Инвертори играју кључну улогу у фотонапонским системима за производњу енергије, претварајући једносмерну струју (ДЦ) коју генеришу фотонапонски панели у наизменичну струју (АЦ) погодну за повезивање на мрежу или коришћење оптерећења. Развој инвертерске технологије се константно развија како би испунио захтеве веће ефикасности, бољег квалитета електричне енергије и ниже цене. Технологија претварача са три нивоа - је једно од важних достигнућа у овој области.
Концепт нивоа у инвертерима се односи на ниво напона који се користи за пренос сигнала или конверзију енергије. Претварач са два нивоа - има само два нивоа напона, високи и ниски, што је једноставног дизајна и погодно за апликације са ниским - ценама. Међутим, три претварача нивоа - уводе тачку средњег напона -, обезбеђујући три нивоа напона, што омогућава финију контролу напона и има неколико значајних предности на нивоу система1.
1. Значење технологије на три-нивоа
Током 1980-их, јапански научник Набае је предложио тро-инвертерско коло засновано на стезању диода. Његова типична тополошка структура је приказана на следећој слици. Сваки крак моста целог инвертерског кола се састоји од 4 биполарна транзистора са изолованим вратима (ИГБТ) и 6 диода.
Иако је тро{0}}коло на три нивоа релативно сложеније по топологији, у поређењу са традиционалним дво-колом инвертера које може да емитује само високе и ниске нивое, ово ново коло инвертера може да емитује високе и ниске нивое кроз укључивање-горње и доње цеви и даје нулти ниво кроз ефекат стезања диоде средњег нивоа, тотално стање. Због тога се назива тро-инвертерско коло.
Узмите потенцијалну промену на средини крака моста инвертера фазе А на следећој слици као пример да бисте укратко описали специфично значење три нивоа.
- Када су два ИГБТ-а на А-фазном краку моста проводна, потенцијал у тачки А је исти као потенцијал позитивне магистрале, а то је У/2. Напон напонске платформе који носи сваки ИГБТ је У/2, као што је приказано у петљи 1.
- Када су два ИГБТ-а доњег крака моста А-фазног крака моста проводна, потенцијал у тачки А је исти као негативни потенцијал магистрале, који је -У/2, а напон платформе напрезања који подноси сваки ИГБТ је У/2, као што је приказано у петљи 2.
- Када су други ИГБТ на А-фазном краку моста и диода за стезање премоснице проводни, А-мост фазног инвертера је у А стању слободног хода, а потенцијал у тачки А је исти као онај у средини магистрале, што је 0, као што је приказано у петљи 3.
Из три проводна кола фазе А описана горе, може се знати да потенцијал у тачки А може имати три нивоа: У/2, 0 и -У/2, тако да се назива тро- стање2.
2. Уобичајене топологије три нивоа -
2.1НПЦ1 Топологи
НПЦ1 (неутрална - тачка - спојена) топологија је једна од најкласичнијих топологија са три нивоа -. Оптимизује дистрибуцију губитака и побољшава ЕМИ оптимизацијом тренутног пута и механизма конверзије нултог нивоа -.
У условима претварача, губици НПЦ1 су углавном концентрисани у Т1/Т4 цевима, укључујући губитке у проводљивости и губитке при пребацивању. Т2/Т3 је у нормално отвореном стању, а губитак је углавном губитак проводљивости. Д5/Д6 проводе током комутације, а његови губици укључују губитке у проводљивости и губитке повратног опоравка.
У условима исправљања, губици су углавном концентрисани у цевима Д1/Д4 и Т2/Т3 цевима. Д1/Д4 цеви имају губитке у проводљивости и губитке повратног опоравка, док Т2/Т3 цеви стварају губитке у проводљивости и комутационе губитке током комутације. Насупрот томе, Д2/Д3 и Д5/Д6 цеви имају само губитке у проводљивости.
2.2 НПЦ2 топологија
НПЦ2 топологија је побољшање засновано на топологији НПЦ1. У НПЦ2, пар ИГБТ са заједничким емитерима или колекторима и анти - паралелним диодама се користи за замену стезних диода у НПЦ1, смањујући број диода за две. У НПЦ2, Т1/Т4 цеви носе пуни напон сабирнице, а Т2/Т3 цеви носе половину напона магистрале.
У стању претварача, у позитивној половини циклуса -, Т2 остаје нормално отворен, а Т1 и Д3 комутирају; у негативној половини циклуса -, Т3 остаје нормално отворен, а Т4 и Д2 комутирају.
У условима исправљања, процес комутације је такође сличан оном код НПЦ1, али због различите структуре стезног дела, расподела губитака је другачија од оне код НПЦ1. Генерално, у опсегу фреквенција средњег - и ниског - комутационог - опсега, укупан губитак топологије НПЦ2 је мањи од губитка топологије НПЦ1.
2.3 АНПЦ топологија
Топологија АНПЦ (активна неутрална - тачка - спојена) се формира заменом стезних диода у НПЦ1 са ИГБТ и анти - паралелним диодама. Он проширује две комутационе путање нултог - нивоа, а избором и контролом комутационих путања нултог нивоа -, може се постићи уравнотеженија расподела губитака и мања залутала индуктивност комутационе петље3.
3. Методе управљања три - претварача нивоа
3.1 Контрола напона
3.1.1ДЦ - Бочна контрола напона
У фотонапонском систему за производњу енергије, неопходно је одржавати стабилност бочног напона ДЦ - претварача. ДЦ - бочни напон углавном обезбеђују фотонапонски панели. Услед утицаја фактора као што су интензитет светлости и температура, излазни напон фотонапонских панела ће флуктуирати. Због тога је потребна стратегија контроле напона са стране ДЦ -. Најчешће коришћене методе укључују коришћење појачивача или додатног - појачивача испред претварача да би се ДЦ - бочни напон подесио на стабилну вредност. На пример, када је излазни напон фотонапонских панела нижи од потребне вредности, појачани претварач може повећати напон; када је већи, појачивач - појачивача може да подеси напон на одговарајући ниво.
3.1.2 Контрола потенцијала средње тачке -
У три претварача нивоа -, потенцијална флуктуација средње тачке - је уобичајен проблем, посебно у топологијама типа НПЦ -. Флуктуација потенцијала средње тачке - ће утицати на квалитет таласног облика излазног напона и поузданост уређаја. Постоји много метода за контролу средњег потенцијала - тачке. Један метод је да се модулационом сигналу дода заједничка компонента режима -. На пример, у методи модулације ширине синусоидалног импулса - (СПВМ), одређени напон уобичајеног режима - се додаје референтном напону да би се подесило време пуњења и пражњења кондензатора средње тачке -, како би се одржала стабилност потенцијала средње тачке -. Други метод је коришћење система за контролу повратних информација да би се открио потенцијал средње тачке - и прилагодила стања укључивања претварача у складу са одступањем да би се постигао баланс потенцијала средње тачке -4.
3.2 Тренутна контрола
3.2.1 Мрежа - Повезана контрола струје
За фотонапонске претвараче повезане на мрежу -, потребно је осигурати да излазна струја буде на истој фреквенцији и фази као и напон мреже. Ово се постиже стратегијом контроле струје повезане мреже -. Уобичајена метода је коришћење петље са закључаном фазом - (ПЛЛ) за синхронизацију излазне струје са напоном мреже. ПЛЛ може брзо и прецизно пратити фреквенцију и фазу напона мреже. На основу излаза ПЛЛ-а, дизајниран је струјни контролер, као што је пропорционални - интегрални (ПИ) контролер или пропорционални - резонантни (ПР) контролер. Регулатор струје подешава излазни напон претварача у складу са одступањем између референтне струје и стварне излазне струје како би осигурао да излазна струја испуњава захтеве за повезивање мреже -.
3.2.2 Хармоничка контрола излазне струје
Поред обезбеђивања исте фреквенције и фазе као напон мреже, потребно је и контролисати садржај хармоника излазне струје. Као што је горе поменуто, три претварача нивоа - имају мањи садржај хармоника излазне струје од два претварача нивоа -, али у неким сценаријима примене са високом прецизношћу - и даље је потребна даља контрола хармоника. Ово се може постићи оптимизацијом стратегије модулације. На пример, коришћење векторске модулације ширине - векторских импулса - (СВПВМ) уместо традиционалног СПВМ може смањити садржај хармоника излазне струје. Поред тога, неки напредни алгоритми управљања, као што су хармонијска контрола - унапред и контрола вишеструке - компензације хармоника, такође могу да се користе за даље смањење садржаја хармоника излазне струје5.
4. Предности три претварача нивоа - у поређењу са два претварача нивоа -
4.1 Таласни облик излазног напона
Таласни облик напона који излазе из -кола претварача на два нивоа:
Таласни облик напона који излазе помоћу инверторског кола на три{0}} нивоа:
Основни принцип претварача са три-нивоа је коришћење више нивоа за синтетизацију корака таласа да би се апроксимирао синусоидни излазни напон. Због додатног излазног нивоа у поређењу са инвертором на два-нивоа, ПВМ талас који емитује је ближи синусоидном таласном облику. Горње две слике су поређење ПВМ таласних облика које излазе два-инвертора и три{5}}нивоа. Интуитивно се може разликовати да је излаз ПВМ таласног облика од тро-инвертора ближи синусном и има мање таласа6.
4.2 Губитак при пребацивању
У тро-колу претварача, напон ДЦ магистрале У деле два ИГБТ-а. Напон који носи сваки ИГБТ на краку моста је половина улазног напона на ДЦ страни, У/2. У -инвертерском колу на два нивоа, само један ИГБТ носи напон ДЦ магистрале, а напон који носи сваки ИГБТ на краку моста је директно улазни напон на страни једносмерне струје, односно У. Стога, у тро-инвертерском колу, ИГБТ носи половину напона два- на почетку окретања на крају. Ово одређује да је комутациони губитак ИГБТ-а на три-нивоа много мањи од губитка на два{10}}нивоа један7.
4.3 Висока фреквенција
Високо{0}}напонски ИГБТ-ови су под утицајем нивоа напона апликације, што одређује да су њихова фреквенција и брзина пребацивања много мање од оних код нисконапонских{1}}ИГБТ-ова. Међутим, тро-систем на три нивоа омогућава високо{4}}примену нисконапонских-ИГБТ-ова. У поређењу са филтерима активне снаге, ниво фреквенције пребацивања директно одражава не само брзину компензације већ и ширину достижног опсега фреквенције компензације. Што је већи фреквентни опсег где се налази фреквенција пребацивања, што је шири опсег фреквенције филтрирања који филтер може да изабере да примени, то би требало да буде ужи; и обратно, што би требало да буде ужи8.
4.4 Квантитативно поређење
Еволуција СМА-ове линије производа је добар доказ.
- Технолошки производ-два нивоа: Сунни Триповер серија.
- Три{0}}технолошки производ: Сунни Хигхповер серија.
Из података у горња два графикона може се добити да је максимална ефикасност фотонапонских инверторских производа са два-степена технологија 98,1%, а ефикасност у Европи 97,8%. Максимална ефикасност фотонапонских инверторских производа са три{4}}степене технологије може да достигне 99,1%, док у Европи може бити 98,8%. Упоређивањем ова два, може се открити да је ефикасност производа са три{8}}технолошког нивоа порасла за 1%9.
5.Трендови будућег развоја
5.1 Интеграција са новим полупроводничким материјалима
Са развојем полупроводничке технологије, нови полупроводнички материјали као што су силицијум карбид (СиЦ) и галијум нитрид (ГаН) постепено се примењују на претвараче. Ови материјали имају већу покретљивост електрона, већи напон пробоја и нижу отпорност на - од традиционалних силицијумских материјала. Интегрисање технологије претварача са три нивоа - са новим полупроводничким материјалима може додатно побољшати перформансе претварача. На пример, коришћење СиЦ МОСФЕТ-а у три претварача нивоа - може смањити комутациони губитак и губитак проводљивости уређаја, побољшати ефикасност претварача и повећати фреквенцију пребацивања, што доприноси даљем смањењу величине и тежине претварача и побољшању његове густине снаге.
5.2 Интелигентизација и дигитализација
У будућности ће три претварача нивоа - бити интелигентнија и дигитализованија. Са развојем технологије микроелектронике и технологије дигиталног управљања, претварачи могу бити опремљени напреднијим дигиталним контролерима и сензорима. Ови дигитални контролери могу да имплементирају сложеније алгоритме управљања, као што су адаптивна контрола, предиктивна контрола и дијагностика - грешака и контрола самопоправке -. Сензори могу да прате радни статус претварача у реалном - времену, као што су температура, напон, струја и здравствени статус уређаја. Кроз интелигентне алгоритме и праћење у реалном времену -, претварач може да прилагоди своје радне параметре у складу са стварном ситуацијом, побољша ефикасност и поузданост система и реализује даљински надзор и интелигентно управљање.
5.3 Апликације већег - напона и веће - снаге
Како обим производње фотонапонске енергије наставља да се шири, потражња за претварачима снаге - напона и виших - такође расте. Технологија претварача са три нивоа - има потенцијал да задовољи ову потражњу. Оптимизацијом топологије и стратегије управљања три претварача нивоа - и коришћењем уређаја са високим - напоном -, излазни напон и снага три претварача нивоа - могу се додатно повећати. Ово је од великог значаја за фотонапонске системе за производњу великих - фотонапонских електрана и високонапонских - преносних - линија - повезаних фотонапонских система, који могу смањити број потребних претварача, поједноставити структуру система и смањити укупне трошкове система10.
- Иу, Цхенгзхуо, 2023, Контрола 3 нивоа ПВМ инвертера за системе фотонапонске производње повезаних на мрежу{2}}.
- Зхиху, Објашњење супериорности технологије на три{0}} нивоа.
- Не{0}}мрежна, три-принцип кола и анализа заједничке топологије кола.
- Електронски ентузијаста, Т-тип три-фотонапонска мрежа-повезана шема инвертера.
- Танг, Иао, 2023, Дизајн и контрола три-инвертера Т- типа са три{1}}нивоа за примену велике снаге.
- Електронски ентузијаста, Поређење предности система на три-и два{1}}нивоа.
- ЦСДН, разлика између два-нивоа и три-нивоа.
- Баиду Венку, Поређење између два-нивоа и три-нивоа.
- СМА, подаци о производу са СМА-овог званичног сајта.
- Китиан Повер, тро{0}}паралелни претварач са топологијом.