太陽光発電インバータの 3 レベルのテクノロジー-

インバーターは太陽光発電システムにおいて重要な役割を果たし、太陽光発電パネルによって生成された直流 (DC) を系統接続または負荷の使用に適した交流 (AC) に変換します。インバーター技術の開発は、高効率、より優れた電力品質、低コストの要件を満たすために絶えず進化してきました。 3 - レベルのインバータ技術は、この分野における重要な進歩の 1 つです。

インバータにおけるレベルの概念は、信号伝送またはエネルギー変換に使用される電圧レベルを指します。 2 - レベルのインバータには、高と低の 2 つの電圧レベルしかなく、設計が簡単で、低コストの - アプリケーションに適しています。ただし、3 つの - レベル インバータは、- 点の中間電圧を導入し、3 つの電圧レベルを提供します。これにより、より細かい電圧制御が可能になり、システム レベルでいくつかの重要な利点があります。¹.

1. 3 つのレベルのテクノロジーの意味-

1980 年代に、日本人学者の難波江氏は、ダイオード クランプに基づく 3 レベル インバータ回路を提案しました。-その典型的なトポロジ構造を次の図に示します。インバータ回路全体の各ブリッジ アームは、4 つの絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ (IGBT) と 6 つのダイオードで構成されています。

3 レベル回路はトポロジが比較的複雑ですが、ハイ レベルとロー レベルしか出力できない従来の 2 レベル インバータ回路と比較すると、この新しいインバータ回路は上部と下部の真空管のターンオンを通じてハイ レベルとロー レベルを出力し、中間ダイオードのクランプ効果を通じてゼロ レベルを出力することができ、合計 3 つのレベル状態になります。したがって、3レベルインバータ回路と呼ばれます。

次の図の A 相のインバータ ブリッジ アームの中点の電位変化を例として、3 つのレベルの具体的な意味を簡単に説明します。

• A- 相ブリッジ アームの 2 つの IGBT が導通している場合、点 A の電位は正母線の電位と同じ U/2 になります。ループ 1 に示すように、各 IGBT が負担するストレス プラットフォーム電圧は U/2 です。

• A- 相ブリッジ アームの下側ブリッジ アームの 2 つの IGBT が導通している場合、ループ 2 に示すように、点 A の電位は負のバス電位と同じ -U/2 となり、各 IGBT が耐えるストレス プラットフォーム電圧は U/2 になります。

• A- 相ブリッジ アームの 2 番目の IGBT とバイパス クランプ ダイオードが導通しているとき、A- 相インバータ ブリッジは A フリーホイール状態にあり、ループ 3 に示すように、点 A の電位はバスの中点の電位と同じで 0 になります。

上記の A 相の 3 つの導通回路から、点 A の電位は U/2、0、-U/2 の 3 つのレベルを示すことができることがわかります。したがって、この状態は 3 レベル状態と呼ばれます-².

2.共通の 3 つの - レベルのトポロジ

2.1NPC1 トポロジ

NPC1 (中立 - ポイント - クランプ) トポロジは、最も古典的な 3 つの - レベル トポロジの 1 つです。電流経路とゼロ - レベル変換メカニズムを最適化することで、損失分布を最適化し、EMI を改善します。

インバータ条件下では、導通損失やスイッチング損失など、NPC1 の損失は主に T1/T4 チューブに集中します。 T2/T3はノーマルオープン状態であり、損失は主に導通損失となります。 D5/D6 は転流中に導通し、その損失には導通損失と逆回復損失が含まれます。

整流条件下では、損失は主に D1/D4 管と T2/T3 管に集中します。 D1/D4 チューブには導通損失と逆回復損失があり、T2/T3 チューブには転流中に導通損失とスイッチング損失が発生します。対照的に、D2/D3 および D5/D6 チューブには伝導損失のみがあります。

2.2 NPC2 トポロジ

NPC2 トポロジは、NPC1 トポロジに基づいて改良されたものです。 NPC2 では、エミッタまたはコレクタが共通の IGBT と反 - 並列ダイオードを使用して NPC1 のクランプ ダイオードを置き換え、ダイオードの数を 2 つ減らします。 NPC2 では、T1/T4 チューブがバス電圧の全電圧を負担し、T2/T3 チューブがバス電圧の半分を負担します。

インバータ条件では、正の半サイクル - では、T2 はノーマルオープンのままで、T1 と D3 は転流します。負の半分の - サイクルでは、T3 は通常開いたままになり、T4 と D2 が整流します。

整流条件における転流過程も NPC1 と同様ですが、クランプ部の構造が異なるため、損失分布が NPC1 とは異なります。一般に、中程度の - と低い - のスイッチング - 周波数範囲では、NPC2 トポロジの総損失は NPC1 トポロジの損失よりも低くなります。

2.3ANPC トポロジ

ANPC (アクティブ中性点 - 点 - クランプ) トポロジは、NPC1 のクランプ ダイオードを IGBT と逆 - 並列ダイオードに置き換えることによって形成されます。 2 つのゼロ - レベルの整流パスを拡張し、ゼロ - レベルの整流パスの選択と制御を通じて、よりバランスの取れた損失分散とより小さな整流ループ浮遊インダクタンスを実現できます。³.

3.3つの-レベルインバータの制御方法

3.1電圧制御

3.1.1DC - 側電圧制御

太陽光発電システムでは、インバータの直流-側電圧を安定に保つ必要があります。 DC - 側の電圧は主に太陽光発電パネルによって供給されます。光量や温度などの影響により、太陽光発電パネルの出力電圧は変動します。したがって、DC - 側の電圧制御戦略が必要です。一般的に使用される方法には、昇圧コンバータまたは降圧 - 昇圧コンバータをインバータの前に使用して、DC - 側の電圧を安定した値に調整することが含まれます。たとえば、太陽光発電パネルの出力電圧が必要な値より低い場合、昇圧コンバータは電圧を高めることができます。それが高い場合、降圧 - コンバータは電圧を適切なレベルに調整できます。

3.1.2中点-点の電位制御

3 つの - レベルのインバータでは、中点 - 点の電位変動が一般的な問題であり、特に NPC - タイプのトポロジでは顕著です。中点 - 点の電位変動は、出力電圧波形の品質とデバイスの信頼性に影響を与えます。中点 - 点の電位を制御するには多くの方法があります。 1 つの方法は、共通の - モード成分を変調信号に追加することです。たとえば、正弦波パルス - 幅変調 (SPWM) 方式では、中間 - 点電位の安定性を維持するために、特定の一般的な - モード電圧を基準電圧に追加して、中間点 - 点コンデンサの充放電時間を調整します。もう1つの方法は、フィードバック制御システムを使用して中点-点の電位を検出し、偏差に応じてインバータのスイッチング状態を調整して中点-点の電位バランスを達成することです。⁴.

3.2電流制御

3.2.1グリッド - 接続電流制御

グリッド - に接続された太陽光発電インバータの場合、出力電流がグリッド電圧と同じ周波数および位相であることを確認する必要があります。これは、グリッド - に接続された電流制御戦略によって実現されます。一般的な方法は、位相 - ロック ループ (PLL) を使用して出力電流をグリッド電圧と同期させることです。 PLL は、グリッド電圧の周波数と位相を迅速かつ正確に追跡できます。 PLL の出力に基づいて、比例 - 積分 (PI) コントローラーや比例 - 共振 (PR) コントローラーなどの電流コントローラーが設計されます。電流コントローラは、基準電流と実際の出力電流の間の偏差に従ってインバータの出力電圧を調整し、出力電流が系統 - の接続要件を確実に満たすようにします。

3.2.2出力電流高調波制御

グリッド電圧と同じ周波数と位相を確保することに加えて、出力電流の高調波成分を制御することも必要です。前述したように、3 つの - レベル インバータは、2 つの - レベル インバータよりも出力電流の高調波成分が低くなりますが、一部の高精度の - アプリケーション シナリオでは、さらなる高調波制御が依然として必要です。これは、変調戦略を最適化することで実現できます。たとえば、従来の SPWM の代わりに空間 - ベクトル パルス - 幅変調 (SVPWM) を使用すると、出力電流の高調波成分を低減できます。さらに、高調波フィードフォワード制御 - やマルチ - 高調波補償制御などの高度な制御アルゴリズムを使用して、出力電流の高調波成分をさらに低減することもできます。⁵.

4.2つの-レベルインバータと比較した3つの-レベルインバータの利点

4.1 電圧出力波形

2-レベルのインバータ回路によって出力される電圧波形:

3 レベルのインバータ回路によって出力される電圧波形:-:

3 レベル インバータの基本原理は、複数のレベルを使用してステップ波を合成し、正弦波出力電圧に近似することです。 2- レベルのインバータと比較して追加の出力レベルがあるため、出力される PWM 波形は正弦波形に近くなります。上の 2 つの図は、2 つの- レベルと 3 つの- レベルのインバータによって出力される PWM 波形の比較です。 3 レベル インバータによって出力される PWM 波形は正弦波に近く、リップル成分が少ないことが直感的に区別できます。⁶.

4.2 スイッチング損失

3- レベルのインバータ回路では、DC バス電圧 U が 2 つの IGBT によって共有されます。ブリッジ アームの各 IGBT が負担する電圧は、DC 側の入力電圧の半分、U/2 です。 2-レベルのインバータ回路では、1 つの IGBT のみが DC バス電圧を負担し、ブリッジ アームの各 IGBT が負担する電圧は直接 DC 側の入力電圧、つまり U です。したがって、3- レベルのインバータ回路では、IGBT は導通の開始時とターンオフの終了時に 2 つの-レベルの電圧の半分の電圧を負担します-。これにより、3 レベル IGBT のスイッチング損失が 2 レベル 1 レベルの IGBT よりもはるかに小さいことがわかります。-⁷.

4.3 高周波

高電圧 IGBT は印加電圧レベルの影響を受け、スイッチング周波数とスイッチング速度が低電圧 IGBT よりも大幅に小さくなります。-ただし、3 レベルのシステムにより、低電圧 IGBT の高周波アプリケーションが可能になります。{{4}アクティブパワーフィルタと比較すると、スイッチング周波数のレベルは補償の速度だけでなく、達成可能な補償周波数範囲の幅も直接反映します。スイッチング周波数が配置される周波数帯域が高いほど、フィルターが実装するために選択できるフィルター周波数帯域が広くなるほど、帯域は狭くなる必要があります。逆に、狭くする必要があります⁸.

4.4 定量的な比較

SMA の製品ラインの進化がその良い証拠です。

• - 2 レベルのテクノロジー製品: Sunny Tripower シリーズ。

• 3 レベルのテクノロジー製品: Sunny Highpower シリーズ。-

上の 2 つのグラフのデータから、{0}} レベルの 2 つの技術の太陽光発電インバータ製品の最大効率は 98.1% であり、ヨーロッパでの効率は 97.8% であることがわかります。 3- レベル技術の太陽光発電インバータ製品の最大効率は 99.1% に達することができ、ヨーロッパでは 98.8% に達することがあります。 2 つを比較すると、3 つのレベルのテクノロジー製品の効率が 1% 向上していることがわかります。-⁹.

5.今後の開発動向

5.1 新しい半導体材料との統合

半導体技術の発展に伴い、炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）などの新しい半導体材料が徐々にインバータに適用されています。これらの材料は、従来のシリコン材料よりも電子移動度が高く、降伏電圧が高く、- 抵抗が低くなります。 3 つの - レベルのインバーター技術を新しい半導体材料と統合することで、インバーターの性能をさらに向上させることができます。たとえば、3 つの - レベルのインバータに SiC MOSFET を使用すると、デバイスのスイッチング損失と導通損失が削減され、インバータの効率が向上し、スイッチング周波数が増加します。これにより、インバータのサイズと重量がさらに削減され、電力密度が向上します。

5.2 インテリジェント化とデジタル化

将来的には、3 つの - レベルのインバータがよりインテリジェントになり、デジタル化されるでしょう。マイクロエレクトロニクス技術とデジタル制御技術の発展により、インバーターにはより高度なデジタルコントローラーやセンサーを装備できるようになりました。これらのデジタル コントローラーは、適応制御、予測制御、障害 - 診断と自己 - 修復制御など、より複雑な制御アルゴリズムを実装できます。センサーは、温度、電圧、電流、デバイスの健全性ステータスなど、インバータの動作ステータスをリアルタイムで監視できます -。インテリジェントなアルゴリズムとリアルタイム-監視を通じて、インバータは実際の状況に応じて動作パラメータを調整し、システムの効率と信頼性を向上させ、遠隔監視とインテリジェントな管理を実現します。

5.3 より高い - 電圧およびより高い - 電力のアプリケーション

太陽光発電の規模が拡大し続けるにつれ、より高電圧の-およびより高電力の-インバータの需要も増加しています。 3 - レベルのインバーター技術には、この需要を満たす可能性があります。 3 つの - レベル インバータのトポロジーと制御戦略を最適化し、高 - 電圧 - 定格デバイスを使用することにより、3 つの - レベル インバータの出力電圧と電力をさらに高めることができます。これは、大規模な - 規模の太陽光発電所や高電圧 - 送電 - 線 - に接続された太陽光発電システムにとって非常に重要であり、必要なインバータの数を減らし、システム構造を簡素化し、システム全体のコストを削減できます。¹⁰.

1. Yu、Chengzhuo、2023、系統接続太陽光発電システム用の 3 レベル PWM インバータの制御-。
2. Zhihu、3 つのレベルのテクノロジーの優位性について説明します。-
3. 非ネットワーク、3 レベルの回路原理と一般的な回路トポロジ分析。-
4. 電子愛好家。T{0}} タイプ 3- レベルの太陽光発電グリッド-接続のインバータ設計スキーム。
5. Tang、Yao、2023 年、高電力アプリケーション向けのインターリーブ 3-レベル T- 型インバーターの設計と制御。
6. 電子愛好家、3 レベル システムと 2 レベル システムの利点の比較-。-
7. CSDN、2{0}}レベルと 3- レベルの違い。
8. Baidu Wenku、2 つの-レベルと 3- レベルの比較。
9. SMA、SMA の公式 Web サイトからの製品データ。
10. Qitian Power、3 レベル トポロジ並列インバータ-。