טכנולוגיה בשלוש-רמות של ממירים פוטו-וולטאיים

ממירים ממלאים תפקיד מכריע במערכות ייצור חשמל פוטו-וולטאיות, הממירות את הזרם הישר (DC) שנוצר על ידי לוחות פוטו-וולטאיים לזרם חילופין (AC) המתאים לחיבור רשת או שימוש בעומס. הפיתוח של טכנולוגיית אינוורטר מתפתח כל הזמן כדי לעמוד בדרישות של יעילות גבוהה יותר, איכות חשמל טובה יותר ועלות נמוכה יותר. טכנולוגיית מהפך ברמת שלוש - היא אחת ההתקדמות החשובות בתחום זה.

מושג הרמה בממירים מתייחס לרמת המתח המשמשת להעברת אותות או המרת אנרגיה. למהפך דו-- רמות יש רק שתי רמות מתח, גבוה ונמוך, שהוא פשוט בעיצובו ומתאים ליישומים בעלות נמוכה של -. עם זאת, שלושה ממירים ברמה - מציגים נקודת מתח באמצע -, המספקים שלוש רמות מתח, המאפשרות בקרת מתח עדינה יותר ויש לה מספר יתרונות משמעותיים ברמת המערכת¹.

1. המשמעות של טכנולוגיה בשלוש-רמות

בשנות ה-80, המלומד היפני Nabae הציע מעגל מהפך בשלוש רמות המבוסס על הידוק דיודה. המבנה הטופולוגי האופייני שלו מוצג באיור הבא. כל זרוע גשר של כל מעגל המהפך מורכבת מ-4 טרנזיסטורים דו-קוטביים של שער מבודדים (IGBT) ו-6 דיודות.

למרות שמעגל המהפך בשלושת הרמות מורכב יחסית יותר בטופולוגיה, בהשוואה למעגל המהפך המסורתי הדו--שיכול להפיק רק רמות גבוהות ונמוכות, מעגל מהפך חדשני זה יכול להפיק רמות גבוהות ונמוכות באמצעות ההפעלה- של הצינורות העליונים והתחתונים, ולהוציא רמה אפסית באמצעות אפקט ההידוק של מצבי שלושת הרמות הבינוניים הכוללים. לכן, הוא נקרא מעגל מהפך בן שלוש-רמות.

קח את השינוי הפוטנציאלי בנקודת האמצע של זרוע גשר המהפך של שלב A באיור הבא כדוגמה לתיאור קצר של המשמעות הספציפית של שלוש הרמות.

• כאשר שני ה-IGBTs על זרוע גשר השלב A- מוליכים, הפוטנציאל בנקודה A זהה לזה של האפיק החיובי, שהוא U/2. מתח פלטפורמת הלחץ שכל IGBT נושא הוא U/2, כפי שמוצג בלולאה 1.

• כאשר שני ה-IGBTs של זרוע הגשר התחתונה של זרוע הגשר A-פאזה מוליכים, הפוטנציאל בנקודה A זהה לפוטנציאל האוטובוס השלילי, שהוא -U/2, ומתח פלטפורמת המתח שסובל כל IGBT הוא U/2, כפי שמוצג בלולאה 2.

• כאשר ה-IGBT השני על זרוע גשר השלב A- ודיודת ההידוק המעקף מוליכים, גשר מהפך הפאזה A- נמצא במצב גלגל חופשי, והפוטנציאל בנקודה A זהה לזה שבנקודת האמצע של האוטובוס, שהיא 0, כפי שמוצג בלולאה 3.

משלושת המעגלים המוליכים של שלב A שתוארו לעיל, ניתן לדעת שהפוטנציאל בנקודה A יכול להציג שלוש רמות: U/2, 0 ו--U/2, ולכן הוא נקרא מצב של שלוש-רמות².

2. טופולוגיות של שלוש - רמות נפוצות

טופולוגיה 2.1NPC1

הטופולוגיה של NPC1 (Neutral - Point - Clamped) היא אחת משלוש הטופולוגיות הקלאסיות ביותר של רמות -. זה מייעל את התפלגות ההפסדים ומשפר את ה-EMI על ידי אופטימיזציה של הנתיב הנוכחי ומנגנון ההמרה ברמת - אפס.

בתנאי מהפך, ההפסדים של NPC1 מתרכזים בעיקר בצינורות T1/T4, כולל הפסדי הולכה והפסדי מיתוג. T2/T3 נמצא במצב פתוח בדרך כלל, וההפסד הוא בעיקר אובדן הולכה. D5/D6 מתנהל במהלך המעבר, וההפסדים שלו כוללים הפסדי הולכה והפסדי התאוששות הפוכים.

בתנאי תיקון, ההפסדים מתרכזים בעיקר בצינורות D1/D4 וצינורות T2/T3. לשפופרות D1/D4 יש הפסדי הולכה והפסדי התאוששות הפוכים, בעוד שפופרות T2/T3 מייצרות הפסדי הולכה והפסדי מיתוג במהלך המעבר. לעומת זאת, לצינורות D2/D3 ו-D5/D6 יש רק הפסדי הולכה.

2.2 NPC2 טופולוגיה

טופולוגיית NPC2 היא שיפור המבוסס על טופולוגיית NPC1. ב-NPC2, זוג IGBTs עם פולטים או קולטים משותפים ודיודות מקבילות נגד - משמשים להחלפת דיודות ההידוק ב-NPC1, ומפחיתים את מספר הדיודות בשתיים. ב-NPC2, צינורות T1/T4 נושאים את מלוא מתח האוטובוס, וצינורות T2/T3 נושאים מחצית ממתח האוטובוס.

במצב המהפך, בחצי המחזור החיובי -, T2 נשאר פתוח בדרך כלל, ו-T1 ו-D3 מתקוממים; במחזור השלילי של חצי -, T3 נשאר פתוח בדרך כלל, ו-T4 ו-D2 מתקוממים.

במצב התיקון, תהליך הקומוטציה דומה גם לזה של NPC1, אך בשל המבנה השונה של החלק המהדק, התפלגות ההפסדים שונה מזו של NPC1. בדרך כלל, בטווח התדרים הבינוני - והנמוך - מיתוג -, ההפסד הכולל של טופולוגיית NPC2 נמוך מזה של טופולוגיית NPC1.

2.3 ANPC טופולוגיה

טופולוגיית ה-ANPC (Active Neutral - Point - Clamped) נוצרת על ידי החלפת דיודות ההידוק ב-NPC1 ב-IGBTs ודיודות מקבילות נגד -. הוא מרחיב שני נתיבי העברת רמה אפס -, ובאמצעות בחירה ובקרה של נתיבי העברת רמה אפס -, ניתן להשיג חלוקת אובדן מאוזנת יותר והשראות תועה קטנה יותר של לולאה.³.

3. שיטות בקרה של שלושה ממירי רמות -

3.1 בקרת מתח

3.1.1DC - בקרת מתח צד

במערכת ייצור חשמל פוטו-וולטאית, יש צורך לשמור על היציבות של מתח הצד DC - של המהפך. מתח הצד של DC - מסופק בעיקר על ידי הפאנלים הפוטו-וולטאיים. בשל השפעת גורמים כמו עוצמת האור והטמפרטורה, מתח המוצא של הפאנלים הפוטו-וולטאיים ישתנה. לכן, יש צורך באסטרטגיית בקרת מתח צד DC -. השיטות הנפוצות כוללות שימוש בממיר חיזוק או ממיר דחיפה של buck - מול המהפך כדי להתאים את מתח הצד DC - לערך יציב. לדוגמה, כאשר מתח המוצא של הפאנלים הפוטו-וולטאיים נמוך מהערך הנדרש, ממיר הבוסט יכול להגביר את המתח; כאשר הוא גבוה יותר, ממיר ה-boost - יכול להתאים את המתח לרמה המתאימה.

3.1.2 בקרת פוטנציאל נקודת - באמצע

בשלושה ממירים ברמה של -, התנודתיות הפוטנציאלית של נקודת האמצע - היא בעיה נפוצה, במיוחד בטופולוגיות מסוג NPC -. תנודת הפוטנציאל האמצעית של נקודת - תשפיע על איכות הגל של מתח המוצא ועל האמינות של המכשיר. ישנן שיטות רבות לשלוט בפוטנציאל האמצע של - נקודת. שיטה אחת היא להוסיף רכיב מצב משותף - לאות האפונון. לדוגמה, בשיטת הפולסים הסינוסואידיים - רוחב אפנון (SPWM), מתח נפוץ מסוים של מצב - מתווסף למתח הייחוס כדי להתאים את זמן הטעינה והפריקה של קבל נקודת האמצע -, כדי לשמור על היציבות של פוטנציאל הנקודה האמצעית -. שיטה נוספת היא להשתמש במערכת בקרת משוב כדי לזהות את פוטנציאל נקודת האמצע של - ולהתאים את מצבי המיתוג של המהפך בהתאם לסטייה כדי להשיג איזון פוטנציאל של נקודת - באמצע⁴.

3.2 בקרת זרם

3.2.1 רשת - בקרת זרם מחוברת

עבור ממירי פוטו-וולטאיים המחוברים לרשת -, יש צורך לוודא שזרם המוצא הוא באותו תדר ופאזה כמו מתח הרשת. זה מושג באמצעות אסטרטגיית בקרת זרם מחוברת לרשת -. שיטה נפוצה היא להשתמש בלולאה נעולה שלב - (PLL) כדי לסנכרן את זרם המוצא עם מתח הרשת. ה-PLL יכול לעקוב במהירות ובדייקנות אחר התדירות והשלב של מתח הרשת. בהתבסס על הפלט של ה-PLL, מתוכנן בקר זרם, כגון בקר אינטגרלי פרופורציונלי - (PI) או בקר תהודה פרופורציונלי - (PR). בקר הזרם מתאים את מתח המוצא של המהפך בהתאם לסטייה בין זרם הייחוס לזרם המוצא בפועל כדי להבטיח שזרם המוצא עומד בדרישות החיבור לרשת -.

3.2.2 בקרה הרמונית של זרם פלט

בנוסף להבטחת התדר והפאזה כמו מתח הרשת, יש צורך גם לשלוט בתוכן ההרמוני של זרם המוצא. כפי שהוזכר לעיל, לשלושה ממירים ברמה - יש תוכן הרמוני של זרם פלט נמוך יותר מאשר לשני ממירים ברמה של -, אך בחלק מתרחישי יישומים דיוק גבוהים של -, עדיין יש צורך בשליטה הרמונית נוספת. ניתן להשיג זאת על ידי אופטימיזציה של אסטרטגיית האפנון. לדוגמה, שימוש ברווח - דופק וקטור - אפנון רוחב (SVPWM) במקום SPWM מסורתי יכול להפחית את התוכן ההרמוני של זרם המוצא. בנוסף, כמה אלגוריתמי בקרה מתקדמים, כגון הזנה הרמונית - שליטה קדימה ובקרת פיצוי הרמוני רב -, יכולים לשמש גם כדי להפחית עוד יותר את התוכן ההרמוני של זרם המוצא⁵.

4. היתרונות של שלושה ממירי רמה - בהשוואה לשני ממירי רמה -

4.1 צורת גל פלט מתח

פלט צורת גל המתח על ידי מעגל המהפך הדו-מפלסי-:

פלט צורת גל המתח על ידי מעגל מהפך בשלוש רמות-:

העיקרון הבסיסי של מהפך שלוש-רמות הוא להשתמש במספר רמות כדי לסנתז גל צעד כדי להעריך מתח מוצא סינוסואידי. בשל רמת פלט נוספת בהשוואה למהפך דו--מפלס, גל ה-PWM שהוא מוציא קרוב יותר לצורת גל סינוסואידאלית. שני האיורים שלמעלה הם השוואה של פלט צורות הגל של PWM על ידי ממירים דו--מפלסים ושלושה-מפלסים. ניתן להבחין באופן אינטואיטיבי כי פלט צורת הגל PWM על ידי מהפך שלושת-הרמות קרוב יותר לסינוס ויש לו פחות תוכן אדוות⁶.

4.2 אובדן מיתוג

במעגל מהפך בשלוש רמות, מתח האוטובוס U משותף לשני IGBTs. המתח שנושא כל IGBT בזרוע הגשר הוא מחצית ממתח הכניסה בצד DC, U/2. במעגל מהפך דו-מפלסי, רק IGBT אחד נושא את מתח אוטובוס ה-DC, והמתח שנושא כל IGBT על זרוע הגשר הוא ישירות מתח הכניסה בצד ה-DC, כלומר U. לכן, במעגל מהפך בן שלוש-רמות, ה-IGBT נושא חצי מהמתח מהמתח של השניים והשניים בקצה השני{{6} לכבות-. זה קובע שאובדן המיתוג של IGBT בשלוש-רמות קטן בהרבה מזה של שתי-רמות 1⁷.

4.3 תדר גבוה

IGBT-במתח גבוה מושפעים מרמת מתח האפליקציה, שקובעת שתדירות המיתוג ומהירות המיתוג שלהם קטנים בהרבה מאלו של IGBT-נמוכים. עם זאת, מערכת שלושת-הרמות מאפשרת יישום-תדר גבוה של IGBT-במתח נמוך. בהשוואה למסנני הספק פעילים, רמת תדר המיתוג משקפת ישירות לא רק את מהירות הפיצוי אלא גם את רוחב טווח תדרי הפיצוי שניתן להשיג. ככל שפס התדרים שבו ממוקם תדר המיתוג גבוה יותר, ככל שפס תדר הסינון רחב יותר שמסנן יכול לבחור ליישם, כך הוא צריך להיות צר יותר; לעומת זאת, ככל שהוא צריך להיות צר יותר⁸.

4.4 השוואה כמותית

האבולוציה של קו המוצרים של SMA היא הוכחה טובה.

• מוצר טכנולוגי בשתי-רמות: סדרת Sunny Tripower.

• מוצר טכנולוגי בשלוש-רמות: Sunny Highpower Series.

מהנתונים בשני הגרפים שלעיל, ניתן לקבל שהיעילות המקסימלית של מוצרי הממירים הפוטו-וולטאיים בשתי רמות-טכנולוגיה היא 98.1%, והיעילות באירופה היא 97.8%. היעילות המקסימלית של מוצרי הממיר הפוטו-וולטאיים בשלוש רמות הטכנולוגיה יכולה להגיע ל-99.1%, בעוד שבאירופה היא יכולה להיות 98.8%. על ידי השוואה בין השניים, ניתן למצוא שהיעילות של שלושת מוצרי הטכנולוגיה-עלתה ב-1%⁹.

5. מגמות התפתחות עתידיות

5.1 אינטגרציה עם חומרי מוליכים למחצה חדשים

עם התפתחות טכנולוגיית המוליכים למחצה, חומרים מוליכים למחצה חדשים כגון סיליקון קרביד (SiC) וגליום ניטריד (GaN) מיושמים בהדרגה על ממירים. לחומרים אלו יש ניידות אלקטרונית גבוהה יותר, מתח פירוק גבוה יותר והתנגדות - נמוכה יותר מחומרי סיליקון מסורתיים. שילוב טכנולוגיית ממירים בשלוש רמות - עם חומרים מוליכים למחצה חדשים יכול לשפר עוד יותר את הביצועים של ממירים. לדוגמה, שימוש בממירי SiC MOSFET בשלושה ממירים ברמה של - יכול להפחית את אובדן המיתוג ואובדן ההולכה של המכשירים, לשפר את היעילות של המהפך ולהגדיל את תדירות המיתוג, מה שתורם להקטנה נוספת של הגודל והמשקל של המהפך ולשיפור צפיפות ההספק שלו.

5.2 מודיעין ודיגיטליזציה

בעתיד, שלושה ממירים ברמה של - יהיו חכמים ודיגיטליים יותר. עם התפתחות טכנולוגיית המיקרו-אלקטרוניקה וטכנולוגיית הבקרה הדיגיטלית, ניתן לצייד ממירים בבקרים וחיישנים דיגיטליים מתקדמים יותר. בקרים דיגיטליים אלה יכולים ליישם אלגוריתמי בקרה מורכבים יותר, כגון בקרה אדפטיבית, בקרה חזויה ואבחון - תקלות ובקרת תיקון עצמית -. החיישנים יכולים לנטר את מצב הפעולה של המהפך בזמן אמת -, כגון טמפרטורה, מתח, זרם ומצב תקינות המכשיר. באמצעות אלגוריתמים חכמים וניטור זמן אמיתי -, המהפך יכול להתאים את פרמטרי הפעולה שלו בהתאם למצב בפועל, לשפר את היעילות והאמינות של המערכת ולממש ניטור מרחוק וניהול מושכל.

5.3 יישומי מתח - גבוהים יותר ויישומי הספק - גבוהים יותר

ככל שהיקף ייצור החשמל הפוטו-וולטאי ממשיך להתרחב, הביקוש לממירי הספק - גבוהים יותר וממירי הספק גבוהים יותר של - גובר גם הוא. לטכנולוגיית מהפך ברמת שלוש - יש פוטנציאל לענות על דרישה זו. על ידי אופטימיזציה של הטופולוגיה ואסטרטגיית הבקרה של שלושה ממירים ברמה -, ושימוש במכשירים בעלי דירוג מתח - גבוה, ניתן להגדיל עוד יותר את מתח המוצא וההספק של שלושה ממירים ברמה של -. יש לכך משמעות רבה עבור תחנות כוח פוטו-וולטאיות גדולות בקנה מידה - ומערכות יצור פוטו-וולטאיות - גבוהות - - שידור - קו - מחוברות, שיכולות להפחית את מספר הממירים הנדרשים, לפשט את מבנה המערכת ולהפחית את העלות הכוללת של המערכת¹⁰.

1. Yu, Chengzhuo, 2023, שליטה במהפך PWM בן 3 רמות עבור מערכות יצירת פוטו-וולטאיות מחוברות לרשת-.
2. Zhihu, הסבר על העליונות של טכנולוגיה בשלוש-רמות.
3. עקרון מעגלים לא-, שלוש-רמות וניתוח טופולוגיית מעגלים נפוצה.
4. חובב אלקטרוני, T-סוג שלוש-רשת פוטו-וולטאית-מתוכננת תכנון מהפך מחובר.
5. Tang, Yao, 2023, תכנון ובקרה של מהפך מסוג T-משולב בשלוש רמות- ליישום בהספק גבוה.
6. חובב אלקטרוני, השוואה בין היתרונות של מערכות שלוש-רמות ושתי-רמות.
7. CSDN, ההבדל בין שתי-רמות לשלוש-רמות.
8. Baidu Wenku, השוואה בין שתי-רמות לשלוש-רמות.
9. SMA, נתוני מוצר מהאתר הרשמי של SMA.
10. Qitian Power, מהפך מקביל לטופולוגיה בשלוש-רמות.