Els inversors tenen un paper crucial en els sistemes de generació d'energia fotovoltaica, convertint el corrent continu (DC) generat pels panells fotovoltaics en corrent altern (AC) adequat per a la connexió a la xarxa o l'ús de càrrega. El desenvolupament de la tecnologia de l'inversor ha estat en constant evolució per satisfer els requisits de major eficiència, millor qualitat d'energia i menor cost. La tecnologia d'inversor de tres - nivells és un dels avenços importants en aquest camp.
El concepte de nivell dels inversors fa referència al nivell de tensió utilitzat per a la transmissió del senyal o la conversió d'energia. Un inversor de dos - nivells només té dos nivells de tensió, alt i baix, que és de disseny senzill i adequat per a aplicacions de baix cost -. No obstant això, tres inversors de nivell - introdueixen un punt mitjà de tensió -, proporcionant tres nivells de tensió, que permet un control de tensió més fi i té diversos avantatges significatius a nivell de sistema1.
1.El significat de la tecnologia de tres-nivells
A la dècada de 1980, l'estudiós japonès Nabae va proposar un circuit inversor de tres-nivells basat en la fixació de díodes. La seva estructura topològica típica es mostra a la figura següent. Cada braç de pont de tot el circuit inversor es compon de 4 transistors bipolars de porta aïllada (IGBT) i 6 díodes.
Tot i que el circuit de tres-nivells és relativament més complex en la topologia, en comparació amb el circuit inversor tradicional de dos-nivells que només pot produir nivells alts i baixos, aquest nou circuit inversor pot produir nivells alts i baixos mitjançant l'encesa-dels tubs superior i inferior, i produir un nivell zero mitjançant l'efecte de fixació dels estats de tres nivells intermedis. Per tant, s'anomena circuit inversor de tres-nivells.
Preneu el canvi potencial al punt mitjà del braç del pont inversor de la Fase A a la figura següent com a exemple per descriure breument el significat específic dels tres nivells.
- Quan els dos IGBT del braç del pont de fase A-condueixen, el potencial al punt A és el mateix que el del bus positiu, que és U/2. La tensió de la plataforma d'estrès que suporta cada IGBT és U/2, tal com es mostra al bucle 1.
- Quan els dos IGBT del braç del pont inferior del braç del pont A-fase estan conduint, el potencial al punt A és el mateix que el potencial del bus negatiu, que és -U/2, i la tensió de la plataforma d'estrès suportada per cada IGBT és U/2, tal com es mostra al bucle 2.
- Quan el segon IGBT del braç del pont de fase A-i el díode de subjecció del bypass estan conduint, el pont inversor de fase A- es troba en un estat de roda lliure A i el potencial al punt A és el mateix que el del punt mitjà del bus, que és 0, tal com es mostra al bucle 3.
A partir dels tres circuits conductors de la fase A descrits anteriorment, es pot saber que el potencial en el punt A pot presentar tres nivells: U/2, 0 i -U/2, per tant s'anomena estat de tres-nivells.2.
2.Topologies comunes de tres - nivells
2.1 NPC1 Topologia
La topologia NPC1 (Neutral - Point - Clamped) és una de les topologies de tres - nivells més clàssiques. Optimitza la distribució de pèrdues i millora l'EMI optimitzant el camí actual i el mecanisme de conversió de nivell zero -.
En condicions d'inversor, les pèrdues de NPC1 es concentren principalment als tubs T1/T4, incloses les pèrdues de conducció i les pèrdues de commutació. T2/T3 es troba en estat normalment obert, i la pèrdua és principalment pèrdua de conducció. D5/D6 condueix durant la commutació i les seves pèrdues inclouen pèrdues de conducció i pèrdues de recuperació inversa.
En condicions de rectificació, les pèrdues es concentren principalment en tubs D1/D4 i tubs T2/T3. Els tubs D1/D4 tenen pèrdues de conducció i pèrdues de recuperació inversa, mentre que els tubs T2/T3 generen pèrdues de conducció i pèrdues de commutació durant la commutació. En canvi, els tubs D2/D3 i D5/D6 només tenen pèrdues de conducció.
2.2 Topologia NPC2
La topologia NPC2 és una millora basada en la topologia NPC1. A l'NPC2, s'utilitzen un parell d'IGBT amb emissors o col·lectors comuns i díodes anti{4}} paral·lels per substituir els díodes de fixació de l'NPC1, reduint el nombre de díodes en dos. A NPC2, els tubs T1/T4 suporten la tensió completa del bus, i els tubs T2/T3 porten la meitat de la tensió del bus.
En la condició d'inversor, a la meitat del cicle positiu -, T2 roman normalment obert, i T1 i D3 es commuta; en el cicle mitjà negatiu -, T3 roman normalment obert, i T4 i D2 es commuta.
En la condició de rectificació, el procés de commutació també és similar al de NPC1, però a causa de la diferent estructura de la part de subjecció, la distribució de pèrdues és diferent de la de NPC1. En general, a l'interval de freqüència de commutació - mitjà i baix - -, la pèrdua total de la topologia NPC2 és inferior a la de la topologia NPC1.
2.3 Topologia ANPC
La topologia ANPC (Active Neutral - Point - Clamped) es forma substituint els díodes de fixació a NPC1 per IGBT i díodes anti- paral·lels. Amplia dos camins de commutació de nivell zero - i, mitjançant la selecció i control dels camins de commutació de nivell zero -, es pot aconseguir una distribució de pèrdues més equilibrada i una inductància dispersa de bucle de commutació més petita.3.
3.Mètodes de control de tres inversors de nivell -
3.1 Control de voltatge
3.1.1DC - Control de voltatge lateral
En un sistema de generació d'energia fotovoltaica, cal mantenir l'estabilitat de la tensió lateral de CC - de l'inversor. La tensió lateral de CC - la proporcionen principalment els panells fotovoltaics. A causa de la influència de factors com la intensitat de la llum i la temperatura, la tensió de sortida dels panells fotovoltaics fluctuarà. Per tant, cal una estratègia de control de voltatge lateral de CC -. Els mètodes que s'utilitzen habitualment inclouen l'ús d'un convertidor boost o un convertidor boost - davant de l'inversor per ajustar la tensió lateral DC - a un valor estable. Per exemple, quan la tensió de sortida dels panells fotovoltaics és inferior al valor requerit, el convertidor d'impuls pot augmentar la tensió; quan és més alt, el convertidor d'augment - pot ajustar la tensió al nivell adequat.
3.1.2 Control de potencial de - punt mitjà
En els inversors de tres nivells de -, la fluctuació potencial del punt mitjà de - és un problema comú, especialment en topologies de tipus NPC -. La fluctuació potencial del punt mitjà - afectarà la qualitat de la forma d'ona de la tensió de sortida i la fiabilitat del dispositiu. Hi ha molts mètodes per controlar el potencial de - punt mitjà. Un mètode és afegir un component de mode comú - al senyal de modulació. Per exemple, en el mètode de modulació d'amplada de pols - sinusoïdal (SPWM), s'afegeix una determinada tensió de mode comú - a la tensió de referència per ajustar el temps de càrrega i descàrrega del condensador de punt - mitjà, per tal de mantenir l'estabilitat del potencial de punt - mitjà. Un altre mètode és utilitzar un sistema de control de retroalimentació per detectar el potencial del punt mitjà - i ajustar els estats de commutació de l'inversor segons la desviació per aconseguir l'equilibri de potencial del punt mig -4.
3.2 Control de corrent
3.2.1Grid - Control de corrent connectat
Per als inversors fotovoltaics connectats a la xarxa -, cal assegurar-se que el corrent de sortida estigui a la mateixa freqüència i fase que la tensió de la xarxa. Això s'aconsegueix mitjançant una estratègia de control de corrent connectada a la xarxa -. Un mètode comú és utilitzar un bucle bloquejat de fase - (PLL) per sincronitzar el corrent de sortida amb la tensió de la xarxa. El PLL pot fer un seguiment ràpid i precís de la freqüència i la fase de la tensió de la xarxa. A partir de la sortida del PLL, es dissenya un controlador de corrent, com ara un controlador proporcional - integral (PI) o un controlador proporcional - ressonant (PR). El controlador de corrent ajusta la tensió de sortida de l'inversor segons la desviació entre el corrent de referència i el corrent de sortida real per assegurar-se que el corrent de sortida compleix els requisits de connexió de la xarxa -.
3.2.2 Control harmònic del corrent de sortida
A més d'assegurar la mateixa freqüència i fase que la tensió de la xarxa, també cal controlar el contingut harmònic del corrent de sortida. Com s'ha esmentat anteriorment, tres inversors de nivell - tenen un contingut harmònic de corrent de sortida més baix que dos inversors de nivell -, però en alguns escenaris d'aplicació d'alta precisió -, encara es necessita un control harmònic addicional. Això es pot aconseguir optimitzant l'estratègia de modulació. Per exemple, l'ús de la modulació d'amplada d'espai - pols vectorial - (SVPWM) en lloc de la SPWM tradicional pot reduir el contingut harmònic del corrent de sortida. A més, alguns algorismes de control avançats, com ara el control d'alimentació d'harmònics - cap endavant i el control de compensació d'harmònics - múltiples, també es poden utilitzar per reduir encara més el contingut harmònic del corrent de sortida5.
4. Avantatges dels inversors de tres nivells de - en comparació amb dos inversors de nivell de -
4.1 Forma d'ona de sortida de tensió
La forma d'ona de tensió que surt del circuit inversor de dos-nivells:
La forma d'ona de tensió que emet un circuit inversor de tres-nivells:
El principi bàsic d'un inversor de tres-nivells és utilitzar diversos nivells per sintetitzar una ona de pas per aproximar una tensió de sortida sinusoïdal. Com que té un nivell de sortida addicional en comparació amb un inversor de dos-nivells, l'ona PWM que emet és més propera a una forma d'ona sinusoïdal. Les dues figures anteriors són una comparació de la sortida de les formes d'ona PWM per inversors de dos-nivells i tres-nivells. Es pot distingir de manera intuïtiva que la sortida de la forma d'ona PWM de l'inversor de tres-nivells és més propera al sinusoidal i té menys contingut ondulat.6.
4.2 Pèrdua de commutació
En un circuit inversor de tres-nivells, la tensió U del bus de CC és compartida per dos IGBT. La tensió suportada per cada IGBT al braç del pont és la meitat de la tensió d'entrada al costat de CC, U/2. En un circuit inversor de dos-nivells, només un IGBT suporta la tensió del bus de CC, i la tensió suportada per cada IGBT al braç del pont és directament la tensió d'entrada al costat de CC, és a dir, U. Per tant, en un circuit inversor de tres-nivells, l'IGBT suporta la meitat de la tensió dels dos-nivells d'apagat i un al final de la conducció{7}. Això determina que la pèrdua de commutació de l'IGBT de tres-nivells és molt menor que la dels dos-nivells 17.
4.3 Alta freqüència
Els IGBT d'alta tensió-es veuen afectats pel nivell de tensió de l'aplicació, que determina que la seva freqüència i velocitat de commutació són molt més petites que les dels IGBT de baixa-tensió. Tanmateix, el sistema de tres-nivells permet l'aplicació d'alta-freqüència d'IGBT-de baixa tensió. En comparació amb els filtres de potència activa, el nivell de freqüència de commutació reflecteix directament no només la velocitat de compensació, sinó també l'amplada del rang de freqüència de compensació assolible. Com més gran sigui la banda de freqüència on es troba la freqüència de commutació, com més àmplia sigui la banda de freqüència de filtrat que un filtre pot seleccionar per implementar, més estreta hauria de ser; per contra, més estret hauria de ser8.
4.4 Comparació quantitativa
L'evolució de la línia de productes de SMA n'és una bona prova.
- Producte de tecnologia de dos-nivells: la sèrie Sunny Tripower.
- Producte de tecnologia de tres-nivells: Sunny Highpower Series.
A partir de les dades dels dos gràfics anteriors, es pot obtenir que l'eficiència màxima dels productes inversors fotovoltaics de tecnologia de dos-nivells és del 98,1% i l'eficiència a Europa és del 97,8%. L'eficiència màxima dels productes inversors fotovoltaics de tecnologia de tres-nivells pot arribar al 99,1%, mentre que a Europa pot arribar al 98,8%. En comparar els dos, es pot trobar que l'eficiència dels productes tecnològics de tres-nivells ha augmentat un 1%9.
5.Tendències de desenvolupament futur
5.1 Integració amb nous materials semiconductors
Amb el desenvolupament de la tecnologia de semiconductors, nous materials semiconductors com el carbur de silici (SiC) i el nitrur de gal·li (GaN) s'estan aplicant gradualment als inversors. Aquests materials tenen una mobilitat electrònica més alta, una tensió de ruptura més alta i una resistència - més baixa que els materials de silici tradicionals. La integració de la tecnologia d'inversor de tres nivells de - amb nous materials semiconductors pot millorar encara més el rendiment dels inversors. Per exemple, l'ús de MOSFET SiC en tres inversors de nivell - pot reduir la pèrdua de commutació i la pèrdua de conducció dels dispositius, millorar l'eficiència de l'inversor i augmentar la freqüència de commutació, cosa que ajuda a reduir encara més la mida i el pes de l'inversor i millorar la seva densitat de potència.
5.2 Intel·ligència i digitalització
En el futur, tres inversors de nivell - seran més intel·ligents i digitalitzats. Amb el desenvolupament de la tecnologia microelectrònica i la tecnologia de control digital, els inversors es poden equipar amb controladors i sensors digitals més avançats. Aquests controladors digitals poden implementar algorismes de control més complexos, com ara el control adaptatiu, el control predictiu i el diagnòstic d'errors - i el control de reparació automàtica -. Els sensors poden controlar l'estat de funcionament de l'inversor en temps real -, com ara la temperatura, la tensió, el corrent i l'estat de salut del dispositiu. Mitjançant algorismes intel·ligents i monitorització en temps real -, l'inversor pot ajustar els seus paràmetres de funcionament segons la situació real, millorar l'eficiència i la fiabilitat del sistema i realitzar un seguiment remot i una gestió intel·ligent.
5.3 Aplicacions de tensió - més alta i de potència - més alta
A mesura que l'escala de generació d'energia fotovoltaica continua creixent, la demanda d'inversors de voltatge - més alt i de potència - més alta també augmenta. La tecnologia d'inversor de tres nivells de - té el potencial de satisfer aquesta demanda. Mitjançant l'optimització de la topologia i l'estratègia de control de tres inversors de nivell - i utilitzant dispositius d'alta tensió - -, es poden augmentar encara més la tensió i la potència de sortida de tres inversors de nivell -. Això és de gran importància per a les centrals fotovoltaiques a gran escala - i els sistemes de generació fotovoltaica connectats a - voltatge - transmissió - línia -, que poden reduir el nombre d'inversors necessaris, simplificar l'estructura del sistema i reduir el cost global del sistema.10.
- Yu, Chengzhuo, 2023, Control d'un inversor PWM de 3 nivells per a sistemes de generació fotovoltaica connectats a la xarxa-.
- Zhihu, Explicació de la superioritat de la tecnologia de tres-nivells.
- Anàlisi del principi de circuit de tres-nivells i de la topologia del circuit comú sense-xarxa.
- Entusiasta de l'electrònica, esquema de disseny d'inversor connectat a la xarxa fotovoltaica-T-tipus tres-nivells.
- Tang, Yao, 2023, Disseny i control d'inversor de tres-nivell T- intercalat per a aplicacions d'alta potència.
- Entusiasta de l'electrònica, una comparació dels avantatges dels sistemes de tres-nivells i dos{1}}nivells.
- CSDN, la diferència entre dos-nivells i tres-nivells.
- Baidu Wenku, Comparació entre dos-nivells i tres-nivells.
- SMA, Dades del producte del lloc web oficial de SMA.
- Qitian Power, inversor paral·lel de topologia de tres-nivells.
