Omvormers spelen een cruciale rol in fotovoltaïsche energieopwekkingssystemen, waarbij ze de gelijkstroom (DC) die door fotovoltaïsche panelen wordt gegenereerd, omzetten in wisselstroom (AC) die geschikt is voor aansluiting op het elektriciteitsnet of belastinggebruik. De ontwikkeling van de invertertechnologie is voortdurend in ontwikkeling om te voldoen aan de eisen van hogere efficiëntie, betere stroomkwaliteit en lagere kosten. Invertertechnologie op drie --niveaus is een van de belangrijke ontwikkelingen op dit gebied.
Het niveauconcept in omvormers verwijst naar het spanningsniveau dat wordt gebruikt voor signaaloverdracht of energieconversie. Een omvormer met twee - niveaus heeft slechts twee spanningsniveaus, hoog en laag, wat een eenvoudig ontwerp heeft en geschikt is voor goedkope - toepassingen. Drie omvormers op --niveau introduceren echter een spanningsmiddenpunt -, waardoor drie spanningsniveaus worden geleverd, wat een fijnere spanningsregeling mogelijk maakt en verschillende belangrijke voordelen op systeemniveau heeft1.
1.De betekenis van technologie op drie-niveaus
In de jaren tachtig stelde de Japanse geleerde Nabae een invertercircuit met drie- niveaus voor, gebaseerd op diodeklemming. De typische topologische structuur wordt weergegeven in de volgende figuur. Elke brugarm van het gehele invertercircuit bestaat uit 4 Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT's) en 6 diodes.
Hoewel het circuit met drie- niveaus relatief complexer is qua topologie, vergeleken met het traditionele invertercircuit met twee- niveaus, dat alleen hoge en lage niveaus kan uitvoeren, kan dit nieuwe invertercircuit hoge en lage niveaus uitvoeren door het inschakelen- van de bovenste en onderste buizen, en een nulniveau uitvoeren door het klemeffect van de tussendiode, wat in totaal drie niveaustatussen oplevert. Daarom wordt het een invertercircuit met drie-niveaus genoemd.
Neem de potentiële verandering in het midden van de omvormerbrugarm van fase A in de volgende afbeelding als voorbeeld om de specifieke betekenis van de drie niveaus kort te beschrijven.
- Wanneer de twee IGBT's op de A--fasebrugarm geleidend zijn, is de potentiaal op punt A hetzelfde als die van de positieve bus, namelijk U/2. De spanningsplatformspanning die elke IGBT draagt, is U/2, zoals weergegeven in Lus 1.
- Wanneer de twee IGBT's van de onderste brugarm van de A--fasebrugarm geleiden, is de potentiaal op punt A hetzelfde als de negatieve buspotentiaal, die -U/2 is, en is de spanningsplatformspanning die elke IGBT doorstaat U/2, zoals weergegeven in lus 2.
- Wanneer de tweede IGBT op de A-fasebrugarm en de bypass-klemdiode geleiden, bevindt de A-fase-omvormerbrug zich in de vrijloopstatus en is de potentiaal op punt A hetzelfde als die in het middelpunt van de bus, namelijk 0, zoals weergegeven in lus 3.
Uit de drie geleidende circuits van fase A die hierboven zijn beschreven, kan worden afgeleid dat de potentiaal op punt A drie niveaus kan bieden: U/2, 0 en -U/2, en daarom wordt dit een toestand met drie-niveaus genoemd.2.
2. Gemeenschappelijke topologieën op drie - niveaus
2.1NPC1-topologie
De NPC1-topologie (Neutral - Point - Clamped) is een van de meest klassieke topologieën met drie --niveaus. Het optimaliseert de verliesverdeling en verbetert EMI door het huidige pad en het nul-- conversiemechanisme te optimaliseren.
Onder inverteromstandigheden zijn de verliezen van NPC1 voornamelijk geconcentreerd in de T1/T4-buizen, inclusief geleidingsverliezen en schakelverliezen. T2/T3 bevindt zich in de normaal open toestand en het verlies bestaat voornamelijk uit geleidingsverlies. D5/D6 geleidt tijdens commutatie, en de verliezen ervan omvatten geleidingsverliezen en omgekeerde herstelverliezen.
Onder rectificatieomstandigheden concentreren de verliezen zich voornamelijk in D1/D4-buizen en T2/T3-buizen. D1/D4-buizen hebben geleidingsverliezen en omgekeerde herstelverliezen, terwijl T2/T3-buizen geleidingsverliezen en schakelverliezen genereren tijdens commutatie. D2/D3- en D5/D6-buizen hebben daarentegen alleen geleidingsverliezen.
2.2 NPC2-topologie
De NPC2-topologie is een verbetering gebaseerd op de NPC1-topologie. In NPC2 wordt een paar IGBT's met gemeenschappelijke emitters of collectors en anti - parallelle diodes gebruikt om de klemdiodes in NPC1 te vervangen, waardoor het aantal diodes met twee wordt verminderd. In NPC2 dragen T1/T4-buizen de volledige busspanning en T2/T3-buizen de helft van de busspanning.
In de toestand van de omvormer blijft T2 in de positieve halve cyclus van - normaal open en commuteren T1 en D3; in de negatieve halve - cyclus blijft T3 normaal open en commuteren T4 en D2.
In de rectificatieconditie is het commutatieproces ook vergelijkbaar met dat van NPC1, maar vanwege de andere structuur van het klemdeel is de verliesverdeling anders dan die van NPC1. Over het algemeen is in het midden - en lage - schakelende - frequentiebereik het totale verlies van de NPC2-topologie lager dan dat van de NPC1-topologie.
2.3ANPC-topologie
De ANPC-topologie (Active Neutral - Point - Clamped) wordt gevormd door de klemdiodes in NPC1 te vervangen door IGBT's en anti - parallelle diodes. Het breidt twee commutatiepaden op nul---niveau uit, en door de selectie en controle van de nul---niveau-commutatiepaden kunnen een meer gebalanceerde verliesverdeling en een kleinere zwerfinductie in de commutatielus worden bereikt.3.
3.Besturingsmethoden van drie - niveau-omvormers
3.1Spanningsregeling
3.1.1DC - spanningsregeling aan de zijkant
In een fotovoltaïsch energieopwekkingssysteem is het noodzakelijk om de stabiliteit van de DC --zijdespanning van de omvormer te behouden. De DC---zijdespanning wordt voornamelijk geleverd door de fotovoltaïsche panelen. Door de invloed van factoren als lichtintensiteit en temperatuur zal de uitgangsspanning van de fotovoltaïsche panelen fluctueren. Daarom is een strategie voor spanningsregeling aan de DC --zijde nodig. Veelgebruikte methoden zijn onder meer het gebruik van een boost-converter of een buck - boost-converter vóór de omvormer om de DC---zijdespanning op een stabiele waarde in te stellen. Wanneer de uitgangsspanning van de fotovoltaïsche panelen bijvoorbeeld lager is dan de vereiste waarde, kan de boostconverter de spanning verhogen; wanneer deze hoger is, kan de buck - boost-converter de spanning op het juiste niveau aanpassen.
3.1.2Midden - puntpotentiaalcontrole
Bij omvormers op drie --niveaus is de potentiële fluctuatie in het midden van - een veelvoorkomend probleem, vooral in topologieën van het NPC --type. De potentiële fluctuatie in het midden van - zal de kwaliteit van de golfvorm van de uitgangsspanning en de betrouwbaarheid van het apparaat beïnvloeden. Er zijn veel methoden om het middelpuntpotentieel van - te beheersen. Eén methode is het toevoegen van een gemeenschappelijke --moduscomponent aan het modulatiesignaal. Bij de sinusoïdale puls - breedtemodulatie (SPWM)-methode wordt bijvoorbeeld een bepaalde gemeenschappelijke --modusspanning toegevoegd aan de referentiespanning om de oplaad- en ontlaadtijd van de midden-- puntcondensator aan te passen, om zo de stabiliteit van het midden-- puntpotentieel te behouden. Een andere methode is het gebruik van een feedbackcontrolesysteem om het middenpotentieel van - te detecteren en de schakeltoestanden van de omvormer aan te passen aan de afwijking om een middenpotentieelevenwicht van - punt te bereiken4.
3.2Huidige controle
3.2.1Net - aangesloten stroomregeling
Voor net - aangesloten fotovoltaïsche omvormers is het noodzakelijk ervoor te zorgen dat de uitgangsstroom dezelfde frequentie en fase heeft als de netspanning. Dit wordt bereikt via een op het net - aangesloten stroomregelstrategie. Een gebruikelijke methode is het gebruik van een fase --vergrendelde lus (PLL) om de uitgangsstroom te synchroniseren met de netspanning. De PLL kan snel en nauwkeurig de frequentie en fase van de netspanning volgen. Op basis van de output van de PLL wordt een stroomregelaar ontworpen, zoals een proportionele - integrale (PI) controller of een proportionele - resonante (PR) controller. De stroomregelaar past de uitgangsspanning van de omvormer aan op basis van de afwijking tussen de referentiestroom en de werkelijke uitgangsstroom om ervoor te zorgen dat de uitgangsstroom voldoet aan de netaansluitingsvereisten -.
3.2.2 Harmonische regeling van de uitgangsstroom
Naast het garanderen van dezelfde frequentie en fase als de netspanning, is het ook noodzakelijk om de harmonische inhoud van de uitgangsstroom te controleren. Zoals hierboven vermeld, hebben drie omvormers op het --niveau een lagere harmonische inhoud van de uitgangsstroom dan twee omvormers op het --niveau, maar in sommige toepassingsscenario's met hoge - precisie is nog steeds verdere harmonische controle nodig. Dit kan worden bereikt door de modulatiestrategie te optimaliseren. Als u bijvoorbeeld ruimte - vectorpuls - breedtemodulatie (SVPWM) gebruikt in plaats van traditionele SPWM, kan de harmonische inhoud van de uitgangsstroom worden verminderd. Bovendien kunnen enkele geavanceerde regelalgoritmen, zoals harmonische feed - voorwaartse controle en multi - harmonische compensatiecontrole, ook worden gebruikt om de harmonische inhoud van de uitgangsstroom verder te verminderen5.
4. Voordelen van drie omvormers op --niveau vergeleken met twee omvormers op --niveau
4.1 Golfvorm spanningsuitgang
De spanningsgolfvorm die wordt uitgevoerd door het invertercircuit met twee-niveaus:
De spanningsgolfvorm die wordt uitgevoerd door een invertercircuit met drie-niveaus:
Het basisprincipe van een omvormer met drie-niveaus is het gebruik van meerdere niveaus om een stapgolf te synthetiseren om een sinusoïdale uitgangsspanning te benaderen. Omdat er een extra uitgangsniveau is vergeleken met een omvormer met twee-niveaus, ligt de PWM-golf die deze uitvoert dichter bij een sinusoïdale golfvorm. De bovenstaande twee figuren zijn een vergelijking van de PWM-golfvormen die worden uitgevoerd door omvormers met twee-niveaus en drie-niveaus. Er kan intuïtief worden onderscheiden dat de PWM-golfvormuitvoer door de omvormer met drie-niveaus dichter bij de sinus ligt en minder rimpelinhoud heeft6.
4.2 Schakelverlies
In een invertercircuit met drie-niveaus wordt de DC-busspanning U gedeeld door twee IGBT's. De spanning die door elke IGBT op de brugarm wordt gedragen, is de helft van de ingangsspanning aan de DC-zijde, U/2. In een invertercircuit met twee-niveaus draagt slechts één IGBT de DC-busspanning, en de spanning die door elke IGBT op de brugarm wordt gedragen, is rechtstreeks de ingangsspanning aan de DC-zijde, dat wil zeggen U. Daarom draagt in een invertercircuit met drie-niveaus de IGBT de helft van de spanning van de twee-niveau één aan het begin van de geleiding en het einde van de uitschakeling-. Dit bepaalt dat het schakelverlies van de IGBT op drie-niveaus veel kleiner is dan dat van de twee-niveau één7.
4.3 Hoge frequentie
Hoogspannings-IGBT's worden beïnvloed door het spanningsniveau van de toepassing, wat bepaalt dat hun schakelfrequentie en schakelsnelheid veel kleiner zijn dan die van laagspannings-IGBT's. Het systeem met drie-niveaus maakt echter de hoog-toepassing van laag-IGBT's met lage spanning mogelijk. Vergeleken met actieve vermogensfilters weerspiegelt het niveau van de schakelfrequentie niet alleen rechtstreeks de snelheid van de compensatie, maar ook de breedte van het bereikbare compensatiefrequentiebereik. Hoe hoger de frequentieband waar de schakelfrequentie zich bevindt, hoe breder de filterfrequentieband die een filter kan selecteren om te implementeren, hoe smaller deze zou moeten zijn; omgekeerd, hoe smaller het zou moeten zijn8.
4.4 Kwantitatieve vergelijking
De evolutie van de productlijn van SMA is een goed bewijs.
- Technologieproduct op twee-niveaus: Sunny Tripower-serie.
- Technologieproduct op drie-niveaus: Sunny Highpower-serie.
Uit de gegevens in de twee bovenstaande grafieken kan worden afgeleid dat het maximale rendement van de fotovoltaïsche omvormerproducten met twee-niveautechnologie 98,1% bedraagt, en dat het rendement in Europa 97,8% bedraagt. Het maximale rendement van de fotovoltaïsche omvormerproducten met drie-niveaus kan 99,1% bereiken, terwijl dit in Europa 98,8% kan zijn. Door de twee te vergelijken, kan worden vastgesteld dat de efficiëntie van de drie-technologieproducten met 1% is toegenomen9.
5. Toekomstige ontwikkelingstrends
5.1 Integratie met nieuwe halfgeleidermaterialen
Met de ontwikkeling van de halfgeleidertechnologie worden geleidelijk nieuwe halfgeleidermaterialen zoals siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN) toegepast in omvormers. Deze materialen hebben een hogere elektronenmobiliteit, een hogere doorslagspanning en een lagere - weerstand dan traditionele siliciummaterialen. Het integreren van invertertechnologie op drie --niveaus met nieuwe halfgeleidermaterialen kan de prestaties van inverters verder verbeteren. Het gebruik van SiC MOSFET's in drie omvormers op --niveau kan bijvoorbeeld het schakelverlies en geleidingsverlies van de apparaten verminderen, de efficiëntie van de omvormer verbeteren en de schakelfrequentie verhogen, wat bevorderlijk is voor het verder verkleinen van de omvang en het gewicht van de omvormer en het verbeteren van de vermogensdichtheid.
5.2 Intelligentisering en digitalisering
In de toekomst zullen drie omvormers op het niveau - intelligenter en gedigitaliseerd zijn. Met de ontwikkeling van micro-elektronicatechnologie en digitale besturingstechnologie kunnen omvormers worden uitgerust met geavanceerdere digitale controllers en sensoren. Deze digitale controllers kunnen complexere besturingsalgoritmen implementeren, zoals adaptieve besturing, voorspellende besturing en fout-- diagnose en zelf-- reparatiecontrole. De sensoren kunnen de bedrijfsstatus van de omvormer in realtime - monitoren, zoals temperatuur, spanning, stroom en de gezondheidsstatus van het apparaat. Door middel van intelligente algoritmen en realtime monitoring kan de omvormer zijn bedrijfsparameters aanpassen aan de werkelijke situatie, de efficiëntie en betrouwbaarheid van het systeem verbeteren en monitoring op afstand en intelligent beheer realiseren.
5.3 Toepassingen met hogere - spanning en hogere - stroom
Naarmate de schaal van fotovoltaïsche energieopwekking blijft groeien, neemt ook de vraag naar omvormers met hogere - spanning en hogere - stroom toe. Invertertechnologie op drie - niveaus heeft het potentieel om aan deze vraag te voldoen. Door de topologie en besturingsstrategie van drie omvormers op het --niveau te optimaliseren en apparaten met een hoge - spanning - te gebruiken, kunnen de uitgangsspanning en het vermogen van drie omvormers op het --niveau verder worden verhoogd. Dit is van groot belang voor grootschalige fotovoltaïsche elektriciteitscentrales op - schaal en hoog - spannings- transmissie- lijn - aangesloten fotovoltaïsche opwekkingssystemen, die het aantal benodigde omvormers kunnen verminderen, de systeemstructuur kunnen vereenvoudigen en de totale kosten van het systeem kunnen verlagen10.
- Yu, Chengzhuo, 2023, Controle van een PWM-omvormer met 3 niveaus voor net-gekoppelde fotovoltaïsche opwekkingssystemen.
- Zhihu, Verklaring van de superioriteit van technologie op drie-niveaus.
- Niet-netwerk-, circuitprincipe op drie-niveaus en analyse van gemeenschappelijke circuittopologie.
- Elektronicaliefhebber, T-type drie-fotovoltaïsch elektriciteitsnet-ontwerpschema voor aangesloten omvormers.
- Tang, Yao, 2023, Ontwerp en regeling van interleaved drie-niveau T--type omvormers voor toepassingen met hoog vermogen.
- Elektronicaliefhebber, Een vergelijking van de voordelen van systemen met drie- en twee- niveaus.
- CSDN, het verschil tussen twee-niveaus en drie-niveaus.
- Baidu Wenku, Vergelijking tussen twee-niveaus en drie-niveaus.
- SMA, Productgegevens van de officiële website van SMA.
- Qitian Power, parallelle omvormer met topologie op drie-niveaus.
