitke pri prebacivanju. T2/T3 je u normalno otvorenom stanju, a gubitak je uglavnom gubitak provođenja. D5/D6 provodi tijekom komutacije, a njegovi gubici uključuju gubitke vodljivosti i povratne gubitke povrata.

U uvjetima ispravljanja, gubici su uglavnom koncentrirani u D1/D4 cijevima i T2/T3 cijevima. Cijevi D1/D4 imaju gubitke vodljivosti i povratne gubitke povrata, dok cijevi T2/T3 generiraju gubitke vodljivosti i gubitke pri prebacivanju tijekom komutacije. Nasuprot tome, D2/D3 i D5/D6 cijevi imaju samo gubitke vodljivosti.

2.2 Topologija NPC2

Topologija NPC2 je poboljšanje temeljeno na topologiji NPC1. U NPC2, par IGBT-ova sa zajedničkim emiterima ili kolektorima i anti - paralelnim diodama koristi se za zamjenu steznih dioda u NPC1, smanjujući broj dioda za dvije. U NPC2, cijevi T1/T4 nose puni napon sabirnice, a cijevi T2/T3 nose polovicu napona sabirnice.

U stanju pretvarača, u pozitivnoj polovici - ciklusa, T2 ostaje normalno otvoren, a T1 i D3 komutiraju; u negativnoj polovici - ciklusa, T3 ostaje normalno otvoren, a T4 i D2 komutiraju.

U uvjetima ispravljanja, proces komutacije također je sličan onom kod NPC1, ali zbog različite strukture steznog dijela, distribucija gubitaka je drugačija od one kod NPC1. Općenito, u srednjem - i niskom - komutacijskom - rasponu frekvencija, ukupni gubitak topologije NPC2 manji je od onog kod topologije NPC1.

2.3 ANPC topologija

Topologija ANPC (aktivna neutralna - točka - stegnuta) formirana je zamjenom steznih dioda u NPC1 s IGBT-ovima i anti - paralelnim diodama. Proširuje dvije komutacijske staze nulte - razine, a odabirom i kontrolom komutacijskih staza nulte - razine može se postići uravnoteženija distribucija gubitaka i manji lutajući induktivitet komutacijske petlje³.

3. Metode upravljanja s tri - pretvarača razine

3.1 Kontrola napona

3.1.1DC - bočna kontrola napona

U fotonaponskom sustavu za proizvodnju električne energije potrebno je održavati stabilnost istosmjernog napona - strane pretvarača. DC - strani napon uglavnom osiguravaju fotonaponske ploče. Zbog utjecaja čimbenika kao što su intenzitet svjetlosti i temperatura, izlazni napon fotonaponskih panela će varirati. Stoga je potrebna strategija kontrole napona na strani DC -. Uobičajeno korištene metode uključuju korištenje pojačivača ili dolarskog - pojačivača ispred pretvarača za podešavanje DC - bočnog napona na stabilnu vrijednost. Na primjer, kada je izlazni napon fotonaponskih panela niži od potrebne vrijednosti, pretvarač pojačanja može povećati napon; kada je viši, buck - pretvarač može prilagoditi napon na odgovarajuću razinu.

3.1.2 Kontrola potencijala srednje - točke

U pretvaračima s tri - razine, potencijalna fluktuacija srednje - točke čest je problem, posebno u topologijama tipa NPC -. Potencijalna fluktuacija srednje - točke utjecat će na kvalitetu valnog oblika izlaznog napona i pouzdanost uređaja. Postoje mnoge metode za kontrolu potencijala srednje - točke. Jedna metoda je dodavanje zajedničke komponente načina - modulacijskom signalu. Na primjer, u metodi širinske modulacije sinusoidnog pulsa - (SPWM), određeni uobičajeni napon - načina rada dodaje se referentnom naponu kako bi se prilagodilo vrijeme punjenja i pražnjenja kondenzatora srednje - točke, kako bi se održala stabilnost potencijala srednje - točke. Druga metoda je korištenje sustava kontrole povratne sprege za otkrivanje potencijala srednje - točke i prilagođavanje sklopnih stanja pretvarača prema odstupanju kako bi se postigla ravnoteža potencijala srednje - točke⁴.

3.2 Kontrola struje

3.2.1 Mreža - Kontrola spojene struje

Za fotonaponske pretvarače spojene na mrežu - potrebno je osigurati da izlazna struja bude iste frekvencije i faze kao mrežni napon. To se postiže strategijom upravljanja povezanom strujom mreže -. Uobičajena metoda je korištenje fazne - zaključane petlje (PLL) za sinkronizaciju izlazne struje s naponom mreže. PLL može brzo i točno pratiti frekvenciju i fazu napona mreže. Na temelju izlaza PLL-a, strujni regulator je dizajniran, kao što je proporcionalni - integralni (PI) regulator ili proporcionalni - rezonantni (PR) regulator. Regulator struje prilagođava izlazni napon pretvarača u skladu s odstupanjem između referentne struje i stvarne izlazne struje kako bi se osiguralo da izlazna struja zadovoljava zahtjeve mrežnog povezivanja -.

3.2.2 Harmonijska kontrola izlazne struje

Osim osiguranja iste frekvencije i faze kao napon mreže, također je potrebno kontrolirati harmonički sadržaj izlazne struje. Kao što je gore spomenuto, tri pretvarača razine - imaju niži harmonijski sadržaj izlazne struje od dva pretvarača razine -, ali u nekim scenarijima primjene s visokom preciznošću - i dalje je potrebna dodatna kontrola harmonika. To se može postići optimizacijom strategije modulacije. Na primjer, korištenje prostorne - vektorske impulsne - širinske modulacije (SVPWM) umjesto tradicionalne SPWM može smanjiti harmonijski sadržaj izlazne struje. Osim toga, neki napredni kontrolni algoritmi, kao što je harmonijska kontrola - naprijed i multi - harmonijska kompenzacijska kontrola, također se mogu koristiti za daljnje smanjenje sadržaja harmonika u izlaznoj struji⁵.

4. Prednosti tri - pretvarača razine u usporedbi s dva - pretvarača razine

4.1 Valni oblik izlaznog napona

Valni oblik napona izlaz dvo{0}}razinskog inverterskog kruga:

Valni oblik napona izlaz tro{0}}inverterskog kruga:

Osnovno načelo pretvarača s tri-razine je korištenje višestrukih razina za sintetiziranje koračnog vala za aproksimaciju sinusoidnog izlaznog napona. Zbog dodatne izlazne razine u usporedbi s dvo-razinskim inverterom, PWM val koji emitira bliži je sinusoidalnom valnom obliku. Gornje dvije slike usporedba su PWM valnih oblika koje izlaze dvo-razinski i tro-razinski pretvarači. Može se intuitivno razlikovati da je izlaz PWM valnog oblika pretvarača s tri-razine bliži sinusnom i ima manje valovitosti⁶.

4.2 Preklopni gubitak

U tro{0}}razinskom inverterskom krugu, napon istosmjerne sabirnice U dijele dva IGBT-a. Napon koji nosi svaki IGBT na kraku mosta je polovica ulaznog napona na istosmjernoj strani, U/2. U dvo-razinskom inverterskom krugu, samo jedan IGBT nosi napon istosmjerne sabirnice, a napon koji nosi svaki IGBT na kraku mosta je izravno ulazni napon na istosmjernoj strani, to jest, U. Stoga, u tro-razinskom inverterskom krugu, IGBT nosi polovicu napona dvije-razine jedan na početku provođenja i na kraju isključenja-. Ovo određuje da je gubitak preklapanja IGBT-a s tri-razine puno manji od gubitka s dvije-razine jedan⁷.

4.3 Visoka frekvencija

Visok{0}}naponski IGBT-ovi su pod utjecajem razine napona primjene, što određuje da su njihova frekvencija prebacivanja i brzina prebacivanja mnogo manje nego kod nisko{1}}naponskih IGBT-ova. Međutim, tro-sustav omogućuje visoko{4}}frekventnu primjenu nisko-naponskih IGBT-ova. U usporedbi s filtrima aktivne snage, razina sklopne frekvencije izravno odražava ne samo brzinu kompenzacije, već i širinu dosegljivog raspona frekvencije kompenzacije. Što je viši frekvencijski pojas na kojem se nalazi sklopna frekvencija, što je širi frekvencijski pojas filtriranja koji filtar može odabrati za implementaciju, to bi trebao biti uži; obrnuto, treba biti uži⁸.

4.4 Kvantitativna usporedba

Evolucija SMA-ove linije proizvoda dobar je dokaz.

• Dvo{0}}tehnološki proizvod: serija Sunny Tripower.

• Tro{0}}tehnološki proizvod: Sunny Highpower serija.

Iz podataka u gornja dva grafikona može se dobiti da je maksimalna učinkovitost dvo-tehnoloških fotonaponskih inverterskih proizvoda 98,1%, a učinkovitost u Europi 97,8%. Maksimalna učinkovitost tro-tehnoloških fotonaponskih inverterskih proizvoda može doseći 99,1%, dok u Europi može biti 98,8%. Usporedbom ta dva, može se otkriti da je učinkovitost proizvoda tehnologije tri-razine porasla za 1%⁹.

5. Budući trendovi razvoja

5.1 Integracija s novim poluvodičkim materijalima

S razvojem tehnologije poluvodiča, novi poluvodički materijali kao što su silicijev karbid (SiC) i galijev nitrid (GaN) postupno se primjenjuju na pretvarače. Ovi materijali imaju veću pokretljivost elektrona, viši probojni napon i manju otpornost na - od tradicionalnih silicijskih materijala. Integracija tri - inverterske tehnologije s novim poluvodičkim materijalima može dodatno poboljšati performanse invertera. Na primjer, korištenje SiC MOSFET-a u inverterima s tri - razine može smanjiti gubitak sklopke i gubitak kondukcije uređaja, poboljšati učinkovitost pretvarača i povećati frekvenciju prebacivanja, što je pogodno za daljnje smanjenje veličine i težine pretvarača i poboljšanje njegove gustoće snage.

5.2 Inteligentizacija i digitalizacija

U budućnosti će pretvarači tri razine - biti inteligentniji i digitaliziraniji. S razvojem tehnologije mikroelektronike i tehnologije digitalnog upravljanja, pretvarači se mogu opremiti naprednijim digitalnim regulatorima i senzorima. Ovi digitalni upravljači mogu implementirati složenije upravljačke algoritme, kao što su adaptivna kontrola, prediktivna kontrola i kontrola - dijagnoze kvara i kontrola samopopravljanja -. Senzori mogu pratiti radni status pretvarača u stvarnom - vremenu, kao što su temperatura, napon, struja i status ispravnosti uređaja. Kroz inteligentne algoritme i nadzor u stvarnom - vremenu, pretvarač može prilagoditi svoje radne parametre prema stvarnoj situaciji, poboljšati učinkovitost i pouzdanost sustava te ostvariti daljinski nadzor i inteligentno upravljanje.

5.3 Primjene s višim - naponom i višim - napajanjem

Kako se opseg fotonaponske proizvodnje električne energije nastavlja širiti, potražnja za višim - naponom i višim - izmjenjivačima snage također raste. Inverterska tehnologija s tri - razine ima potencijal zadovoljiti ovu potražnju. Optimiziranjem topologije i strategije upravljanja pretvarača s tri razine - i upotrebom uređaja s visokim - naponom -, izlazni napon i snaga pretvarača s tri razine - mogu se dodatno povećati. Ovo je od velike važnosti za velike - fotonaponske elektrane i visoke - naponske - prijenosne - linije - povezane fotonaponske proizvodne sustave, koji mogu smanjiti broj potrebnih pretvarača, pojednostaviti strukturu sustava i smanjiti ukupne troškove sustava¹⁰.

1. Yu, Chengzhuo, 2023., Upravljanje 3-razinskim PWM pretvaračem za-mrežno povezane fotonaponske proizvodne sustave.
2. Zhihu, Objašnjenje superiornosti tehnologije tri-razine.
3. Ne-mreža, tro-načelo sklopa i analiza topologije zajedničkog kruga.
4. Elektronički entuzijast, T-tip tro-fotonaponske mreže-povezane inverterske sheme dizajna.
5. Tang, Yao, 2023., Dizajn i upravljanje isprepletenim tro-razinskim pretvaračem T-tipa za primjenu velike snage.
6. Elektronički entuzijast, usporedba prednosti tro-razinskih i dvo-razinskih sustava.
7. CSDN, razlika između dvije-razine i tri-razine.
8. Baidu Wenku, Usporedba između dvije-razine i tri-razine.
9. SMA, Podaci o proizvodu sa službene web stranice SMA.
10. Qitian Power, tro{0}}paralelni pretvarač topologije.