Gli inverter svolgono un ruolo cruciale nei sistemi di generazione di energia fotovoltaica, convertendo la corrente continua (CC) generata dai pannelli fotovoltaici in corrente alternata (CA) adatta per la connessione alla rete o l'utilizzo del carico. Lo sviluppo della tecnologia degli inverter è in continua evoluzione per soddisfare i requisiti di maggiore efficienza, migliore qualità dell’energia e costi inferiori. La tecnologia degli inverter a tre livelli - è uno dei progressi più importanti in questo campo.
Il concetto di livello negli inverter si riferisce al livello di tensione utilizzato per la trasmissione del segnale o la conversione dell'energia. Un inverter a due livelli - ha solo due livelli di tensione, alto e basso, il che è semplice nel design e adatto per applicazioni a basso costo -. Tuttavia, tre inverter di livello - introducono un punto medio di tensione -, fornendo tre livelli di tensione, che consentono un controllo più preciso della tensione e presentano numerosi vantaggi significativi a livello di sistema1.
1.Il significato della tecnologia a tre-livelli
Negli anni '80, lo studioso giapponese Nabae propose un circuito inverter a tre-livelli basato sul clamping dei diodi. La sua tipica struttura topologica è mostrata nella figura seguente. Ciascun braccio del ponte dell'intero circuito inverter è composto da 4 transistor bipolari a gate isolato (IGBT) e 6 diodi.
Sebbene il circuito a tre livelli- sia relativamente più complesso nella topologia, rispetto al tradizionale circuito inverter a due-livelli che può emettere solo livelli alti e bassi, questo nuovo circuito inverter può emettere livelli alti e bassi attraverso l'-accensione dei tubi superiore e inferiore e emettere il livello zero attraverso l'effetto di bloccaggio del diodo intermedio, per un totale di tre stati di livello. Pertanto, è chiamato circuito inverter a tre-livelli.
Prendiamo come esempio la variazione di potenziale nel punto medio del braccio del ponte inverter della Fase A nella figura seguente per descrivere brevemente il significato specifico dei tre livelli.
- Quando i due IGBT sul braccio del ponte di fase A- sono in conduzione, il potenziale nel punto A è uguale a quello del bus positivo, ovvero U/2. La tensione della piattaforma di sollecitazione sopportata da ciascun IGBT è U/2, come mostrato nel Loop 1.
- Quando i due IGBT del braccio del ponte inferiore del braccio del ponte di fase A- sono in conduzione, il potenziale nel punto A è uguale al potenziale negativo del bus, che è -U/2, e la tensione della piattaforma di sollecitazione sopportata da ciascun IGBT è U/2, come mostrato nel loop 2.
- Quando il secondo IGBT sul braccio del ponte di fase A- e il diodo di bypass sono in conduzione, il ponte dell'inverter di fase A- è nello stato di ruota libera A e il potenziale nel punto A è uguale a quello nel punto medio del bus, che è 0, come mostrato nel loop 3.
Dai tre circuiti conduttori della fase A descritti sopra, si può sapere che il potenziale nel punto A può presentare tre livelli: U/2, 0 e -U/2, quindi è chiamato stato a tre-livelli2.
2.Topologie comuni a tre livelli -
2.1Topologia NPC1
La topologia NPC1 (Neutral - Point - Clamped) è una delle più classiche topologie a tre livelli -. Ottimizza la distribuzione delle perdite e migliora l'EMI ottimizzando il percorso corrente e il meccanismo di conversione del livello zero -.
In condizioni di inverter, le perdite di NPC1 sono concentrate principalmente nei tubi T1/T4, comprese le perdite di conduzione e le perdite di commutazione. T2/T3 è nello stato normalmente aperto e la perdita è principalmente una perdita di conduzione. D5/D6 conduce durante la commutazione e le sue perdite includono perdite di conduzione e perdite di recupero inverso.
In condizioni di rettifica, le perdite sono concentrate principalmente nei tubi D1/D4 e nei tubi T2/T3. I tubi D1/D4 presentano perdite di conduzione e perdite di recupero inverso, mentre i tubi T2/T3 generano perdite di conduzione e perdite di commutazione durante la commutazione. Al contrario, i tubi D2/D3 e D5/D6 presentano solo perdite di conduzione.
2.2 Topologia NPC2
La topologia NPC2 è un miglioramento basato sulla topologia NPC1. Nell'NPC2, una coppia di IGBT con emettitori o collettori comuni e diodi antiparallelo - viene utilizzata per sostituire i diodi di clamping nell'NPC1, riducendo il numero di diodi di due. Nell'NPC2, i tubi T1/T4 sopportano l'intera tensione del bus, mentre i tubi T2/T3 sopportano la metà della tensione del bus.
Nella condizione di inverter, nel mezzo ciclo positivo -, T2 rimane normalmente aperto e T1 e D3 commutano; nel mezzo ciclo negativo -, T3 rimane normalmente aperto e T4 e D2 commutano.
Nella condizione di rettifica, anche il processo di commutazione è simile a quello di NPC1, ma a causa della diversa struttura della parte di bloccaggio, la distribuzione delle perdite è diversa da quella di NPC1. Generalmente, nell'intervallo di frequenza di commutazione - medio - e basso -, la perdita totale della topologia NPC2 è inferiore a quella della topologia NPC1.
2.3Topologia ANPC
La topologia ANPC (Active Neutral - Point - Clamped) è formata sostituendo i diodi di clamping in NPC1 con IGBT e diodi anti-parallelo -. Espande due percorsi di commutazione a livello zero - e, attraverso la selezione e il controllo dei percorsi di commutazione a livello zero -, è possibile ottenere una distribuzione delle perdite più bilanciata e un'induttanza parassita del circuito di commutazione più piccola3.
3.Metodi di controllo di tre inverter di livello -
3.1Controllo della tensione
3.1.1 Controllo tensione laterale CC -
In un sistema di generazione di energia fotovoltaica, è necessario mantenere la stabilità della tensione lato CC - dell'inverter. La tensione lato CC - è fornita principalmente dai pannelli fotovoltaici. A causa dell'influenza di fattori quali l'intensità della luce e la temperatura, la tensione di uscita dei pannelli fotovoltaici varierà. Pertanto, è necessaria una strategia di controllo della tensione lato CC -. I metodi comunemente utilizzati includono l'uso di un convertitore boost o di un convertitore boost buck - davanti all'inverter per regolare la tensione del lato CC - su un valore stabile. Ad esempio, quando la tensione in uscita dai pannelli fotovoltaici è inferiore al valore richiesto, il convertitore boost può aumentare la tensione; quando è più alto, il convertitore buck - boost può regolare la tensione al livello appropriato.
3.1.2 Controllo potenziale a metà - punto
In tre inverter di livello -, la fluttuazione del potenziale del punto medio di - è un problema comune, specialmente nelle topologie di tipo - NPC. La fluttuazione potenziale del punto medio di - influirà sulla qualità della forma d'onda della tensione di uscita e sull'affidabilità del dispositivo. Esistono molti metodi per controllare il potenziale del punto medio di -. Un metodo consiste nell'aggiungere un componente di modalità - comune al segnale di modulazione. Ad esempio, nel metodo SPWM (modulazione di larghezza - dell'impulso sinusoidale), una certa tensione di modo comune - viene aggiunta alla tensione di riferimento per regolare il tempo di carica e scarica del condensatore del punto - medio, in modo da mantenere la stabilità del potenziale del punto - medio. Un altro metodo consiste nell'utilizzare un sistema di controllo del feedback per rilevare il potenziale del punto medio - e regolare gli stati di commutazione dell'inverter in base alla deviazione per raggiungere l'equilibrio del potenziale del punto medio -4.
3.2 Controllo corrente
3.2.1Grid - Controllo corrente connessa
Per gli inverter fotovoltaici collegati alla rete -, è necessario garantire che la corrente di uscita abbia la stessa frequenza e fase della tensione di rete. Ciò si ottiene attraverso una strategia di controllo della corrente connessa alla rete -. Un metodo comune consiste nell'utilizzare un circuito bloccato a fase - (PLL) per sincronizzare la corrente di uscita con la tensione di rete. Il PLL può tracciare in modo rapido e preciso la frequenza e la fase della tensione di rete. In base all'uscita del PLL, viene progettato un controller di corrente, come un controller proporzionale - integrale (PI) o un controller proporzionale - risonante (PR). Il controller di corrente regola la tensione di uscita dell'inverter in base alla deviazione tra la corrente di riferimento e la corrente di uscita effettiva per garantire che la corrente di uscita soddisfi i requisiti di connessione alla rete -.
3.2.2 Controllo armonico della corrente di uscita
Oltre a garantire la stessa frequenza e fase della tensione di rete, è necessario anche controllare il contenuto armonico della corrente in uscita. Come accennato in precedenza, tre inverter di livello - hanno un contenuto armonico della corrente di uscita inferiore rispetto a due inverter di livello -, ma in alcuni scenari applicativi ad alta precisione - è ancora necessario un ulteriore controllo delle armoniche. Ciò può essere ottenuto ottimizzando la strategia di modulazione. Ad esempio, utilizzando la modulazione di larghezza dell'impulso vettoriale - spaziale - (SVPWM) invece della tradizionale SPWM è possibile ridurre il contenuto armonico della corrente di uscita. Inoltre, alcuni algoritmi di controllo avanzati, come il controllo diretto dell'alimentazione armonica - e il controllo della compensazione armonica multipla -, possono essere utilizzati anche per ridurre ulteriormente il contenuto armonico della corrente di uscita5.
4.Vantaggi di tre inverter di livello - rispetto a due inverter di livello -
4.1 Forma d'onda di uscita della tensione
La forma d'onda della tensione emessa dal circuito inverter a due- livelli:
La forma d'onda della tensione emessa da un circuito inverter a tre-livelli:
Il principio di base di un inverter a tre- livelli consiste nell'utilizzare più livelli per sintetizzare un'onda a gradino per approssimare una tensione di uscita sinusoidale. Dato che ha un livello di uscita aggiuntivo rispetto a un inverter a due-livelli, l'onda PWM che emette è più vicina a una forma d'onda sinusoidale. Le due figure precedenti rappresentano un confronto tra le forme d'onda PWM emesse da inverter a due-livello e tre-livello. Si può distinguere intuitivamente che la forma d'onda PWM emessa dall'inverter a tre- livelli è più vicina al seno e ha meno contenuto di ondulazione6.
4.2 Perdita da cambio
In un circuito inverter a tre-livelli, la tensione del bus CC U è condivisa da due IGBT. La tensione sopportata da ciascun IGBT sul braccio del ponte è la metà della tensione di ingresso sul lato CC, U/2. In un circuito inverter a due-livelli, solo un IGBT sopporta la tensione del bus CC e la tensione sopportata da ciascun IGBT sul braccio del ponte è direttamente la tensione di ingresso sul lato CC, ovvero U. Pertanto, in un circuito inverter a tre-livelli, l'IGBT sopporta metà della tensione dei due-livelli all'inizio della conduzione e alla fine dello spegnimento-. Ciò determina che la perdita di commutazione dell'IGBT a tre-livello è molto inferiore a quella dell'IGBT a due-livello7.
4.3 Alta frequenza
Gli IGBT ad alta-tensione sono influenzati dal livello di tensione dell'applicazione, che determina che la loro frequenza e velocità di commutazione sono molto inferiori a quelle degli IGBT a bassa-tensione. Tuttavia, il sistema a tre-livelli consente l'applicazione ad alta-frequenza di IGBT a bassa-tensione. Rispetto ai filtri di potenza attivi, il livello della frequenza di commutazione riflette direttamente non solo la velocità di compensazione ma anche l'ampiezza della gamma di frequenza di compensazione ottenibile. Quanto più alta è la banda di frequenza in cui si trova la frequenza di commutazione, tanto più ampia è la banda di frequenza di filtraggio che un filtro può scegliere di implementare, tanto più stretta dovrebbe essere; al contrario, più stretto dovrebbe essere8.
4.4 Confronto quantitativo
L'evoluzione della linea di prodotti SMA ne è una buona prova.
- Prodotto tecnologico a due-livelli: la serie Sunny Tripower.
- Prodotto tecnologico a tre-livelli: la serie Sunny Highpower.
Dai dati nei due grafici precedenti, si può ottenere che l'efficienza massima dei prodotti inverter fotovoltaici con tecnologia a due- livelli è del 98,1% e l'efficienza in Europa è del 97,8%. L'efficienza massima dei prodotti inverter fotovoltaici con tecnologia a tre-livelli può raggiungere il 99,1%, mentre in Europa può raggiungere il 98,8%. Confrontando i due, si può scoprire che l'efficienza dei prodotti tecnologici a tre livelli- è aumentata dell'1%9.
5.Tendenze di sviluppo futuro
5.1 Integrazione con nuovi materiali semiconduttori
Con lo sviluppo della tecnologia dei semiconduttori, nuovi materiali semiconduttori come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN) vengono gradualmente applicati agli inverter. Questi materiali hanno una maggiore mobilità degli elettroni, una tensione di rottura più elevata e una resistenza - inferiore rispetto ai tradizionali materiali in silicio. L'integrazione della tecnologia degli inverter a tre livelli - con nuovi materiali semiconduttori può migliorare ulteriormente le prestazioni degli inverter. Ad esempio, l'utilizzo di MOSFET SiC in tre inverter di livello - può ridurre la perdita di commutazione e la perdita di conduzione dei dispositivi, migliorare l'efficienza dell'inverter e aumentare la frequenza di commutazione, il che è favorevole a ridurre ulteriormente le dimensioni e il peso dell'inverter e a migliorarne la densità di potenza.
5.2 Intelligentizzazione e digitalizzazione
n futuro, gli inverter a tre livelli - saranno più intelligenti e digitalizzati. Con lo sviluppo della tecnologia microelettronica e della tecnologia di controllo digitale, gli inverter possono essere dotati di controller e sensori digitali più avanzati. Questi controller digitali possono implementare algoritmi di controllo più complessi, come il controllo adattivo, il controllo predittivo, la diagnosi - dei guasti e il controllo - di auto-riparazione. I sensori possono monitorare lo stato operativo dell'inverter in tempo reale -, come temperatura, tensione, corrente e stato di salute del dispositivo. Attraverso algoritmi intelligenti e monitoraggio in tempo reale -, l'inverter può regolare i propri parametri operativi in base alla situazione reale, migliorare l'efficienza e l'affidabilità del sistema e realizzare monitoraggio remoto e gestione intelligente.
5.3 Applicazioni a - tensione e a potenza - più elevate
Poiché la portata della produzione di energia fotovoltaica continua ad espandersi, è in aumento anche la domanda di inverter con tensione - e potenza - più elevate. La tecnologia degli inverter a tre livelli - ha il potenziale per soddisfare questa domanda. Ottimizzando la topologia e la strategia di controllo di tre inverter di livello - e utilizzando dispositivi con classificazione - ad alta tensione -, è possibile aumentare ulteriormente la tensione di uscita e la potenza di tre inverter di livello -. Ciò è di grande importanza per le centrali fotovoltaiche di grandi dimensioni su - scala e i sistemi di generazione fotovoltaica connessi ad alta - - linea di trasmissione - - di generazione fotovoltaica, che possono ridurre il numero di inverter richiesti, semplificare la struttura del sistema e ridurre il costo complessivo del sistema10.
- Yu, Chengzhuo, 2023, Controllo di un inverter PWM a 3 livelli per sistemi di generazione fotovoltaica connessi alla rete-.
- Zhihu, Spiegazione della superiorità della tecnologia a tre-livelli.
- Principio di circuito non-di rete, a tre-livelli e analisi della topologia di circuito comune.
- Appassionato di elettronica, schema di progettazione dell'inverter connesso alla rete fotovoltaica-a tre-livelli di tipo T-.
- Tang, Yao, 2023, Progettazione e controllo di inverter di tipo T-a tre livelli interleaved per applicazioni ad alta potenza.
- Appassionato di elettronica, un confronto tra i vantaggi dei sistemi a tre-e a due-livelli.
- CSDN, la differenza tra due-livelli e tre-livelli.
- Baidu Wenku, Confronto tra due-livelli e tre-livelli.
- SMA, Dati prodotto dal sito ufficiale SMA.
- Qitian Power, inverter parallelo con topologia a tre-livelli.
