سه-فناوری سطح اینورترهای فتوولتائیک

اینورترها نقش مهمی در سیستم های تولید برق فتوولتائیک ایفا می کنند و جریان مستقیم (DC) تولید شده توسط پانل های فتوولتائیک را به جریان متناوب (AC) مناسب برای اتصال به شبکه یا استفاده از بار تبدیل می کنند. توسعه فناوری اینورتر به طور مداوم در حال تکامل بوده است تا نیازهای راندمان بالاتر، کیفیت توان بهتر و هزینه کمتر را برآورده کند. فناوری اینورتر سه سطح - یکی از پیشرفت های مهم در این زمینه است.

مفهوم سطح در اینورترها به سطح ولتاژ مورد استفاده برای انتقال سیگنال یا تبدیل انرژی اشاره دارد. یک اینورتر دو سطح - تنها دارای دو سطح ولتاژ بالا و پایین است که طراحی ساده ای دارد و برای کاربردهای کم هزینه - مناسب است. با این حال، سه اینورتر سطح - یک نقطه - ولتاژ میانی را معرفی می‌کنند، که سه سطح ولتاژ را ارائه می‌کنند که امکان کنترل ولتاژ دقیق‌تری را فراهم می‌کند و چندین مزیت قابل توجه در سطح سیستم دارد.¹.

1. معنای فناوری سه سطح-

در دهه 1980، محقق ژاپنی Nabae یک مدار اینورتر سه سطح- مبتنی بر بستن دیود را پیشنهاد کرد. ساختار توپولوژیکی معمولی آن در شکل زیر نشان داده شده است. هر بازوی پل کل مدار اینورتر از 4 ترانزیستور دوقطبی گیت عایق (IGBT) و 6 دیود تشکیل شده است.

اگرچه مدار سه سطح از نظر توپولوژی نسبتاً پیچیده‌تر است، در مقایسه با مدار اینورتر دو سطحی سنتی که فقط می‌تواند سطوح بالا و پایین را خروجی دهد، این مدار اینورتر جدید می‌تواند سطوح بالا و پایین را از طریق چرخش{2}}روی لوله‌های بالا و پایین، و سطح صفر خروجی را از طریق اثر گیره سه حالت سطح متوسط، خروجی دهد. بنابراین، مدار اینورتر سه سطحی نامیده می شود.

تغییر پتانسیل در نقطه میانی بازوی پل اینورتر فاز A را در شکل زیر به عنوان مثال در نظر بگیرید تا معنای خاص سه سطح را به اختصار توضیح دهید.

• وقتی دو IGBT روی بازوی پل فاز A- هدایت می‌شوند، پتانسیل در نقطه A با گذرگاه مثبت یکسان است که U/2 است. همانطور که در حلقه 1 نشان داده شده است، ولتاژ پلت فرم استرس که هر IGBT تحمل می کند U/2 است.

• هنگامی که دو IGBT بازوی پل پایینی بازوی پل فاز A- هدایت می‌شوند، پتانسیل در نقطه A همان پتانسیل شین منفی است که -U/2 است، و ولتاژ سکوی تنش تحمل‌شده توسط هر IGBT U/2 است، همانطور که در حلقه 2 نشان داده شده است.

• هنگامی که دومین IGBT روی بازوی پل فاز A-و دیود بستن بای پس در حال هدایت هستند، پل اینورتر فاز A در حالت چرخش آزاد A قرار دارد و پتانسیل در نقطه A همان نقطه وسط اتوبوس است که 0 است، همانطور که در حلقه 3 نشان داده شده است.

از سه مدار رسانای فاز A که در بالا توضیح داده شد، می توان فهمید که پتانسیل در نقطه A می تواند سه سطح داشته باشد: U/2، 0، و -U/2، بنابراین به آن حالت سه- سطح می گویند.².

2. توپولوژی سه سطح مشترک -

توپولوژی 2.1NPC1

توپولوژی NPC1 (خنثی - Point - Clamped) یکی از کلاسیک‌ترین توپولوژی‌های سه سطح - است. با بهینه سازی مسیر فعلی و مکانیسم تبدیل سطح صفر - توزیع ضرر را بهینه می کند و EMI را بهبود می بخشد.

در شرایط اینورتر، تلفات NPC1 عمدتاً در لوله‌های T1/T4 متمرکز می‌شوند، از جمله تلفات هدایت و تلفات سوئیچینگ. T2/T3 در حالت عادی باز است و افت عمدتاً از دست دادن هدایت است. D5/D6 در طول کموتاسیون هدایت می شود و تلفات آن شامل تلفات هدایت و تلفات بازیابی معکوس است.

در شرایط یکسوسازی، تلفات عمدتاً در لوله‌های D1/D4 و لوله‌های T2/T3 متمرکز می‌شوند. لوله‌های D1/D4 تلفات هدایت و تلفات بازیابی معکوس دارند، در حالی که لوله‌های T2/T3 تلفات هدایت و تلفات سوئیچینگ را در طول کموتاسیون ایجاد می‌کنند. در مقابل، لوله های D2/D3 و D5/D6 فقط تلفات هدایتی دارند.

2.2 توپولوژی NPC2

توپولوژی NPC2 یک بهبود بر اساس توپولوژی NPC1 است. در NPC2، یک جفت IGBT با امیترها یا کلکتورهای مشترک و دیودهای موازی ضد - برای جایگزینی دیودهای گیره در NPC1 استفاده می‌شود و تعداد دیودها را دو عدد کاهش می‌دهد. در NPC2، لوله های T1/T4 ولتاژ باس کامل را تحمل می کنند و لوله های T2/T3 نیمی از ولتاژ باس را تحمل می کنند.

در شرایط اینورتر، در نیمه مثبت چرخه -، T2 به طور معمول باز می ماند، و T1 و D3 تغییر می کنند. در نیم چرخه منفی -، T3 به ​​طور معمول باز می ماند و T4 و D2 جابجا می شوند.

در شرایط یکسوسازی، فرآیند کموتاسیون نیز مشابه NPC1 است، اما به دلیل ساختار متفاوت قسمت گیره، توزیع تلفات با NPC1 متفاوت است. به طور کلی، در محدوده فرکانس سوئیچینگ متوسط ​​- و - پایین -، تلفات کل توپولوژی NPC2 کمتر از توپولوژی NPC1 است.

2.3 توپولوژی ANPC

توپولوژی ANPC (فعال خنثی - Point - Clamped) با جایگزینی دیودهای بستن در NPC1 با IGBT و ضد - دیودهای موازی تشکیل می‌شود. دو مسیر کموتاسیون سطح صفر - را گسترش می‌دهد و از طریق انتخاب و کنترل مسیرهای کموتاسیون سطح صفر -، توزیع تلفات متعادل‌تر و اندوکتانس سرگردان حلقه کموتاسیون کوچک‌تر می‌شود.³.

3. روش های کنترل سه اینورتر سطح -

3.1 کنترل ولتاژ

3.1.1 DC - کنترل ولتاژ جانبی

در یک سیستم تولید برق فتوولتائیک، حفظ پایداری ولتاژ جانبی DC - اینورتر ضروری است. ولتاژ جانبی DC - عمدتاً توسط پانل های فتوولتائیک تأمین می شود. به دلیل تأثیر عواملی مانند شدت نور و دما، ولتاژ خروجی پنل های فتوولتائیک دچار نوسان می شود. بنابراین، یک استراتژی کنترل ولتاژ جانبی DC - مورد نیاز است. روش‌های رایج شامل استفاده از مبدل تقویت کننده یا مبدل تقویتی - دلاری در جلوی اینورتر برای تنظیم ولتاژ جانبی DC - به یک مقدار پایدار است. به عنوان مثال، هنگامی که ولتاژ خروجی پانل های فتوولتائیک کمتر از مقدار مورد نیاز است، مبدل تقویت کننده می تواند ولتاژ را افزایش دهد. وقتی بالاتر است، مبدل تقویتی باک - می‌تواند ولتاژ را در سطح مناسب تنظیم کند.

3.1.2 میانه - کنترل پتانسیل نقطه

در سه مبدل سطح -، نوسانات پتانسیل نقطه میانی - یک مشکل رایج است، به خصوص در توپولوژی های نوع NPC -. نوسانات پتانسیل نقطه اواسط - بر کیفیت شکل موج ولتاژ خروجی و قابلیت اطمینان دستگاه تأثیر می گذارد. روش های زیادی برای کنترل پتانسیل نقطه میانی - وجود دارد. یکی از روش ها اضافه کردن یک جزء حالت معمولی - به سیگنال مدولاسیون است. به عنوان مثال، در روش مدولاسیون عرض پالس سینوسی (SPWM)، یک ولتاژ حالت معمولی خاص به ولتاژ مرجع اضافه می‌شود تا زمان شارژ و دشارژ خازن نقطه میانی - تنظیم شود تا پایداری نقطه میانی - حفظ شود. روش دیگر استفاده از یک سیستم کنترل بازخورد برای تشخیص پتانسیل نقطه میانی - و تنظیم وضعیت های سوئیچینگ اینورتر با توجه به انحراف برای رسیدن به تعادل پتانسیل نقطه میانی - است.⁴.

3.2 کنترل جریان

3.2.1 شبکه - کنترل جریان متصل

برای اینورترهای فتوولتائیک متصل به شبکه -، لازم است اطمینان حاصل شود که جریان خروجی در فرکانس و فاز یکسانی با ولتاژ شبکه است. این از طریق یک استراتژی کنترل جریان متصل به شبکه - حاصل می شود. یک روش متداول استفاده از فاز - حلقه قفل شده (PLL) برای همگام سازی جریان خروجی با ولتاژ شبکه است. PLL می تواند به سرعت و با دقت فرکانس و فاز ولتاژ شبکه را ردیابی کند. بر اساس خروجی PLL، یک کنترل کننده جریان طراحی شده است، مانند یک کنترل کننده انتگرال (PI) متناسب - یا یک کنترل کننده رزونانس متناسب - (PR). کنترل‌کننده جریان ولتاژ خروجی اینورتر را با توجه به انحراف بین جریان مرجع و جریان خروجی واقعی تنظیم می‌کند تا اطمینان حاصل شود که جریان خروجی مطابق با الزامات اتصال به شبکه - است.

3.2.2 کنترل هارمونیک جریان خروجی

علاوه بر اطمینان از فرکانس و فاز یکسان با ولتاژ شبکه، کنترل محتوای هارمونیک جریان خروجی نیز ضروری است. همانطور که در بالا ذکر شد، سه اینورتر سطح - محتوای هارمونیک جریان خروجی کمتری نسبت به دو مبدل سطح - دارند، اما در برخی از سناریوهای کاربردی دقیق -، کنترل هارمونیک بیشتری همچنان مورد نیاز است. این را می توان با بهینه سازی استراتژی مدولاسیون به دست آورد. به عنوان مثال، استفاده از مدولاسیون عرضی فاصله - پالس برداری - (SVPWM) به جای SPWM سنتی می‌تواند محتوای هارمونیک جریان خروجی را کاهش دهد. علاوه بر این، برخی از الگوریتم‌های کنترل پیشرفته، مانند تغذیه هارمونیک - کنترل رو به جلو و چند - کنترل جبران هارمونیک نیز می‌توانند برای کاهش بیشتر محتوای هارمونیک جریان خروجی استفاده شوند.⁵.

4. مزایای سه اینورتر سطح - در مقایسه با دو اینورتر سطح -

4.1 شکل موج خروجی ولتاژ

خروجی شکل موج ولتاژ توسط مدار اینورتر دو سطح-:

خروجی شکل موج ولتاژ توسط یک مدار اینورتر سه سطح-:

اصل اساسی یک اینورتر سه سطحی این است که از چندین سطح برای سنتز یک موج پله برای تقریب ولتاژ خروجی سینوسی استفاده شود. به دلیل داشتن یک سطح خروجی اضافی در مقایسه با یک اینورتر-دو سطحی، موج PWM خروجی آن به شکل موج سینوسی نزدیک‌تر است. دو شکل بالا مقایسه ای از خروجی شکل موج PWM توسط دو اینورتر-سطح و سه-سطح است. به طور شهودی می توان تشخیص داد که خروجی شکل موج PWM توسط اینورتر سه سطحی به سینوسی نزدیک تر است و محتوای ریپل کمتری دارد.⁶.

4.2 از دست دادن سوئیچینگ

در یک مدار اینورتر سه سطح-، ولتاژ باس DC U توسط دو IGBT مشترک است. ولتاژ تحمل شده توسط هر IGBT در بازوی پل نصف ولتاژ ورودی در سمت DC، U/2 است. در یک مدار اینورتر دو سطحی، فقط یک IGBT ولتاژ باس DC را تحمل می کند و ولتاژ تحمل شده توسط هر IGBT روی بازوی پل، مستقیماً ولتاژ ورودی در سمت DC، یعنی U است. بنابراین، در یک مدار اینورتر سه سطح -، IGBT ولتاژ دو ولتاژ ابتدایی را تحمل می کند. انتهای نوبت-خاموش است. این نشان می‌دهد که تلفات سوئیچینگ در سه سطح-IGBT بسیار کمتر از دو-سطح یک است.⁷.

4.3 فرکانس بالا

IGBT های ولتاژ بالا تحت تأثیر سطح ولتاژ کاربردی قرار می گیرند، که مشخص می کند فرکانس سوئیچینگ و سرعت سوئیچینگ آنها بسیار کمتر از IGBT های ولتاژ پایین- است. با این حال، سیستم سه سطح-کاربرد فرکانس بالا-IGBT های ولتاژ پایین-را امکان پذیر می کند. در مقایسه با فیلترهای توان فعال، سطح فرکانس سوئیچینگ مستقیماً نه تنها سرعت جبران، بلکه عرض محدوده فرکانس جبران قابل دستیابی را نیز منعکس می کند. هر چه باند فرکانسی که فرکانس سوئیچینگ در آن قرار دارد بالاتر باشد، هرچه باند فرکانس فیلتری که فیلتر می تواند برای پیاده سازی انتخاب کند وسیع تر باشد، باید باریک تر باشد. برعکس، هرچه باید باریکتر باشد⁸.

4.4 مقایسه کمی

تکامل خط تولید SMA دلیل خوبی است.

• محصول فناوری دو سطح{{0}: سری Sunny Tripower.

• محصول فناوری سه سطح{{0}: سری Sunny Highpower.

از داده‌های دو نمودار بالا، می‌توان دریافت که حداکثر بازده محصولات اینورتر فتوولتائیک با فناوری دو سطح 98.1% و راندمان در اروپا 97.8% است. حداکثر راندمان محصولات اینورتر فتوولتائیک با فناوری سه سطح می‌تواند به 99.1٪ برسد، در حالی که در اروپا می‌تواند به 98.8٪ برسد. با مقایسه این دو، می توان دریافت که کارایی محصولات فناوری سه سطح- 1% افزایش یافته است.⁹.

5. روند توسعه آینده

5.1 ادغام با مواد نیمه هادی جدید

با توسعه فناوری نیمه هادی، مواد نیمه هادی جدید مانند کاربید سیلیکون (SiC) و نیترید گالیم (GaN) به تدریج در اینورترها اعمال می شوند. این مواد دارای تحرک الکترون بالاتر، ولتاژ شکست بالاتر و مقاومت کمتری نسبت به مواد سیلیکونی سنتی هستند. ادغام فناوری اینورتر سه سطح - با مواد نیمه هادی جدید می تواند عملکرد اینورترها را بیشتر بهبود بخشد. به عنوان مثال، استفاده از ماسفت‌های SiC در سه اینورتر سطح - می‌تواند تلفات سوئیچینگ و افت هدایت دستگاه‌ها را کاهش دهد، راندمان اینورتر را بهبود بخشد و فرکانس سوئیچینگ را افزایش دهد که منجر به کاهش بیشتر اندازه و وزن اینورتر و بهبود چگالی توان آن می‌شود.

5.2 هوشمندسازی و دیجیتالی شدن

در آینده، سه اینورتر سطح - هوشمندتر و دیجیتالی خواهند شد. با توسعه فناوری میکروالکترونیک و فناوری کنترل دیجیتال، اینورترها می توانند به کنترلرها و سنسورهای دیجیتال پیشرفته تری مجهز شوند. این کنترل‌کننده‌های دیجیتال می‌توانند الگوریتم‌های کنترلی پیچیده‌تری مانند کنترل تطبیقی، کنترل پیش‌بینی و تشخیص خطا و کنترل خودکار - را پیاده‌سازی کنند. حسگرها می توانند وضعیت عملکرد اینورتر را در زمان واقعی - نظارت کنند، مانند دما، ولتاژ، جریان و وضعیت سلامت دستگاه. اینورتر از طریق الگوریتم‌های هوشمند و نظارت بر زمان واقعی - می‌تواند پارامترهای عملیاتی خود را با توجه به وضعیت واقعی تنظیم کند، کارایی و قابلیت اطمینان سیستم را بهبود بخشد و نظارت از راه دور و مدیریت هوشمند را تحقق بخشد.

5.3 برنامه های کاربردی ولتاژ و توان بالاتر -

همانطور که مقیاس تولید برق فتوولتائیک همچنان در حال گسترش است، تقاضا برای اینورترهای برق - با ولتاژ بالاتر و - بیشتر نیز افزایش می‌یابد. فناوری اینورتر سه سطح - پتانسیل پاسخگویی به این تقاضا را دارد. با بهینه سازی توپولوژی و استراتژی کنترل سه اینورتر سطح - و با استفاده از دستگاه های دارای رتبه - ولتاژ بالا، می توان ولتاژ و توان خروجی سه اینورتر سطح - را بیشتر افزایش داد. این موضوع برای نیروگاه‌های فتوولتائیک در مقیاس بزرگ و سیستم‌های تولید فتوولتائیک متصل با ولتاژ بالا و خط انتقال ولتاژ بالا، که می‌تواند تعداد اینورترهای مورد نیاز را کاهش دهد، ساختار سیستم را ساده کرده و هزینه کلی سیستم را کاهش دهد، اهمیت زیادی دارد.¹⁰.

1. Yu، Chengzhuo، 2023، کنترل یک اینورتر PWM 3 سطح برای سیستم‌های تولید فتوولتائیک متصل به شبکه{{2}.
2. Zhihu، توضیح برتری فناوری سه سطح-.
3. اصل مدار غیر{0}}شبکه‌ای، سه- و تحلیل توپولوژی مدار رایج.
4. علاقه مندان به الکترونیک، طرح طراحی اینورتر متصل-تیپ سه-شبکه فتوولتائیک سطح سه-.
5. تانگ، یائو، 2023، طراحی و کنترل اینورتر سه{1}}سطح T- درهم برای کاربردهای توان بالا.
6. علاقه مندان به الکترونیک، مقایسه مزایای سیستم های سه سطح- و دو سطح-.
7. CSDN، تفاوت بین -سطح و سه-سطح.
8. Baidu Wenku، مقایسه بین دو سطح-و سه-سطح.
9. SMA، داده های محصول از وب سایت رسمی SMA.
10. Qitian Power، اینورتر موازی توپولوژی سه سطح-.