Los inversores desempeñan un papel crucial en los sistemas de generación de energía fotovoltaica, convirtiendo la corriente continua (CC) generada por los paneles fotovoltaicos en corriente alterna (CA) adecuada para la conexión a la red o el uso de carga. El desarrollo de la tecnología de inversores ha evolucionado constantemente para cumplir con los requisitos de mayor eficiencia, mejor calidad de energía y menor costo. La tecnología de inversor de tres niveles - es uno de los avances importantes en este campo.
El concepto de nivel en los inversores se refiere al nivel de voltaje utilizado para la transmisión de señales o la conversión de energía. Un inversor de dos niveles - tiene solo dos niveles de voltaje, alto y bajo, lo cual tiene un diseño simple y es adecuado para aplicaciones de bajo costo -. Sin embargo, tres inversores de nivel - introducen un punto de voltaje medio -, proporcionando tres niveles de voltaje, lo que permite un control de voltaje más preciso y tiene varias ventajas significativas a nivel del sistema.1.
1.El significado de la tecnología de tres-niveles
En la década de 1980, el académico japonés Nabae propuso un circuito inversor de tres-niveles basado en la sujeción de diodos. Su estructura topológica típica se muestra en la siguiente figura. Cada brazo de puente de todo el circuito inversor está compuesto por 4 transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) y 6 diodos.
Aunque el circuito de tres-niveles tiene una topología relativamente más compleja, en comparación con el circuito inversor tradicional de dos-niveles que solo puede generar niveles altos y bajos, este novedoso circuito inversor puede generar niveles altos y bajos a través del encendido-de los tubos superior e inferior, y generar un nivel cero a través del efecto de sujeción del diodo intermedio, totalizando tres estados de nivel. Por lo tanto, se llama circuito inversor de tres-niveles.
Tome el cambio de potencial en el punto medio del brazo del puente inversor de la Fase A en la siguiente figura como ejemplo para describir brevemente el significado específico de los tres niveles.
- Cuando los dos IGBT en el brazo del puente de fase A-están conduciendo, el potencial en el punto A es el mismo que el del bus positivo, que es U/2. El voltaje de la plataforma de tensión que soporta cada IGBT es U/2, como se muestra en el Bucle 1.
- Cuando los dos IGBT del brazo del puente inferior del brazo del puente de fase A-están conduciendo, el potencial en el punto A es el mismo que el potencial negativo del bus, que es -U/2, y el voltaje de plataforma de estrés que soporta cada IGBT es U/2, como se muestra en el bucle 2.
- Cuando el segundo IGBT en el brazo del puente de fase A-y el diodo de sujeción de derivación están conduciendo, el puente inversor de fase A-está en estado de rueda libre y el potencial en el punto A es el mismo que en el punto medio del bus, que es 0, como se muestra en el bucle 3.
De los tres circuitos conductores de la fase A descritos anteriormente, se puede saber que el potencial en el punto A puede presentar tres niveles: U/2, 0 y -U/2, por lo que se le llama estado de tres-niveles.2.
2. Topologías comunes de tres niveles -
2.1 Topología NPC1
La topología NPC1 (Neutral - Punto - Sujetado) es una de las topologías de tres niveles - más clásicas. Optimiza la distribución de pérdidas y mejora la EMI al optimizar la ruta actual y el mecanismo de conversión de nivel cero -.
En condiciones de inversor, las pérdidas de NPC1 se concentran principalmente en los tubos T1/T4, incluidas las pérdidas de conducción y las pérdidas de conmutación. T2/T3 está en estado normalmente abierto y la pérdida es principalmente pérdida de conducción. D5/D6 conduce durante la conmutación y sus pérdidas incluyen pérdidas de conducción y pérdidas de recuperación inversa.
En condiciones de rectificación, las pérdidas se concentran principalmente en los tubos D1/D4 y T2/T3. Los tubos D1/D4 tienen pérdidas de conducción y pérdidas de recuperación inversa, mientras que los tubos T2/T3 generan pérdidas de conducción y pérdidas de conmutación durante la conmutación. Por el contrario, los tubos D2/D3 y D5/D6 sólo tienen pérdidas de conducción.
2.2 Topología NPC2
La topología NPC2 es una mejora basada en la topología NPC1. En NPC2, se utiliza un par de IGBT con emisores o colectores comunes y diodos anti-{4}} paralelos para reemplazar los diodos de sujeción en NPC1, reduciendo el número de diodos en dos. En NPC2, los tubos T1/T4 soportan toda la tensión del bus y los tubos T2/T3 soportan la mitad de la tensión del bus.
En la condición de inversor, en el medio ciclo positivo -, T2 permanece normalmente abierto y T1 y D3 conmutan; en el medio ciclo negativo -, T3 permanece normalmente abierto y T4 y D2 conmutan.
En la condición de rectificación, el proceso de conmutación también es similar al de NPC1, pero debido a la estructura diferente de la pieza de sujeción, la distribución de pérdidas es diferente a la de NPC1. Generalmente, en el rango de frecuencia de conmutación - medio - y bajo -, la pérdida total de la topología NPC2 es menor que la de la topología NPC1.
2.3 Topología ANPC
La topología ANPC (Neutro Activo - Punto - Sujetado) se forma reemplazando los diodos de sujeción en NPC1 con IGBT y diodos anti-{3}} paralelos. Expande dos rutas de conmutación de nivel cero - y, mediante la selección y el control de las rutas de conmutación de nivel cero -, se puede lograr una distribución de pérdidas más equilibrada y una inductancia parásita del bucle de conmutación más pequeña.3.
3.Métodos de control de tres inversores de nivel -
3.1Control de voltaje
3.1.1Control de voltaje lateral CC -
En un sistema de generación de energía fotovoltaica, es necesario mantener la estabilidad del voltaje del lado CC - del inversor. La tensión del lado CC - la proporcionan principalmente los paneles fotovoltaicos. Debido a la influencia de factores como la intensidad de la luz y la temperatura, el voltaje de salida de los paneles fotovoltaicos fluctuará. Por lo tanto, se necesita una estrategia de control de voltaje del lado CC -. Los métodos comúnmente utilizados incluyen el uso de un convertidor elevador o un convertidor elevador reductor - frente al inversor para ajustar el voltaje del lado CC - a un valor estable. Por ejemplo, cuando el voltaje de salida de los paneles fotovoltaicos es inferior al valor requerido, el convertidor elevador puede aumentar el voltaje; cuando es más alto, el convertidor elevador buck - puede ajustar el voltaje al nivel apropiado.
3.1.2 Control de potencial del punto medio -
En inversores de tres niveles -, la fluctuación de potencial del punto medio - es un problema común, especialmente en topologías de tipo NPC -. La fluctuación de potencial del punto medio - afectará la calidad de la forma de onda del voltaje de salida y la confiabilidad del dispositivo. Existen muchos métodos para controlar el potencial del punto medio -. Un método consiste en agregar un componente de modo - común a la señal de modulación. Por ejemplo, en el método de modulación de ancho de pulso sinusoidal - (SPWM), se agrega un cierto voltaje de modo común - al voltaje de referencia para ajustar el tiempo de carga y descarga del condensador del punto medio -, a fin de mantener la estabilidad del potencial del punto medio -. Otro método es utilizar un sistema de control de retroalimentación para detectar el potencial del punto medio - y ajustar los estados de conmutación del inversor de acuerdo con la desviación para lograr el equilibrio del potencial del punto medio -.4.
3.2Control actual
3.2.1 Control de corriente conectado a la red -
Para los inversores fotovoltaicos conectados a la red -, es necesario asegurarse de que la corriente de salida esté en la misma frecuencia y fase que la tensión de la red. Esto se logra a través de una estrategia de control de corriente conectada a la red -. Un método común es utilizar un bucle bloqueado (PLL) de fase - para sincronizar la corriente de salida con el voltaje de la red. El PLL puede rastrear de forma rápida y precisa la frecuencia y la fase del voltaje de la red. Con base en la salida del PLL, se diseña un controlador de corriente, como un controlador proporcional - integral (PI) o un controlador proporcional - resonante (PR). El controlador de corriente ajusta el voltaje de salida del inversor de acuerdo con la desviación entre la corriente de referencia y la corriente de salida real para garantizar que la corriente de salida cumpla con los requisitos de conexión de la red -.
3.2.2 Control armónico de corriente de salida
Además de asegurar la misma frecuencia y fase que la tensión de red, también es necesario controlar el contenido armónico de la corriente de salida. Como se mencionó anteriormente, tres inversores de nivel - tienen un contenido de armónicos de corriente de salida más bajo que dos inversores de nivel -, pero en algunos escenarios de aplicaciones de alta precisión -, aún se necesita un mayor control de armónicos. Esto se puede lograr optimizando la estrategia de modulación. Por ejemplo, el uso de modulación de ancho de pulso vectorial - espacial - (SVPWM) en lugar del SPWM tradicional puede reducir el contenido armónico de la corriente de salida. Además, algunos algoritmos de control avanzados, como el control directo de alimentación de armónicos - y el control de compensación de armónicos múltiples -, también se pueden utilizar para reducir aún más el contenido de armónicos de la corriente de salida.5.
4.Ventajas de tres inversores de nivel - en comparación con dos inversores de nivel -
4.1 Forma de onda de salida de voltaje
La forma de onda de voltaje generada por el circuito inversor de dos-niveles:
La forma de onda de voltaje generada por un circuito inversor de tres-niveles:
El principio básico de un inversor de tres-niveles es utilizar múltiples niveles para sintetizar una onda escalonada para aproximar un voltaje de salida sinusoidal. Debido a que tiene un nivel de salida adicional en comparación con un inversor de dos-niveles, la onda PWM que genera está más cerca de una forma de onda sinusoidal. Las dos figuras anteriores son una comparación de las formas de onda PWM generadas por inversores de dos-niveles y de tres-niveles. Se puede distinguir intuitivamente que la salida de forma de onda PWM del inversor de tres-niveles está más cerca de la sinusoidal y tiene menos contenido de ondulación.6.
4.2 Pérdida de conmutación
En un circuito inversor de tres-niveles, el voltaje del bus de CC U es compartido por dos IGBT. El voltaje soportado por cada IGBT en el brazo del puente es la mitad del voltaje de entrada en el lado de CC, U/2. En un circuito inversor de dos-niveles, solo un IGBT soporta el voltaje del bus de CC, y el voltaje soportado por cada IGBT en el brazo del puente es directamente el voltaje de entrada en el lado de CC, es decir, U. Por lo tanto, en un circuito inversor de tres-niveles, el IGBT soporta la mitad del voltaje de los dos-niveles al comienzo de la conducción y al final del apagado-. Esto determina que la pérdida de conmutación del IGBT de tres-niveles es mucho menor que la de los dos-nivel uno.7.
4.3 Alta Frecuencia
Los IGBT de alto-voltaje se ven afectados por el nivel de voltaje de la aplicación, lo que determina que su frecuencia y velocidad de conmutación sean mucho más pequeñas que las de los IGBT de bajo-voltaje. Sin embargo, el sistema de tres-niveles permite la aplicación de alta-frecuencia de IGBT de bajo-voltaje. En comparación con los filtros de potencia activos, el nivel de frecuencia de conmutación refleja directamente no sólo la velocidad de compensación sino también la amplitud del rango de frecuencia de compensación alcanzable. Cuanto mayor sea la banda de frecuencia donde se ubica la frecuencia de conmutación, cuanto más amplia sea la banda de frecuencia de filtrado que un filtro puede seleccionar para implementar, más estrecha debe ser; por el contrario, cuanto más estrecho debería ser8.
4.4 Comparación cuantitativa
La evolución de la línea de productos de SMA es una buena prueba de ello.
- Producto de tecnología de dos-niveles: Serie Sunny Tripower.
- Producto de tecnología de tres-niveles: Serie Sunny Highpower.
A partir de los datos de los dos gráficos anteriores, se puede obtener que la eficiencia máxima de los productos inversores fotovoltaicos de tecnología de dos-niveles es del 98,1 %, y la eficiencia en Europa es del 97,8 %. La eficiencia máxima de los productos inversores fotovoltaicos con tecnología de tres-niveles puede alcanzar el 99,1%, mientras que en Europa puede ser del 98,8%. Al comparar los dos, se puede encontrar que la eficiencia de los productos tecnológicos de tres-niveles ha aumentado en un 1%.9.
5. Tendencias de desarrollo futuras
5.1 Integración con nuevos materiales semiconductores
Con el desarrollo de la tecnología de semiconductores, se están aplicando gradualmente a los inversores nuevos materiales semiconductores, como el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN). Estos materiales tienen mayor movilidad de electrones, mayor voltaje de ruptura y menor resistencia - que los materiales de silicio tradicionales. La integración de la tecnología de inversores de tres niveles - con nuevos materiales semiconductores puede mejorar aún más el rendimiento de los inversores. Por ejemplo, el uso de MOSFET de SiC en inversores de tres niveles - puede reducir la pérdida de conmutación y la pérdida de conducción de los dispositivos, mejorar la eficiencia del inversor y aumentar la frecuencia de conmutación, lo que contribuye a reducir aún más el tamaño y el peso del inversor y mejorar su densidad de potencia.
5.2 Inteligenteización y Digitalización
n el futuro, los inversores de tres niveles - serán más inteligentes y digitalizados. Con el desarrollo de la tecnología microelectrónica y la tecnología de control digital, los inversores pueden equiparse con controladores y sensores digitales más avanzados. Estos controladores digitales pueden implementar algoritmos de control más complejos, como control adaptativo, control predictivo y control de diagnóstico - de fallas y control de reparación automática -. Los sensores pueden monitorear el estado operativo del inversor en - tiempo real, como temperatura, voltaje, corriente y estado de salud del dispositivo. A través de algoritmos inteligentes y monitoreo en tiempo real -, el inversor puede ajustar sus parámetros operativos de acuerdo con la situación real, mejorar la eficiencia y confiabilidad del sistema y realizar monitoreo remoto y gestión inteligente.
5.3 Aplicaciones de mayor - voltaje y mayor - potencia
A medida que la escala de generación de energía fotovoltaica continúa expandiéndose, también aumenta la demanda de inversores de potencia - y de voltaje más altos -. La tecnología de inversor de tres niveles - tiene el potencial de satisfacer esta demanda. Al optimizar la topología y la estrategia de control de tres inversores de nivel - y utilizar dispositivos de alto voltaje - -, se puede aumentar aún más el voltaje de salida y la potencia de tres inversores de nivel -. Esto es de gran importancia para las plantas de energía fotovoltaica de gran - escala y los sistemas de generación fotovoltaica conectados de alto - voltaje - línea - -, que pueden reducir la cantidad de inversores necesarios, simplificar la estructura del sistema y reducir el costo general del sistema.10.
- Yu, Chengzhuo, 2023, Control de un inversor PWM de 3 niveles para sistemas de generación fotovoltaica conectados a la red-.
- Zhihu, Explicación de la superioridad de la tecnología de tres-niveles.
- Principio de circuito de tres niveles-sin red- y análisis de topología de circuito común.
- Entusiasta de la electrónica, esquema de diseño de inversor conectado a red fotovoltaica de tres-niveles-tipo T-.
- Tang, Yao, 2023, Diseño y control de un inversor tipo T- de tres niveles entrelazados para aplicaciones de alta potencia.
- Entusiasta de la electrónica, una comparación de las ventajas de los sistemas de tres-niveles y de dos-niveles.
- CSDN, la diferencia entre dos-niveles y tres-niveles.
- Baidu Wenku, Comparación entre dos-niveles y tres-niveles.
- SMA, datos del producto del sitio web oficial de SMA.
- Qitian Power, inversor paralelo con topología de tres-niveles.