Wechselrichter spielen eine entscheidende Rolle in Photovoltaik-Stromerzeugungssystemen. Sie wandeln den von Photovoltaikmodulen erzeugten Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) um, der für den Netzanschluss oder die Lastnutzung geeignet ist. Die Entwicklung der Wechselrichtertechnologie hat sich ständig weiterentwickelt, um den Anforderungen höherer Effizienz, besserer Stromqualität und niedrigeren Kosten gerecht zu werden. Die Drei-Ebenen-Wechselrichtertechnologie ist einer der wichtigsten Fortschritte auf diesem Gebiet.
Der Pegelbegriff bei Wechselrichtern bezeichnet den Spannungspegel, der zur Signalübertragung bzw. Energieumwandlung genutzt wird. Ein zweistufiger Wechselrichter hat nur zwei Spannungsebenen, hoch und niedrig, was einfach im Design ist und für kostengünstige Anwendungen geeignet ist. Dreistufige Wechselrichter führen jedoch einen Spannungsmittelpunkt ein und stellen drei Spannungsniveaus bereit, was eine feinere Spannungssteuerung ermöglicht und mehrere wesentliche Vorteile auf Systemebene bietet1.
1.Die Bedeutung der Drei-Ebenen-Technologie
In den 1980er Jahren schlug der japanische Wissenschaftler Nabae eine dreistufige Wechselrichterschaltung vor, die auf Diodenklemmung basiert. Seine typische topologische Struktur ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Jeder Brückenzweig der gesamten Wechselrichterschaltung besteht aus 4 Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) und 6 Dioden.
Obwohl die Topologie der dreistufigen Schaltung relativ komplexer ist als die herkömmliche zweistufige Wechselrichterschaltung, die nur hohe und niedrige Pegel ausgeben kann, kann diese neuartige Wechselrichterschaltung durch das Einschalten der oberen und unteren Röhren hohe und niedrige Pegel ausgeben und durch den Klemmeffekt der Zwischendiode einen Nullpegel ausgeben, was insgesamt drei Pegelzustände ergibt. Daher spricht man von einer dreistufigen Wechselrichterschaltung.
Nehmen Sie die Potenzialänderung in der Mitte des Wechselrichterbrückenzweigs der Phase A in der folgenden Abbildung als Beispiel, um die spezifische Bedeutung der drei Ebenen kurz zu beschreiben.
- Wenn die beiden IGBTs am A-Phasen-Brückenzweig leitend sind, ist das Potenzial am Punkt A dasselbe wie das des positiven Busses, nämlich U/2. Die Belastungsplattformspannung, der jeder IGBT ausgesetzt ist, beträgt U/2, wie in Schleife 1 dargestellt.
- Wenn die beiden IGBTs des unteren Brückenzweigs des A-Phasen-Brückenzweigs leitend sind, ist das Potenzial am Punkt A dasselbe wie das negative Buspotenzial, das -U/2 beträgt, und die von jedem IGBT ausgehaltene Belastungsplattformspannung beträgt U/2, wie in Schleife 2 dargestellt.
- Wenn der zweite IGBT am A-Phasen-Brückenzweig und die Bypass-Klemmdiode leitend sind, befindet sich die A-Phasen-Wechselrichterbrücke im Freilaufzustand A und das Potenzial am Punkt A ist dasselbe wie das am Mittelpunkt des Busses, der 0 ist, wie in Schleife 3 dargestellt.
Aus den drei oben beschriebenen Stromkreisen der Phase A lässt sich erkennen, dass das Potenzial am Punkt A drei Niveaus aufweisen kann: U/2, 0 und -U/2, weshalb es als Dreiniveauzustand bezeichnet wird2.
2.Gemeinsame Topologien mit drei Ebenen
2.1NPC1-Topologie
Die NPC1-Topologie (Neutral – Punkt – Klemme) ist eine der klassischsten Topologien mit drei Ebenen. Es optimiert die Verlustverteilung und verbessert die EMI durch Optimierung des Strompfads und des Nullpegelumwandlungsmechanismus.
Unter Wechselrichterbedingungen konzentrieren sich die Verluste von NPC1 hauptsächlich auf die T1/T4-Röhren, einschließlich Leitungsverlusten und Schaltverlusten. T2/T3 befindet sich im normalerweise offenen Zustand und der Verlust ist hauptsächlich ein Leitungsverlust. D5/D6 leitet während der Kommutierung und seine Verluste umfassen Leitungsverluste und Rückgewinnungsverluste.
Unter Rektifikationsbedingungen konzentrieren sich die Verluste hauptsächlich auf D1/D4-Röhren und T2/T3-Röhren. D1/D4-Röhren weisen Leitungsverluste und Sperrverzögerungsverluste auf, während T2/T3-Röhren Leitungsverluste und Schaltverluste während der Kommutierung erzeugen. Im Gegensatz dazu weisen D2/D3- und D5/D6-Röhren nur Leitungsverluste auf.
2.2 NPC2-Topologie
Die NPC2-Topologie ist eine Verbesserung basierend auf der NPC1-Topologie. In NPC2 werden die Klemmdioden in NPC1 durch ein Paar IGBTs mit gemeinsamen Emittern oder Kollektoren und antiparallelen Dioden ersetzt, wodurch die Anzahl der Dioden um zwei reduziert wird. In NPC2 tragen die T1/T4-Röhren die volle Busspannung und die T2/T3-Röhren die halbe Busspannung.
Im Wechselrichterzustand bleibt T2 im positiven Halbzyklus normalerweise offen und T1 und D3 kommutieren; In der negativen Halbwelle bleibt T3 normalerweise geöffnet und T4 und D2 kommutieren.
Im Gleichrichtungszustand ähnelt der Kommutierungsprozess ebenfalls dem von NPC1, aufgrund der unterschiedlichen Struktur des Klemmteils unterscheidet sich die Verlustverteilung jedoch von der von NPC1. Generell ist im mittleren und niedrigen Schaltfrequenzbereich der Gesamtverlust der NPC2-Topologie geringer als der der NPC1-Topologie.
2.3ANPC-Topologie
Die ANPC-Topologie (Active Neutral – Point – Clamped) entsteht durch Ersetzen der Klemmdioden in NPC1 durch IGBTs und antiparallele Dioden. Es erweitert zwei Null-Pegel-Kommutierungspfade und durch die Auswahl und Steuerung der Null-Pegel-Kommutierungspfade können eine ausgeglichenere Verlustverteilung und eine kleinere Streuinduktivität der Kommutierungsschleife erreicht werden3.
3. Steuerungsmethoden von Drei-Ebenen-Wechselrichtern
3.1 Spannungsregelung
3.1.1DC – Seitenspannungsregelung
In einem Photovoltaik-Stromerzeugungssystem ist es notwendig, die Stabilität der gleichstromseitigen Spannung des Wechselrichters aufrechtzuerhalten. Die Spannung auf der Gleichstromseite wird hauptsächlich von den Photovoltaikmodulen bereitgestellt. Aufgrund des Einflusses von Faktoren wie Lichtintensität und Temperatur schwankt die Ausgangsspannung der Photovoltaikmodule. Daher ist eine gleichstromseitige Spannungsregelungsstrategie erforderlich. Zu den häufig verwendeten Methoden gehört die Verwendung eines Hochsetzstellers oder eines Tiefsetzstellers vor dem Wechselrichter, um die Spannung auf der Gleichstromseite auf einen stabilen Wert einzustellen. Wenn beispielsweise die Ausgangsspannung der Photovoltaikmodule unter dem erforderlichen Wert liegt, kann der Aufwärtswandler die Spannung erhöhen; Wenn sie höher ist, kann der Tief-Hochsetzsteller die Spannung auf den entsprechenden Wert einstellen.
3.1.2Mittelpunkt-Potenzialkontrolle
Bei Wechselrichtern mit drei Ebenen ist die Potenzialschwankung in der Mitte ein häufiges Problem, insbesondere bei NPC-Topologien. Die Potentialschwankung in der Mitte wirkt sich auf die Qualität der Ausgangsspannungswellenform und die Zuverlässigkeit des Geräts aus. Es gibt viele Methoden, um das Mittelpotential zu kontrollieren. Eine Methode besteht darin, dem Modulationssignal eine Gleichtaktkomponente hinzuzufügen. Beispielsweise wird bei der Methode der sinusförmigen Pulsweitenmodulation (SPWM) eine bestimmte Gleichtaktspannung zur Referenzspannung addiert, um die Lade- und Entladezeit des Mittelpunktkondensators anzupassen und so die Stabilität des Mittelpunktpotentials aufrechtzuerhalten. Eine andere Methode besteht darin, ein Rückkopplungssystem zu verwenden, um das Mittelpunktpotential zu erkennen und die Schaltzustände des Wechselrichters entsprechend der Abweichung anzupassen, um ein Gleichgewicht des Mittelpunktpotentials zu erreichen4.
3.2 Stromsteuerung
3.2.1Netz – Verbundene Stromregelung
Bei netzgekoppelten Photovoltaik-Wechselrichtern muss sichergestellt werden, dass der Ausgangsstrom die gleiche Frequenz und Phase wie die Netzspannung hat. Dies wird durch eine netzgebundene Stromregelungsstrategie erreicht. Eine gängige Methode ist die Verwendung einer Phasenregelschleife (PLL), um den Ausgangsstrom mit der Netzspannung zu synchronisieren. Der PLL kann die Frequenz und Phase der Netzspannung schnell und genau verfolgen. Basierend auf dem Ausgang der PLL wird ein Stromregler entworfen, beispielsweise ein Proportional-Integral-Regler (PI) oder ein Proportional-Resonanz-Regler (PR). Der Stromregler passt die Ausgangsspannung des Wechselrichters entsprechend der Abweichung zwischen dem Referenzstrom und dem tatsächlichen Ausgangsstrom an, um sicherzustellen, dass der Ausgangsstrom den Netzanschlussanforderungen entspricht.
3.2.2 Oberschwingungskontrolle des Ausgangsstroms
Neben der Sicherstellung der gleichen Frequenz und Phase wie die Netzspannung ist es auch notwendig, den Oberschwingungsgehalt des Ausgangsstroms zu kontrollieren. Wie oben erwähnt, haben Wechselrichter mit drei Ebenen einen geringeren Oberwellengehalt im Ausgangsstrom als Wechselrichter mit zwei Ebenen, aber in einigen hochpräzisen Anwendungsszenarien ist dennoch eine weitere Oberwellenkontrolle erforderlich. Dies kann durch eine Optimierung der Modulationsstrategie erreicht werden. Beispielsweise kann die Verwendung von Raumvektor-Pulsweitenmodulation (SVPWM) anstelle der herkömmlichen SPWM den Oberwellengehalt des Ausgangsstroms reduzieren. Darüber hinaus können einige fortschrittliche Steueralgorithmen, wie z. B. die harmonische Vorwärtssteuerung und die Kompensationssteuerung für mehrere Harmonische, verwendet werden, um den Oberwellengehalt des Ausgangsstroms weiter zu reduzieren5.
4. Vorteile von Drei-Ebenen-Wechselrichtern im Vergleich zu Zwei-Ebenen-Wechselrichtern
4.1 Spannungsausgangswellenform
Die von der zweistufigen Wechselrichterschaltung ausgegebene Spannungswellenform:
Die von einer dreistufigen Wechselrichterschaltung ausgegebene Spannungswellenform:
Das Grundprinzip eines dreistufigen Wechselrichters besteht darin, mehrere Stufen zu verwenden, um eine Stufenwelle zu synthetisieren, um eine sinusförmige Ausgangsspannung anzunähern. Aufgrund des zusätzlichen Ausgangspegels im Vergleich zu einem Zwei-Level-Wechselrichter ähnelt die von ihm ausgegebene PWM-Welle eher einer Sinuswellenform. Die beiden obigen Abbildungen sind ein Vergleich der PWM-Wellenformen, die von zweistufigen und dreistufigen Wechselrichtern ausgegeben werden. Es lässt sich intuitiv erkennen, dass die vom dreistufigen Wechselrichter ausgegebene PWM-Wellenform näher am Sinus liegt und einen geringeren Welligkeitsgehalt aufweist6.
4.2 Schaltverlust
In einer dreistufigen Wechselrichterschaltung teilen sich zwei IGBTs die Zwischenkreisspannung U. Die von jedem IGBT am Brückenzweig getragene Spannung beträgt die Hälfte der Eingangsspannung auf der Gleichstromseite, U/2. In einer Wechselrichterschaltung mit zwei Ebenen trägt nur ein IGBT die DC-Busspannung, und die Spannung, die von jedem IGBT am Brückenzweig getragen wird, ist direkt die Eingangsspannung auf der Gleichstromseite, d. Daraus ergibt sich, dass der Schaltverlust des dreistufigen IGBT viel geringer ist als der des zweistufigen IGBT7.
4.3 Hochfrequenz
Hochspannungs-IGBTs werden vom Anwendungsspannungsniveau beeinflusst, was dazu führt, dass ihre Schaltfrequenz und Schaltgeschwindigkeit viel geringer sind als die von Niederspannungs-IGBTs. Das dreistufige System ermöglicht jedoch den Hochfrequenzeinsatz von Niederspannungs-IGBTs. Im Vergleich zu aktiven Leistungsfiltern spiegelt die Höhe der Schaltfrequenz nicht nur direkt die Kompensationsgeschwindigkeit, sondern auch die Breite des erreichbaren Kompensationsfrequenzbereichs wider. Je höher das Frequenzband ist, in dem sich die Schaltfrequenz befindet. Je breiter das Filterfrequenzband ist, das ein Filter implementieren kann, desto schmaler sollte es sein. umgekehrt, desto schmaler sollte es sein8.
4.4 Quantitativer Vergleich
Die Entwicklung der Produktlinie von SMA ist ein guter Beweis.
- Produkt mit zweistufiger Technologie: Sunny Tripower-Serie.
- Produkt mit dreistufiger Technologie: Sunny Highpower-Serie.
Aus den Daten in den beiden obigen Diagrammen lässt sich ableiten, dass der maximale Wirkungsgrad der Photovoltaik-Wechselrichterprodukte mit zweistufiger Technologie 98,1 % beträgt und der Wirkungsgrad in Europa 97,8 % beträgt. Der maximale Wirkungsgrad der Photovoltaik-Wechselrichterprodukte mit Drei-Stufen-Technologie kann 99,1 % erreichen, während er in Europa 98,8 % betragen kann. Durch den Vergleich der beiden kann festgestellt werden, dass die Effizienz der dreistufigen Technologieprodukte um 1 % gestiegen ist9.
5. Zukünftige Entwicklungstrends
5.1 Integration mit neuen Halbleitermaterialien
Mit der Entwicklung der Halbleitertechnologie werden nach und nach neue Halbleitermaterialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) in Wechselrichtern eingesetzt. Diese Materialien haben eine höhere Elektronenmobilität, eine höhere Durchbruchspannung und einen geringeren Einschaltwiderstand als herkömmliche Siliziummaterialien. Durch die Integration der dreistufigen Wechselrichtertechnologie mit neuen Halbleitermaterialien kann die Leistung von Wechselrichtern weiter verbessert werden. Beispielsweise kann die Verwendung von SiC-MOSFETs in dreistufigen Wechselrichtern den Schaltverlust und den Leitungsverlust der Geräte reduzieren, die Effizienz des Wechselrichters verbessern und die Schaltfrequenz erhöhen, was zu einer weiteren Reduzierung der Größe und des Gewichts des Wechselrichters und einer Verbesserung seiner Leistungsdichte beiträgt.
5.2 Intelligentisierung und Digitalisierung
In Zukunft werden Dreipunkt-Wechselrichter intelligenter und digitalisierter sein. Mit der Entwicklung der Mikroelektronik-Technologie und der digitalen Steuerungstechnik können Wechselrichter mit fortschrittlicheren digitalen Steuerungen und Sensoren ausgestattet werden. Diese digitalen Steuerungen können komplexere Steuerungsalgorithmen implementieren, z. B. adaptive Steuerung, prädiktive Steuerung sowie Fehlerdiagnose- und Selbstreparatursteuerung. Die Sensoren können den Betriebsstatus des Wechselrichters in Echtzeit überwachen, z. B. Temperatur, Spannung, Strom und Gerätezustand. Durch intelligente Algorithmen und Echtzeitüberwachung kann der Wechselrichter seine Betriebsparameter an die tatsächliche Situation anpassen, die Effizienz und Zuverlässigkeit des Systems verbessern und eine Fernüberwachung und intelligente Verwaltung realisieren.
5.3 Anwendungen mit höherer Spannung und höherer Leistung
Da der Umfang der Photovoltaik-Stromerzeugung weiter zunimmt, steigt auch die Nachfrage nach Wechselrichtern mit höherer Spannung und höherer Leistung. Die Drei-Ebenen-Wechselrichtertechnologie hat das Potenzial, diesen Bedarf zu decken. Durch die Optimierung der Topologie und Steuerungsstrategie von Drei-Ebenen-Wechselrichtern und die Verwendung von Hochspannungsgeräten können die Ausgangsspannung und die Leistung von Drei-Ebenen-Wechselrichtern weiter erhöht werden. Dies ist von großer Bedeutung für große Photovoltaikkraftwerke und mit Hochspannungsübertragungsleitungen verbundene Photovoltaik-Erzeugungssysteme, die die Anzahl der erforderlichen Wechselrichter reduzieren, die Systemstruktur vereinfachen und die Gesamtkosten des Systems senken können10.
- Yu, Chengzhuo, 2023, Steuerung eines 3-stufigen PWM-Wechselrichters für netzgekoppelte Photovoltaik-Erzeugungssysteme.
- Zhihu, Erklärung der Überlegenheit der Drei-Ebenen-Technologie.
- Nicht-Netzwerk-, Drei-Ebenen-Schaltungsprinzip und Analyse der gemeinsamen Schaltungstopologie.
- Elektronik-Enthusiasten, Entwurfsschema für netzgekoppelte Photovoltaik-Wechselrichter vom Typ T mit drei Ebenen.
- Tang, Yao, 2023, Design und Steuerung eines verschachtelten dreistufigen T-Typ-Wechselrichters für Hochleistungsanwendungen.
- Elektronik-Enthusiasten, ein Vergleich der Vorteile von dreistufigen und zweistufigen Systemen.
- CSDN, Der Unterschied zwischen zwei Ebenen und drei Ebenen.
- Baidu Wenku, Vergleich zwischen zwei Ebenen und drei Ebenen.
- SMA, Produktdaten von der offiziellen Website von SMA.
- Qitian Power, Parallelwechselrichter mit dreistufiger Topologie.
