인버터는 태양광 발전 시스템에서 중요한 역할을 하며, 태양광 패널에서 생성된 직류(DC)를 그리드 연결 또는 부하 사용에 적합한 교류(AC)로 변환합니다. 인버터 기술의 개발은 더 높은 효율, 더 나은 전력 품질, 더 낮은 비용에 대한 요구 사항을 충족하기 위해 끊임없이 발전해 왔습니다. 3개 - 레벨 인버터 기술은 이 분야의 중요한 발전 중 하나입니다.
인버터의 레벨 개념은 신호 전송이나 에너지 변환에 사용되는 전압 레벨을 나타냅니다. 2개의 - 레벨 인버터에는 높음과 낮음의 두 가지 전압 레벨만 있으므로 설계가 간단하고 저렴한 - 비용 애플리케이션에 적합합니다. 그러나 3개의 - 레벨 인버터는 전압 중간 - 지점을 도입하여 3개의 전압 레벨을 제공하므로 더 미세한 전압 제어가 가능하고 시스템 레벨에서 몇 가지 중요한 이점이 있습니다.1.
1.3{1}}레벨 기술의 의미
1980년대 일본 학자 Nabae는 다이오드 클램핑을 기반으로 한 3{1}레벨 인버터 회로를 제안했습니다. 일반적인 토폴로지 구조는 다음 그림에 나와 있습니다. 전체 인버터 회로의 각 브리지 암은 4개의 IGBT(절연 게이트 양극 트랜지스터)와 6개의 다이오드로 구성됩니다.
3-레벨 회로는 높은 레벨과 낮은 레벨만 출력할 수 있는 기존의 2-레벨 인버터 회로에 비해 토폴로지가 상대적으로 더 복잡하지만, 이 새로운 인버터 회로는 상부 및 하부 튜브의 턴온을 통해 높은 레벨과 낮은 레벨을 출력할 수 있으며, 중간 다이오드의 클램핑 효과를 통해 0 레벨을 출력하여 총 3가지 레벨 상태를 생성할 수 있습니다. 따라서 3-레벨 인버터 회로라고 합니다.
세 가지 레벨의 구체적인 의미를 간략하게 설명하기 위해 다음 그림에서 위상 A의 인버터 브리지 암 중간점의 전위 변화를 예로 들어 보겠습니다.
- A-상 브리지 암에 있는 2개의 IGBT가 전도 중일 때 A 지점의 전위는 U/2인 양극 버스의 전위와 동일합니다. 루프 1에 표시된 것처럼 각 IGBT가 부담하는 스트레스 플랫폼 전압은 U/2입니다.
- A-상 브리지 암의 하부 브리지 암에 있는 2개의 IGBT가 전도될 때 지점 A의 전위는 네거티브 버스 전위(-U/2)와 동일하며 루프 2에 표시된 것처럼 각 IGBT가 견디는 스트레스 플랫폼 전압은 U/2입니다.
- A-상 브리지 암의 두 번째 IGBT와 바이패스 클램핑 다이오드가 전도되면 A-상 인버터 브리지는 A 프리휠링 상태에 있고 지점 A의 전위는 루프 3에 표시된 대로 버스 중간점의 전위(0)와 동일합니다.
위에서 설명한 위상 A의 세 가지 전도 회로로부터 A 지점의 전위는 U/2, 0 및 -U/2의 세 가지 레벨을 나타낼 수 있으므로 이를 3-레벨 상태라고 합니다.2.
2.공통 3개 - 레벨 토폴로지
2.1NPC1 토폴로지
NPC1(중립 - 포인트 - 고정) 토폴로지는 가장 고전적인 3가지 - 레벨 토폴로지 중 하나입니다. 전류 경로와 제로 - 레벨 변환 메커니즘을 최적화하여 손실 분포를 최적화하고 EMI를 개선합니다.
인버터 조건에서 NPC1의 손실은 전도 손실 및 스위칭 손실을 포함하여 주로 T1/T4 튜브에 집중됩니다. T2/T3은 일반적으로 열린 상태에 있으며 손실은 주로 전도 손실입니다. D5/D6은 정류 중에 전도하며 그 손실에는 전도 손실과 역회복 손실이 포함됩니다.
정류 조건에서 손실은 주로 D1/D4 튜브와 T2/T3 튜브에 집중됩니다. D1/D4 튜브에는 전도 손실과 역회복 손실이 있는 반면, T2/T3 튜브는 정류 중에 전도 손실과 스위칭 손실을 발생시킵니다. 이와 대조적으로 D2/D3 및 D5/D6 튜브에는 전도 손실만 있습니다.
2.2 NPC2 토폴로지
NPC2 토폴로지는 NPC1 토폴로지를 기반으로 개선된 것입니다. NPC2에서는 공통 이미터 또는 컬렉터와 안티 - 병렬 다이오드가 포함된 한 쌍의 IGBT를 사용하여 NPC1의 클램핑 다이오드를 대체하여 다이오드 수를 2개 줄였습니다. NPC2에서 T1/T4 튜브는 전체 버스 전압을 전달하고 T2/T3 튜브는 버스 전압의 절반을 전달합니다.
인버터 조건의 양의 반 - 사이클에서 T2는 정상적으로 개방 상태를 유지하고 T1과 D3은 정류합니다. 음의 반 - 주기에서 T3은 정상적으로 열린 상태로 유지되고 T4와 D2는 방향 전환됩니다.
정류 조건에서도 정류 과정은 NPC1과 유사하지만 클램핑 부분의 구조가 다르기 때문에 손실 분포가 NPC1과 다릅니다. 일반적으로 중간 - 및 낮은 - 스위칭 - 주파수 범위에서 NPC2 토폴로지의 총 손실은 NPC1 토폴로지의 총 손실보다 낮습니다.
2.3ANPC 토폴로지
ANPC(액티브 뉴트럴 - 포인트 - 클램핑) 토폴로지는 NPC1의 클램핑 다이오드를 IGBT 및 안티 - 병렬 다이오드로 교체하여 구성됩니다. 두 개의 제로 - 레벨 정류 경로를 확장하고 제로 - 레벨 정류 경로의 선택 및 제어를 통해 보다 균형 잡힌 손실 분포와 더 작은 정류 루프 부유 인덕턴스를 달성할 수 있습니다.3.
3.3개의 - 레벨 인버터의 제어 방법
3.1전압 제어
3.1.1DC - 측 전압 제어
태양광 발전 시스템에서는 인버터의 DC - 측 전압의 안정성을 유지하는 것이 필요하다. DC - 측 전압은 주로 광전지 패널에서 제공됩니다. 광도 및 온도와 같은 요인의 영향으로 인해 광전지 패널의 출력 전압이 변동됩니다. 따라서 DC - 측 전압 제어 전략이 필요합니다. 일반적으로 사용되는 방법에는 부스트 컨버터 또는 인버터 앞의 벅 - 부스트 컨버터를 사용하여 DC - 측 전압을 안정적인 값으로 조정하는 방법이 있습니다. 예를 들어, 광전지 패널의 출력 전압이 필요한 값보다 낮을 때 부스트 컨버터는 전압을 높일 수 있습니다. 더 높으면 벅 - 부스트 컨버터가 전압을 적절한 수준으로 조정할 수 있습니다.
3.1.2중간 - 포인트 전위 제어
3개의 - 레벨 인버터에서 중간 - 지점 전위 변동은 특히 NPC - 유형 토폴로지에서 일반적인 문제입니다. 중간 - 지점 전위 변동은 출력 전압 파형 품질과 장치의 신뢰성에 영향을 미칩니다. 중간 -점 전위를 제어하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 한 가지 방법은 변조 신호에 공통 - 모드 구성 요소를 추가하는 것입니다. 예를 들어, 정현파 펄스 - 폭 변조(SPWM) 방법에서는 특정 공통 - 모드 전압을 기준 전압에 추가하여 중간 - 점 커패시터의 충전 및 방전 시간을 조정하여 중간 - 점 전위의 안정성을 유지합니다. 또 다른 방법은 피드백 제어 시스템을 사용하여 중간 -점 전위를 감지하고 편차에 따라 인버터의 스위칭 상태를 조정하여 중간 -점 전위 균형을 달성하는 것입니다.4.
3.2전류 제어
3.2.1Grid - 연결 전류 제어
그리드 -에 연결된 태양광 인버터의 경우 출력 전류가 그리드 전압과 동일한 주파수 및 위상에 있는지 확인해야 합니다. 이는 그리드 - 연결 전류 제어 전략을 통해 달성됩니다. 일반적인 방법은 위상 - 고정 루프(PLL)를 사용하여 출력 전류를 그리드 전압과 동기화하는 것입니다. PLL은 그리드 전압의 주파수와 위상을 빠르고 정확하게 추적할 수 있습니다. PLL의 출력을 기반으로 비례 - 적분(PI) 컨트롤러 또는 비례 - 공진(PR) 컨트롤러와 같은 전류 컨트롤러가 설계됩니다. 전류 컨트롤러는 기준 전류와 실제 출력 전류 간의 편차에 따라 인버터의 출력 전압을 조정하여 출력 전류가 그리드 - 연결 요구 사항을 충족하는지 확인합니다.
3.2.2출력전류 고조파 제어
그리드 전압과 동일한 주파수 및 위상을 보장하는 것 외에도 출력 전류의 고조파 함량을 제어하는 것도 필요합니다. 위에서 언급한 것처럼 3개의 - 레벨 인버터는 2개의 - 레벨 인버터보다 출력 전류 고조파 함량이 낮지만 일부 고정밀 - 애플리케이션 시나리오에서는 추가 고조파 제어가 여전히 필요합니다. 이는 변조 전략을 최적화하여 달성할 수 있습니다. 예를 들어, 기존 SPWM 대신 공간 - 벡터 펄스 - 폭 변조(SVPWM)를 사용하면 출력 전류의 고조파 함량을 줄일 수 있습니다. 또한 고조파 피드 - 순방향 제어 및 다중 - 고조파 보상 제어와 같은 일부 고급 제어 알고리즘을 사용하여 출력 전류의 고조파 함량을 더욱 줄일 수도 있습니다.5.
4. 2개의 - 레벨 인버터와 비교한 3개의 - 레벨 인버터의 장점
4.1 전압 출력 파형
2-레벨 인버터 회로에서 출력되는 전압 파형:
3개-레벨 인버터 회로에서 출력되는 전압 파형:
3-레벨 인버터의 기본 원리는 여러 레벨을 사용하여 계단파를 합성하여 정현파 출력 전압에 근접하는 것입니다. 2-레벨 인버터에 비해 추가 출력 레벨이 있기 때문에 출력하는 PWM 파는 정현파에 더 가깝습니다. 위의 두 그림은 2-레벨 인버터와 3-레벨 인버터에서 출력되는 PWM 파형을 비교한 것입니다. 3-레벨 인버터에 의해 출력되는 PWM 파형은 사인에 더 가깝고 리플 함량이 적은 것을 직관적으로 구별할 수 있습니다.6.
4.2 스위칭 손실
3{0}}레벨 인버터 회로에서 DC 버스 전압 U는 2개의 IGBT에 의해 공유됩니다. 브리지 암의 각 IGBT가 부담하는 전압은 DC 측 입력 전압 U/2의 절반입니다. 2-레벨 인버터 회로에서는 단 하나의 IGBT만이 DC 버스 전압을 전달하고 브리지 암의 각 IGBT가 전달하는 전압은 바로 DC 측의 입력 전압, 즉 U입니다. 따라서 3-레벨 인버터 회로에서 IGBT는 전도 시작과 종료 종료-에서 2-레벨 1 전압의 절반을 전달합니다. 이는 3개-레벨 IGBT의 스위칭 손실이 2개-레벨 1의 스위칭 손실보다 훨씬 작다는 것을 결정합니다.7.
4.3 고주파수
고전압 IGBT는 애플리케이션 전압 레벨의 영향을 받으며, 이로 인해 스위칭 주파수와 스위칭 속도가 저전압 IGBT보다 훨씬 작습니다.- 그러나 3{3}}레벨 시스템을 사용하면 저전압 IGBT의-고주파 애플리케이션이-가능합니다. 유효 전력 필터와 비교할 때 스위칭 주파수 수준은 보상 속도뿐만 아니라 달성 가능한 보상 주파수 범위의 폭도 직접적으로 반영합니다. 스위칭 주파수가 위치하는 주파수 대역이 높을수록 필터가 구현하기 위해 선택할 수 있는 필터링 주파수 대역은 넓어질수록 범위는 좁아져야 합니다. 반대로 폭이 더 좁아야 합니다.8.
4.4 정량적 비교
SMA 제품 라인의 발전은 좋은 증거입니다.
- 2{0}}레벨 기술 제품: Sunny Tripower 시리즈.
- 3-레벨 기술 제품: Sunny Highpower 시리즈.
위 두 그래프의 데이터에서 2{0}}레벨 기술의 태양광 인버터 제품의 최대 효율은 98.1%이고 유럽의 효율은 97.8%임을 알 수 있습니다. 3-레벨 기술의 태양광 인버터 제품의 최대 효율은 99.1%에 달할 수 있으며 유럽에서는 98.8%에 달할 수 있습니다. 두 가지를 비교하면 3-레벨 기술 제품의 효율성이 1% 증가한 것을 알 수 있습니다.9.
5.향후 개발 동향
5.1 새로운 반도체 소재와의 융합
반도체 기술이 발전하면서 실리콘카바이드(SiC), 질화갈륨(GaN) 등 새로운 반도체 소재가 점차 인버터에 적용되고 있다. 이러한 재료는 기존 실리콘 재료보다 전자 이동도가 높고 항복 전압이 높으며 - 저항이 낮습니다. 3개 -급 인버터 기술과 새로운 반도체 소재를 접목하면 인버터의 성능을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 3개의 - 레벨 인버터에 SiC MOSFET을 사용하면 소자의 스위칭 손실과 전도 손실을 줄이고, 인버터의 효율을 향상시키며, 스위칭 주파수를 높여 인버터의 크기와 무게를 더욱 줄이고 전력 밀도를 향상시키는 데 도움이 됩니다.
5.2 지능화와 디지털화
미래에는 3개의 - 레벨 인버터가 더욱 지능화되고 디지털화될 것입니다. 마이크로 일렉트로닉스 기술과 디지털 제어 기술의 발전으로 인버터에는 더욱 발전된 디지털 컨트롤러와 센서를 장착할 수 있게 되었습니다. 이러한 디지털 컨트롤러는 적응 제어, 예측 제어, 오류 - 진단 및 자체 - 수리 제어와 같은 보다 복잡한 제어 알고리즘을 구현할 수 있습니다. 센서는 온도, 전압, 전류, 장치 상태 등 인버터의 작동 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있습니다.- 지능형 알고리즘과 실시간 - 시간 모니터링을 통해 인버터는 실제 상황에 따라 작동 매개변수를 조정하고 시스템의 효율성과 신뢰성을 향상하며 원격 모니터링 및 지능형 관리를 실현할 수 있습니다.
5.3 더 높은 - 전압 및 더 높은 - 전력 애플리케이션
태양광 발전 규모가 지속적으로 확대됨에 따라 더 높은 - 전압 및 더 높은 - 전력 인버터에 대한 수요도 증가하고 있습니다. 3개 - 레벨 인버터 기술은 이러한 수요를 충족할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 3개의 - 레벨 인버터의 토폴로지 및 제어 전략을 최적화하고 높은 - 전압 - 정격 장치를 사용함으로써 3개의 - 레벨 인버터의 출력 전압과 전력을 더욱 높일 수 있습니다. 이는 대규모 - 규모의 태양광 발전소와 고- 전압 - 송전 - 선로 - 연결형 태양광 발전 시스템에 매우 중요하며, 이는 필요한 인버터 수를 줄이고 시스템 구조를 단순화하며 시스템의 전체 비용을 절감할 수 있습니다.10.
- Yu, Chengzhuo, 2023, 그리드-연결형 태양광 발전 시스템용 3레벨 PWM 인버터 제어.
- Zhihu, 3단계 기술의 우월성에 대한 설명-
- 비-네트워크, 3-레벨 회로 원리 및 공통 회로 토폴로지 분석.
- 전자 매니아인 T-유형 3-레벨 광전지 그리드-연결형 인버터 설계 방식입니다.
- Tang, Yao, 2023, 고전력 애플리케이션을 위한 인터리브 3{1}}레벨 T-형 인버터의 설계 및 제어.
- 전자 매니아, 3{0}}레벨 시스템과 2레벨 시스템-의 장점을 비교합니다.
- CSDN, 두-레벨과 세-레벨의 차이.
- Baidu Wenku, 두-레벨과 세-레벨 비교.
- SMA, SMA 공식 웹사이트의 제품 데이터입니다.
- Qitian Power, 3-레벨 토폴로지 병렬 인버터.
