İnvertörler, fotovoltaik enerji üretim sistemlerinde, fotovoltaik paneller tarafından üretilen doğru akımı (DC), şebeke bağlantısı veya yük kullanımına uygun alternatif akıma (AC) dönüştürerek çok önemli bir rol oynar. İnvertör teknolojisinin gelişimi, daha yüksek verimlilik, daha iyi güç kalitesi ve daha düşük maliyet gereksinimlerini karşılamak için sürekli olarak gelişmektedir. Üç - seviyeli invertör teknolojisi bu alandaki önemli gelişmelerden biridir.
İnvertörlerdeki seviye kavramı, sinyal iletimi veya enerji dönüşümü için kullanılan voltaj seviyesini ifade eder. İki - seviyeli bir invertör, yüksek ve düşük olmak üzere yalnızca iki voltaj seviyesine sahiptir; bu, tasarımı basit olup düşük - maliyetli uygulamalar için uygundur. Bununla birlikte, üç - seviyeli invertör, bir voltaj orta - noktası sunarak üç voltaj seviyesi sağlar; bu da daha hassas voltaj kontrolüne olanak tanır ve sistem düzeyinde birçok önemli avantaja sahiptir.1.
1.Üç-seviyeli teknolojinin anlamı
1980'lerde Japon bilim adamı Nabae, diyot kenetlemeyi temel alan üç-seviyeli bir invertör devresi önerdi. Tipik topolojik yapısı aşağıdaki şekilde gösterilmektedir. Tüm invertör devresinin her bir köprü kolu 4 Yalıtımlı Geçit Bipolar Transistör (IGBT) ve 6 diyottan oluşur.
Her ne kadar üç-seviyeli devre, yalnızca yüksek ve düşük seviyelerin çıktısını verebilen geleneksel iki-seviyeli invertör devresiyle karşılaştırıldığında topoloji açısından nispeten daha karmaşık olsa da, bu yeni invertör devresi, üst ve alt tüplerin açılması yoluyla yüksek ve düşük seviyelerin çıktısını-alabilir ve ara diyodun kenetleme etkisi yoluyla sıfır seviye çıkışı verebilir ve toplamda üç seviye durumu elde edebilir. Bu nedenle buna üç-seviyeli evirici devresi denir.
Üç seviyenin özel anlamını kısaca açıklamak için aşağıdaki şekildeki Faz A'nın invertör köprü kolunun orta noktasındaki potansiyel değişikliği örnek olarak alın.
- A-fazı köprü kolundaki iki IGBT iletken olduğunda, A noktasındaki potansiyel U/2 olan pozitif veriyolununkiyle aynıdır. Her bir IGBT'nin taşıdığı stres platformu voltajı, Döngü 1'de gösterildiği gibi U/2'dir.
- A-fazı köprü kolunun alt köprü kolunun iki IGBT'si iletken olduğunda, A noktasındaki potansiyel, -U/2 olan negatif veri yolu potansiyeli ile aynıdır ve döngü 2'de gösterildiği gibi her bir IGBT'nin dayandığı stres platformu voltajı U/2'dir.
- A-fazı köprü kolundaki ikinci IGBT ve baypas kenetleme diyotu iletken olduğunda, A-fazı evirici köprüsü A serbest dönüş durumundadır ve A noktasındaki potansiyel, döngü 3'te gösterildiği gibi veriyolunun orta noktası olan 0 ile aynıdır.
Yukarıda açıklanan A fazının üç iletken devresinden, A noktasındaki potansiyelin üç seviye sunabileceği bilinebilir: U/2, 0 ve -U/2, dolayısıyla buna üç-seviyeli durum adı verilir2.
2.Ortak Üç - Düzey Topolojisi
2.1NPC1 Topolojisi
NPC1 (Nötr - Nokta - Kelepçeli) topolojisi, en klasik üç - seviyeli topolojilerden biridir. Kayıp dağılımını optimize eder ve mevcut yolu ve sıfır - seviyeli dönüşüm mekanizmasını optimize ederek EMI'yi iyileştirir.
İnverter koşulları altında NPC1'in kayıpları, iletim kayıpları ve anahtarlama kayıpları dahil olmak üzere esas olarak T1/T4 tüplerinde yoğunlaşır. T2/T3 normalde açık durumdadır ve kayıp esas olarak iletim kaybıdır. D5/D6, komütasyon sırasında iletim yapar ve kayıpları, iletim kayıplarını ve ters toparlanma kayıplarını içerir.
Düzeltme koşulları altında kayıplar çoğunlukla D1/D4 tüplerinde ve T2/T3 tüplerinde yoğunlaşır. D1/D4 tüplerinde iletim kayıpları ve ters iyileşme kayıpları bulunurken, T2/T3 tüplerinde komütasyon sırasında iletim kayıpları ve anahtarlama kayıpları meydana gelir. Buna karşılık D2/D3 ve D5/D6 tüplerinde yalnızca iletim kayıpları vardır.
2.2 NPC2 Topolojisi
NPC2 topolojisi, NPC1 topolojisine dayanan bir gelişmedir. NPC2'de, NPC1'deki kenetleme diyotlarını değiştirmek için ortak emitörlere veya toplayıcılara ve anti - paralel diyotlara sahip bir çift IGBT kullanılır ve diyot sayısı iki katına çıkarılır. NPC2'de T1/T4 tüpleri tam veri yolu voltajını taşır ve T2/T3 tüpleri veri yolu voltajının yarısını taşır.
Evirici durumunda, pozitif yarım - döngüsünde, T2 normalde açık kalır ve T1 ile D3 değişir; negatif yarım - döngüsünde, T3 normalde açık kalır ve T4 ile D2 değişir.
Düzeltme durumunda komütasyon süreci de NPC1'inkine benzer ancak kenetleme parçasının farklı yapısından dolayı kayıp dağılımı NPC1'inkinden farklıdır. Genellikle orta - ve düşük - anahtarlama - frekans aralığında, NPC2 topolojisinin toplam kaybı, NPC1 topolojisininkinden daha düşüktür.
2.3ANPC Topolojisi
ANPC (Aktif Nötr - Nokta - Kelepçeli) topolojisi, NPC1'deki kenetleme diyotlarının IGBT'ler ve anti - paralel diyotlarla değiştirilmesiyle oluşturulur. İki sıfır - seviyeli geçiş yolunu genişletir ve sıfır - seviyeli geçiş yollarının seçimi ve kontrolü aracılığıyla, daha dengeli kayıp dağılımı ve daha küçük geçiş döngüsü başıboş endüktans elde edilebilir3.
3.Üç - Seviye İnverterin Kontrol Yöntemleri
3.1 Gerilim Kontrolü
3.1.1DC - Tarafı Gerilim Kontrolü
Fotovoltaik enerji üretim sisteminde invertörün DC - tarafı voltajının kararlılığını korumak gerekir. DC - tarafı voltajı esas olarak fotovoltaik paneller tarafından sağlanır. Işık yoğunluğu ve sıcaklık gibi faktörlerin etkisi nedeniyle fotovoltaik panellerin çıkış voltajı dalgalanacaktır. Bu nedenle DC - tarafı gerilim kontrol stratejisine ihtiyaç vardır. Yaygın olarak kullanılan yöntemler arasında, DC - tarafı voltajını sabit bir değere ayarlamak için eviricinin önünde bir yükseltici dönüştürücü veya bir düşürücü - yükseltici dönüştürücünün kullanılması yer alır. Örneğin fotovoltaik panellerin çıkış voltajı gereken değerden düşük olduğunda boost dönüştürücü voltajı artırabilir; daha yüksek olduğunda, Buck - yükseltme dönüştürücüsü voltajı uygun seviyeye ayarlayabilir.
3.1.2Orta - Nokta Potansiyel Kontrolü
Üç - seviyeli eviricilerde, orta - nokta potansiyel dalgalanması, özellikle NPC - tipi topolojilerde yaygın bir sorundur. Orta - nokta potansiyel dalgalanması, çıkış voltajı dalga biçimi kalitesini ve cihazın güvenilirliğini etkileyecektir. Orta - nokta potansiyelini kontrol etmenin birçok yöntemi vardır. Bir yöntem, modülasyon sinyaline ortak bir - mod bileşeni eklemektir. Örneğin, sinüzoidal darbe - genişlik modülasyonu (SPWM) yönteminde, orta - nokta kapasitörünün şarj ve deşarj süresini ayarlamak ve böylece orta - nokta potansiyelinin kararlılığını korumak için referans voltajına belirli bir ortak - mod voltajı eklenir. Diğer bir yöntem ise orta - nokta potansiyelini tespit etmek için bir geri besleme kontrol sistemi kullanmak ve orta - nokta potansiyel dengesini elde etmek için invertörün anahtarlama durumlarını sapmaya göre ayarlamaktır.4.
3.2 Akım Kontrolü
3.2.1Şebeke - Bağlı Akım Kontrolü
Şebekeye - bağlı fotovoltaik invertörler için çıkış akımının şebeke gerilimi ile aynı frekans ve fazda olmasını sağlamak gerekir. Bu, ızgaraya - bağlı bir akım kontrol stratejisi aracılığıyla gerçekleştirilir. Yaygın bir yöntem, çıkış akımını şebeke voltajıyla senkronize etmek için bir faz - kilitli döngü (PLL) kullanmaktır. PLL, şebeke voltajının frekansını ve fazını hızlı ve doğru bir şekilde izleyebilir. PLL'nin çıkışına bağlı olarak, oransal - integral (PI) kontrolör veya orantısal - rezonans (PR) kontrolör gibi bir akım kontrolörü tasarlanmıştır. Akım kontrol cihazı, çıkış akımının şebeke - bağlantı gereksinimlerini karşıladığından emin olmak için, referans akımı ile gerçek çıkış akımı arasındaki sapmaya göre invertörün çıkış voltajını ayarlar.
3.2.2Çıkış Akımı Harmonik Kontrolü
Şebeke gerilimi ile aynı frekans ve fazın sağlanmasının yanı sıra çıkış akımının harmonik içeriğinin de kontrol edilmesi gerekmektedir. Yukarıda bahsedildiği gibi, üç - seviyeli invertör, iki - seviyeli invertörden daha düşük çıkış akımı harmonik içeriğine sahiptir, ancak bazı yüksek - hassas uygulama senaryolarında, daha fazla harmonik kontrolüne hala ihtiyaç vardır. Bu, modülasyon stratejisinin optimize edilmesiyle başarılabilir. Örneğin, geleneksel SPWM yerine uzay - vektör darbesi - genişlik modülasyonunun (SVPWM) kullanılması, çıkış akımının harmonik içeriğini azaltabilir. Ayrıca, çıkış akımının harmonik içeriğini daha da azaltmak için harmonik besleme - ileri kontrolü ve çoklu - harmonik kompanzasyon kontrolü gibi bazı gelişmiş kontrol algoritmaları da kullanılabilir.5.
4. Üç - Seviye İnvertörün İki - Seviye İnvertörle Karşılaştırıldığında Avantajları
4.1 Gerilim çıkışı dalga biçimi
İki-seviyeli invertör devresinin voltaj dalga biçimi çıkışı:
Üç-seviyeli bir invertör devresinin voltaj dalga biçimi çıkışı:
Üç-seviyeli bir invertörün temel prensibi, sinüzoidal bir çıkış voltajına yaklaşmak amacıyla bir adım dalgasını sentezlemek için birden fazla seviye kullanmaktır. İki-seviyeli bir invertöre kıyasla ek bir çıkış seviyesine sahip olması nedeniyle, çıkardığı PWM dalgası sinüzoidal bir dalga biçimine daha yakındır. Yukarıdaki iki şekil, iki-seviyeli ve üç-seviyeli invertörler tarafından çıkan PWM dalga biçimlerinin bir karşılaştırmasıdır. Üç-seviyeli invertörün PWM dalga biçimi çıkışının sinüse daha yakın olduğu ve daha az dalgalanma içeriğine sahip olduğu sezgisel olarak ayırt edilebilir6.
4.2 Anahtarlama Kaybı
Üç-seviyeli bir evirici devresinde, DC bara gerilimi U iki IGBT tarafından paylaşılır. Köprü kolundaki her bir IGBT tarafından taşınan voltaj, DC tarafındaki giriş voltajının (U/2) yarısı kadardır. İki-seviyeli bir invertör devresinde, yalnızca bir IGBT DC bara voltajını taşır ve köprü kolundaki her IGBT tarafından taşınan voltaj, doğrudan DC tarafındaki giriş voltajıdır, yani U. Bu nedenle, üç-seviyeli bir invertör devresinde, IGBT, iletimin başlangıcında ve kapanmanın{- sonunda iki-birinci seviyenin voltajının yarısını taşır. Bu, üç-seviyeli IGBT'nin anahtarlama kaybının, iki-seviyeli IGBT'nin anahtarlama kaybından çok daha küçük olduğunu belirler7.
4.3 Yüksek Frekans
Yüksek-gerilimli IGBT'ler, anahtarlama frekansının ve anahtarlama hızının düşük-gerilimli IGBT'lerinkinden çok daha küçük olduğunu belirleyen uygulama voltaj seviyesinden etkilenir. Bununla birlikte, üç-seviyeli sistem, düşük-gerilimli IGBT'lerin yüksek-frekanslı uygulamasını sağlar. Aktif güç filtreleriyle karşılaştırıldığında, anahtarlama frekansı seviyesi doğrudan yalnızca dengeleme hızını değil aynı zamanda ulaşılabilir dengeleme frekans aralığının genişliğini de yansıtır. Anahtarlama frekansının bulunduğu frekans bandı ne kadar yüksek olursa, bir filtrenin uygulamak için seçebileceği filtreleme frekans bandı ne kadar geniş olursa, o kadar dar olmalıdır; tersine, daha dar olmalıdır8.
4.4 Nicel Karşılaştırma
SMA'nın ürün serisinin gelişimi bunun iyi bir kanıtıdır.
- İki-düzeyli teknoloji ürünü: Sunny Tripower Serisi.
- Üç-seviyeli teknoloji ürünü: Sunny Highpower Serisi.
Yukarıdaki iki grafikteki verilerden, iki-teknolojili fotovoltaik invertör ürünlerinin maksimum verimliliğinin %98,1, Avrupa'daki verimliliğinin ise %97,8 olduğu elde edilebilir. Üç-teknolojili fotovoltaik invertör ürünlerinin maksimum verimliliği %99,1'e ulaşırken, Avrupa'da bu oran %98,8 olabiliyor. İkisini karşılaştırarak, üç-düzey teknoloji ürününün verimliliğinin %1 arttığı bulunabilir9.
5.Geleceğin Gelişim Trendleri
5.1 Yeni Yarı İletken Malzemelerle Entegrasyon
Yarı iletken teknolojisinin gelişmesiyle birlikte silikon karbür (SiC) ve galyum nitrür (GaN) gibi yeni yarı iletken malzemeler yavaş yavaş invertörlere uygulanıyor. Bu malzemeler geleneksel silikon malzemelere göre daha yüksek elektron hareketliliğine, daha yüksek kırılma voltajına ve daha düşük - direncine sahiptir. Üç - seviyeli invertör teknolojisinin yeni yarı iletken malzemelerle entegre edilmesi, invertörlerin performansını daha da artırabilir. Örneğin, üç - seviyeli invertörlerde SiC MOSFET'lerin kullanılması, cihazların anahtarlama kaybını ve iletim kaybını azaltabilir, invertörün verimliliğini artırabilir ve anahtarlama frekansını artırabilir; bu da invertörün boyutunu ve ağırlığını daha da azaltmaya ve güç yoğunluğunu iyileştirmeye yardımcı olur.
5.2 Akıllılaştırma ve Dijitalleştirme
Gelecekte üç - seviyeli invertör daha akıllı ve dijitalleştirilmiş olacak. Mikroelektronik teknolojisinin ve dijital kontrol teknolojisinin gelişmesiyle birlikte invertörler daha gelişmiş dijital kontrolörler ve sensörlerle donatılabilir. Bu dijital denetleyiciler, uyarlanabilir kontrol, tahmine dayalı kontrol ve arıza - teşhisi ve kendi kendine - onarım kontrolü gibi daha karmaşık kontrol algoritmalarını uygulayabilir. Sensörler, sıcaklık, voltaj, akım ve cihazın sağlık durumu gibi invertörün çalışma durumunu gerçek - zamanlı olarak izleyebilir. Akıllı algoritmalar ve gerçek - zamanlı izleme sayesinde invertör, çalışma parametrelerini fiili duruma göre ayarlayabilir, sistemin verimliliğini ve güvenilirliğini artırabilir ve uzaktan izleme ve akıllı yönetimi gerçekleştirebilir.
5.3 Daha Yüksek - Gerilim ve Daha Yüksek - Güç Uygulamaları
Fotovoltaik enerji üretiminin ölçeği genişlemeye devam ettikçe, daha yüksek - voltaja ve daha yüksek - güç çeviricilere olan talep de artıyor. Üç - seviyeli invertör teknolojisi bu talebi karşılayabilecek potansiyele sahiptir. Üç - seviyeli invertörün topolojisini ve kontrol stratejisini optimize ederek ve yüksek - voltajlı - dereceli cihazları kullanarak, üç - seviyeli invertörün çıkış voltajı ve gücü daha da artırılabilir. Bu, büyük - ölçekli fotovoltaik enerji santralleri ve yüksek - gerilim - iletim - hat - bağlı fotovoltaik üretim sistemleri için büyük önem taşır; bu, gereken invertör sayısını azaltabilir, sistem yapısını basitleştirebilir ve sistemin genel maliyetini azaltabilir.10.
- Yu, Chengzhuo, 2023, Şebekeye bağlı fotovoltaik üretim sistemleri için 3 seviyeli PWM invertörün kontrolü.
- Zhihu, Üç-seviyeli teknolojinin üstünlüğünün açıklaması.
- Ağ-dışı, Üç-seviyeli devre ilkesi ve ortak devre topolojisi analizi.
- Elektronik meraklısı, T-tipi-üç seviyeli fotovoltaik şebekeye-bağlı invertör tasarım şeması.
- Tang, Yao, 2023, Yüksek güçlü uygulamalar için aralıklı üç-seviyeli T-tipi invertörün tasarımı ve kontrolü.
- Elektronik meraklısı, Üç-seviyeli ve iki-seviyeli sistemlerin avantajlarının karşılaştırılması.
- CSDN, İki-seviye ile üç-seviye arasındaki fark.
- Baidu Wenku, İki-seviye ile üç-seviye arasındaki karşılaştırma.
- SMA, SMA'nın resmi web sitesinden ürün verileri.
- Qitian Power, Üç-seviyeli topolojiye sahip paralel invertör.
