Trijų{0}}pakopų fotovoltinių keitiklių technologija

Inverteriai atlieka lemiamą vaidmenį fotovoltinės energijos gamybos sistemose, paverčiant nuolatinę srovę (DC), kurią sukuria fotovoltinės plokštės, į kintamąją srovę (AC), tinkančią prijungti prie tinklo arba naudoti apkrovą. Inverterių technologijos plėtra buvo nuolat tobulinama, kad atitiktų didesnio efektyvumo, geresnės energijos kokybės ir mažesnės sąnaudos reikalavimus. Trijų - lygių keitiklių technologija yra viena iš svarbių pažangų šioje srityje.

Inverterių lygio sąvoka reiškia įtampos lygį, naudojamą signalo perdavimui arba energijos konvertavimui. Dviejų - lygių keitiklis turi tik du įtampos lygius – aukštą ir žemą, o tai yra paprastos konstrukcijos ir tinka mažoms - sąnaudoms. Tačiau trys - lygio keitikliai įveda įtampos vidurinį - tašką, suteikdami tris įtampos lygius, o tai leidžia tiksliau valdyti įtampą ir turi keletą reikšmingų pranašumų sistemos lygiu.¹.

1. Trijų-pakopų technologijos prasmė

Devintajame dešimtmetyje japonų mokslininkas Nabae pasiūlė trijų-pakopų keitiklio grandinę, pagrįstą diodų suspaudimu. Jo tipinė topologinė struktūra parodyta toliau pateiktame paveikslėlyje. Kiekviena visos keitiklio grandinės tiltinė svirtis susideda iš 4 izoliuotų vartų dvipolių tranzistorių (IGBT) ir 6 diodų.

Nors trijų{0}}pakopų grandinė yra santykinai sudėtingesnė, palyginti su tradicine dviejų-pakopų keitiklio grandine, kuri gali išvesti tik aukštus ir žemus lygius, ši naujoji keitiklio grandinė gali išvesti aukštus ir žemus lygius įjungus viršutinį ir apatinį vamzdelius, o išvesti nulinį lygį per tarpinio diodo suspaudimo efektą. Todėl ji vadinama trijų-pakopų keitiklio grandine.

Norėdami trumpai apibūdinti konkrečią trijų lygių reikšmę, paimkite potencialų pokytį A fazės keitiklio tiltelio svirties vidurio taške toliau pateiktame paveikslėlyje.

• Kai laidūs du IGBT, esantys A-fazės tilto svirties, potencialas taške A yra toks pat kaip ir teigiamos magistralės, kuri yra U/2. Įtempių platformos įtampa, kurią turi kiekvienas IGBT, yra U/2, kaip parodyta 1 kilpoje.

• Kai yra laidūs du A-fazės tilto peties apatinės tiltelio svirties IGBT, potencialas taške A yra toks pat kaip neigiamas magistralės potencialas, kuris yra -U/2, o kiekvieno IGBT patiriama įtempių platformos įtampa yra U/2, kaip parodyta 2 kilpoje.

• Kai antroji IGBT ant A-fazės tilto svirties ir aplinkkelio suspaudimo diodas yra laidūs, A-fazės keitiklio tiltelis yra A laisvos eigos būsenoje, o potencialas taške A yra toks pat kaip ir magistralės vidurio taške, kuris yra 0, kaip parodyta 3 kilpoje.

Iš trijų aukščiau aprašytų A fazės laidžių grandinių galima suprasti, kad potencialas taške A gali būti trijų lygių: U/2, 0 ir -U/2, todėl jis vadinamas trijų- lygių būsena.².

2. Bendrosios trijų - lygių topologijos

2.1NPC1 topologija

NPC1 (neutralus - taškas - suspaustas) topologija yra viena iš klasikiniausių trijų - lygio topologijų. Jis optimizuoja nuostolių paskirstymą ir pagerina EMI optimizuodamas dabartinį kelią ir nulinio - lygio konversijos mechanizmą.

Inverterio sąlygomis NPC1 nuostoliai daugiausia sutelkti T1 / T4 vamzdeliuose, įskaitant laidumo ir perjungimo nuostolius. T2 / T3 yra normaliai atviros būsenos, o nuostoliai daugiausia yra laidumo praradimas. D5/D6 laidus komutacijos metu, o jo nuostoliai apima laidumo nuostolius ir atvirkštinio atkūrimo nuostolius.

Rektifikavimo sąlygomis nuostoliai daugiausia koncentruojami D1/D4 ir T2/T3 vamzdeliuose. D1/D4 vamzdeliai turi laidumo nuostolius ir atvirkštinio atkūrimo nuostolius, o T2/T3 vamzdžiai generuoja laidumo ir perjungimo nuostolius komutacijos metu. Priešingai, D2/D3 ir D5/D6 vamzdžiai turi tik laidumo nuostolius.

2.2 NPC2 topologija

NPC2 topologija yra patobulinimas, pagrįstas NPC1 topologija. NPC2 naudojama pora IGBT su bendrais emiteriais arba kolektoriais ir anti - lygiagrečiais diodais, kad pakeistų NPC1 suspaudimo diodus, sumažinant diodų skaičių dviem. NPC2 T1/T4 vamzdžiai turi visą magistralės įtampą, o T2/T3 vamzdžiai – pusę magistralės įtampos.

Inverterio būsenoje teigiamos pusės - ciklo metu T2 lieka normaliai atviras, o T1 ir D3 komutuoja; neigiamos pusės - ciklo metu T3 lieka normaliai atviras, o T4 ir D2 komutuoja.

Ištaisymo sąlygomis komutavimo procesas taip pat yra panašus į NPC1, tačiau dėl skirtingos suspaudimo dalies struktūros nuostolių pasiskirstymas skiriasi nuo NPC1. Paprastai vidutiniame - ir žemame - perjungimo - dažnių diapazone bendras NPC2 topologijos praradimas yra mažesnis nei NPC1 topologijos.

2.3 ANPC topologija

ANPC (Active Neutral - Point - Clamped) topologija suformuota pakeičiant NPC1 suspaudimo diodus IGBT ir anti - lygiagrečiais diodais. Jis išplečia du nulinio - lygio komutavimo kelius, o pasirinkus ir valdant nulinio - lygio komutavimo kelius, galima pasiekti labiau subalansuotą nuostolių pasiskirstymą ir mažesnę komutavimo kilpos kintamąją induktyvumą.³.

3. Trijų - lygio keitiklių valdymo metodai

3.1 Įtampos valdymas

3.1.1DC - Šoninės įtampos valdymas

Fotovoltinės energijos gamybos sistemoje būtina palaikyti keitiklio nuolatinės srovės - šoninės įtampos stabilumą. DC - šoninę įtampą daugiausia teikia fotovoltinės plokštės. Dėl tokių veiksnių, kaip šviesos intensyvumas ir temperatūra, fotovoltinių plokščių išėjimo įtampa svyruos. Todėl reikalinga nuolatinės srovės - pusės įtampos valdymo strategija. Dažniausiai naudojami metodai apima padidinimo keitiklio arba buck - padidinimo keitiklio naudojimą prieš keitiklį, kad sureguliuotų nuolatinės srovės - šoninę įtampą iki stabilios vertės. Pavyzdžiui, kai fotovoltinių plokščių išėjimo įtampa yra mažesnė už reikalaujamą vertę, stiprinimo keitiklis gali padidinti įtampą; kai ji didesnė, buck - padidinimo keitiklis gali reguliuoti įtampą iki atitinkamo lygio.

3.1.2 Vidutinis - taško potencialo valdymas

Trijuose - lygio keitikliuose vidutinis - taško potencialų svyravimas yra dažna problema, ypač NPC - tipo topologijose. Vidutinis - taško potencialo svyravimas turės įtakos išėjimo įtampos bangos formos kokybei ir įrenginio patikimumui. Yra daug būdų, kaip valdyti vidutinį - taško potencialą. Vienas iš būdų yra pridėti bendrą - režimo komponentą prie moduliacijos signalo. Pavyzdžiui, taikant sinusoidinio impulso - pločio moduliavimo (SPWM) metodą, tam tikra įprasta - režimo įtampa pridedama prie atskaitos įtampos, kad būtų galima reguliuoti vidutinio - taško kondensatoriaus įkrovimo ir iškrovimo laiką, kad būtų išlaikytas vidutinio - taško potencialo stabilumas. Kitas būdas yra naudoti grįžtamojo ryšio valdymo sistemą, kad būtų galima aptikti vidutinio - taško potencialą ir koreguoti keitiklio perjungimo būsenas pagal nuokrypį, kad būtų pasiektas vidurinis - taško potencialo balansas.⁴.

3.2 Srovės valdymas

3.2.1 Tinklelis - Prijungtas srovės valdymas

Prijungus prie tinklo - fotovoltinius keitiklius, būtina užtikrinti, kad išėjimo srovės dažnis ir fazė būtų tokio pat kaip tinklo įtampa. Tai pasiekiama naudojant tinklelį - prijungtą dabartinę valdymo strategiją. Įprastas būdas yra naudoti fazės - užrakinimo kilpą (PLL), kad sinchronizuotų išėjimo srovę su tinklo įtampa. PLL gali greitai ir tiksliai sekti tinklo įtampos dažnį ir fazę. Remiantis PLL išvestimi, suprojektuotas srovės valdiklis, pvz., proporcinis - integralinis (PI) valdiklis arba proporcingas - rezonansinis (PR) valdiklis. Srovės valdiklis reguliuoja keitiklio išėjimo įtampą pagal nuokrypį tarp etaloninės srovės ir faktinės išėjimo srovės, kad užtikrintų, jog išėjimo srovė atitinka tinklo - prijungimo reikalavimus.

3.2.2 Harmoninis išėjimo srovės valdymas

Be to, kad būtų užtikrintas toks pat dažnis ir fazė kaip tinklo įtampa, taip pat būtina kontroliuoti išėjimo srovės harmoninį turinį. Kaip minėta pirmiau, trijų - lygio keitiklių išėjimo srovės harmonikų kiekis yra mažesnis nei dviejų - lygio keitiklių, tačiau kai kuriuose didelio - tikslumo taikymo scenarijuose vis tiek reikalingas tolesnis harmonikų valdymas. Tai galima pasiekti optimizuojant moduliavimo strategiją. Pavyzdžiui, naudojant erdvės - vektorinio impulso - pločio moduliaciją (SVPWM), o ne tradicinį SPWM, galima sumažinti išėjimo srovės harmoninį turinį. Be to, kai kurie pažangūs valdymo algoritmai, pvz., harmonikų tiekimo - į priekį valdymas ir daugialypės - harmonikos kompensavimo valdymas, taip pat gali būti naudojami siekiant dar labiau sumažinti išėjimo srovės harmoninį turinį.⁵.

4. Trijų - lygio keitiklių pranašumai, palyginti su dviem - lygio keitikliais

4.1 Įtampos išėjimo bangos forma

Dviejų{0}}pakopų keitiklio grandinės išvesties įtampos bangos formos:

Trijų{0}}pakopų keitiklio grandinės įtampos signalo forma:

Pagrindinis trijų -pakopų keitiklio principas yra naudoti kelis lygius žingsninei bangai sintezuoti, kad būtų apytikslė sinusoidinė išėjimo įtampa. Dėl papildomo išvesties lygio, palyginti su dviejų-pakopų keitikliu, jo išvedama PWM banga yra artimesnė sinusoidinei bangos formai. Aukščiau pateikti du paveikslai yra PWM bangų formų, išvestų dviejų-lygių ir trijų{5}}lygių keitiklių, palyginimas. Galima intuityviai atskirti, kad trijų -pakopų keitiklio PWM bangos formos išvestis yra arčiau sinuso ir turi mažiau bangos turinio⁶.

4.2 Perjungimo praradimas

Trijų{0}}pakopų keitiklio grandinėje nuolatinės srovės magistralės įtampa U dalijasi dviem IGBT. Įtampa, kurią turi kiekvienas IGBT ant tilto peties, yra pusė įėjimo įtampos nuolatinės srovės pusėje, U/2. Dviejų -pakopų keitiklio grandinėje tik vienas IGBT turi nuolatinės srovės magistralės įtampą, o įtampa, kurią turi kiekvienas IGBT ant tilto svirties, yra tiesioginė įėjimo įtampa nuolatinės srovės pusėje, ty U. Todėl trijų{5}}pakopų keitiklio grandinėje IGBT yra pusė antrojo laidumo lygio{{6} pradžioje. išjungti-. Tai lemia, kad trijų-lygmenų IGBT perjungimo nuostoliai yra daug mažesni nei dviejų{10}}pirmojo lygio⁷.

4.3 Aukštas dažnis

Aukštos{0}}įtampos IGBT veikia taikomosios įtampos lygis, kuris lemia, kad jų perjungimo dažnis ir perjungimo greitis yra daug mažesni nei žemos-įtampos IGBT. Tačiau trijų-pakopų sistema leidžia naudoti aukšto-dažnio žemos-įtampos IGBT. Lyginant su aktyviosios galios filtrais, perjungimo dažnio lygis tiesiogiai atspindi ne tik kompensavimo greitį, bet ir pasiekiamo kompensavimo dažnių diapazono plotį. Kuo aukštesnė dažnių juosta, kurioje yra perjungimo dažnis, kuo platesnė filtravimo dažnių juosta, kurią filtras gali pasirinkti, kad būtų įdiegtas, tuo siauresnė ji turėtų būti; ir atvirkščiai, kuo siauresnis jis turėtų būti⁸.

4.4 Kiekybinis palyginimas

SMA produktų linijos raida yra geras įrodymas.

• Dviejų-lygių technologijos produktas: „Sunny Tripower“ serija.

• Trijų-lygių technologijos produktas: „Sunny Highpower“ serija.

Iš aukščiau pateiktų dviejų grafikų duomenų galima gauti, kad dviejų{0}}pakopų technologijos fotovoltinių keitiklių gaminių maksimalus efektyvumas yra 98,1 %, o Europoje – 97,8 %. Maksimalus trijų-pakopų technologijos fotovoltinių keitiklių efektyvumas gali siekti 99,1 %, o Europoje jis gali siekti 98,8 %. Palyginus šiuos du, galima pastebėti, kad trijų-lygių technologijų produktų efektyvumas padidėjo 1 proc.⁹.

5. Ateities plėtros tendencijos

5.1 Integravimas su naujomis puslaidininkinėmis medžiagomis

Tobulėjant puslaidininkių technologijoms, naujos puslaidininkinės medžiagos, tokios kaip silicio karbidas (SiC) ir galio nitridas (GaN), palaipsniui pritaikomos inverteriams. Šios medžiagos turi didesnį elektronų mobilumą, didesnę skilimo įtampą ir mažesnę - atsparumą nei tradicinės silicio medžiagos. Trijų - lygių keitiklių technologijos integravimas su naujomis puslaidininkinėmis medžiagomis gali dar labiau pagerinti keitiklių veikimą. Pavyzdžiui, trijuose - lygio keitikliuose naudojant SiC MOSFET, galima sumažinti įrenginių perjungimo ir laidumo praradimą, pagerinti keitiklio efektyvumą ir padidinti perjungimo dažnį, o tai padeda dar labiau sumažinti keitiklio dydį ir svorį bei pagerinti jo galios tankį.

5.2 Inteligentizavimas ir skaitmeninimas

Ateityje trys - lygio keitikliai bus išmanesni ir labiau skaitmeninti. Tobulėjant mikroelektronikos technologijoms ir skaitmeninio valdymo technologijoms, inverteriai gali būti aprūpinti pažangesniais skaitmeniniais valdikliais ir jutikliais. Šie skaitmeniniai valdikliai gali įdiegti sudėtingesnius valdymo algoritmus, tokius kaip prisitaikantis valdymas, nuspėjamasis valdymas ir gedimų - diagnostika bei savaiminis - taisymo valdymas. Jutikliai gali stebėti keitiklio veikimo būseną realiu - laiku, pvz., temperatūrą, įtampą, srovę ir įrenginio sveikatos būklę. Naudodamas išmaniuosius algoritmus ir realaus laiko - stebėjimą, keitiklis gali koreguoti savo veikimo parametrus pagal faktinę situaciją, pagerinti sistemos efektyvumą ir patikimumą bei realizuoti nuotolinį stebėjimą ir išmanų valdymą.

5.3 Didesnės - įtampos ir didesnės - galios programos

Kadangi fotovoltinės energijos gamybos mastas ir toliau plečiasi, didėja ir didesnės - įtampos ir aukštesnės - galios keitiklių poreikis. Trijų - lygio keitiklių technologija gali patenkinti šį poreikį. Optimizavus trijų - lygio keitiklių topologiją ir valdymo strategiją bei naudojant aukštos - įtampos - vardinius įrenginius, galima dar padidinti trijų - lygio keitiklių išėjimo įtampą ir galią. Tai labai svarbu didelėms - masto fotovoltinėms elektrinėms ir aukštos - įtampos - perdavimo - linijos - prijungtoms fotovoltinės generavimo sistemoms, kurios gali sumažinti reikalingų keitiklių skaičių, supaprastinti sistemos struktūrą ir sumažinti bendrą sistemos kainą.¹⁰.

1. Yu, Chengzhuo, 2023 m., 3 lygių PWM keitiklio valdymas prijungtoms prie tinklo{2}}fotovoltinės generavimo sistemoms.
2. Zhihu, trijų lygių technologijos pranašumo paaiškinimas.
3. Ne{0}}tinklas, trijų-lygių grandinės principas ir bendrosios grandinės topologijos analizė.
4. Elektronikos entuziastas, T-tipo trijų-pakopų fotovoltinio tinklo-prijungto keitiklio projektavimo schema.
5. Tang, Yao, 2023, Trijų -lygmenų T- tipo keitiklio, skirto didelės galios programoms, projektavimas ir valdymas.
6. Elektronikos entuziastas, trijų{0}}pakopų ir dviejų{1}}pakopų sistemų pranašumų palyginimas.
7. CSDN, skirtumas tarp dviejų{0}}lygių ir trijų{1}}lygių.
8. Baidu Wenku, dviejų{0}}lygių ir trijų{1}}lygių palyginimas.
9. SMA, produkto duomenys iš oficialios SMA svetainės.
10. „Qitian Power“, trijų{0}}lygių topologijos lygiagretusis keitiklis.