Os inversores desempenham um papel crucial nos sistemas de geração de energia fotovoltaica, convertendo a corrente contínua (CC) gerada pelos painéis fotovoltaicos em corrente alternada (CA) adequada para conexão à rede ou uso de carga. O desenvolvimento da tecnologia de inversores tem evoluído constantemente para atender aos requisitos de maior eficiência, melhor qualidade de energia e menor custo. A tecnologia de inversor de três níveis - é um dos avanços importantes neste campo.
O conceito de nível em inversores refere-se ao nível de tensão utilizado para transmissão de sinal ou conversão de energia. Um inversor de dois níveis - tem apenas dois níveis de tensão, alto e baixo, que é simples em design e adequado para aplicações de baixo custo -. No entanto, três inversores de nível - introduzem um ponto médio de tensão -, fornecendo três níveis de tensão, o que permite um controle de tensão mais preciso e tem várias vantagens significativas no nível do sistema1.
1.O significado da tecnologia-de três níveis
Na década de 1980, o estudioso japonês Nabae propôs um circuito inversor de três{1}}níveis baseado em fixação de diodo. Sua estrutura topológica típica é mostrada na figura a seguir. Cada braço da ponte de todo o circuito inversor é composto por 4 transistores bipolares de porta isolada (IGBTs) e 6 diodos.
Embora o circuito de três{0}}níveis seja relativamente mais complexo em topologia, em comparação com o tradicional circuito inversor de dois{1}}níveis, que só pode produzir níveis altos e baixos, este novo circuito inversor pode produzir níveis altos e baixos através da ativação-dos tubos superiores e inferiores, e gerar nível zero através do efeito de fixação do diodo intermediário, totalizando três estados de nível. Portanto, é chamado de circuito inversor de três níveis.
Considere a mudança de potencial no ponto médio do braço da ponte do inversor da Fase A na figura a seguir como exemplo para descrever brevemente o significado específico dos três níveis.
- Quando os dois IGBTs no braço da ponte da fase A-estão conduzindo, o potencial no ponto A é o mesmo do barramento positivo, que é U/2. A tensão da plataforma de estresse que cada IGBT suporta é U/2, conforme mostrado no Loop 1.
- Quando os dois IGBTs do braço inferior da ponte do braço da ponte de fase A- estão conduzindo, o potencial no ponto A é o mesmo que o potencial negativo do barramento, que é -U/2, e a tensão da plataforma de estresse suportada por cada IGBT é U/2, conforme mostrado no loop 2.
- Quando o segundo IGBT no braço da ponte de fase A-e o diodo de fixação de bypass estão conduzindo, a ponte inversora de fase A-está em estado de roda livre, e o potencial no ponto A é o mesmo que no ponto médio do barramento, que é 0, conforme mostrado no loop 3.
Dos três circuitos condutores da fase A descritos acima, pode-se saber que o potencial no ponto A pode apresentar três níveis: U/2, 0 e -U/2, por isso é chamado de estado de três-níveis2.
2.Topologias comuns de três níveis -
2.1 Topologia NPC1
A topologia NPC1 (Neutral - Point - Clamped) é uma das topologias de três níveis - mais clássicas. Ele otimiza a distribuição de perdas e melhora o EMI, otimizando o caminho atual e o mecanismo de conversão de nível zero -.
Nas condições do inversor, as perdas do NPC1 concentram-se principalmente nos tubos T1/T4, incluindo perdas de condução e perdas de comutação. T2/T3 está no estado normalmente aberto e a perda é principalmente perda de condução. D5/D6 conduz durante a comutação e suas perdas incluem perdas de condução e perdas de recuperação reversa.
Em condições de retificação, as perdas concentram-se principalmente nos tubos D1/D4 e nos tubos T2/T3. Os tubos D1/D4 apresentam perdas de condução e perdas de recuperação reversa, enquanto os tubos T2/T3 geram perdas de condução e perdas de comutação durante a comutação. Em contraste, os tubos D2/D3 e D5/D6 apresentam apenas perdas de condução.
2.2 Topologia NPC2
A topologia NPC2 é uma melhoria baseada na topologia NPC1. No NPC2, um par de IGBTs com emissores ou coletores comuns e diodos anti{4}} paralelos são usados para substituir os diodos de fixação no NPC1, reduzindo o número de diodos em dois. No NPC2, os tubos T1/T4 suportam a tensão total do barramento e os tubos T2/T3 suportam metade da tensão do barramento.
Na condição inversor, no meio ciclo positivo -, T2 permanece normalmente aberto e T1 e D3 comutam; no meio ciclo negativo -, T3 permanece normalmente aberto e T4 e D2 comutam.
Na condição de retificação, o processo de comutação também é semelhante ao do NPC1, mas devido à estrutura diferente da peça de fixação, a distribuição das perdas é diferente da do NPC1. Geralmente, na faixa de frequência de comutação - média - e baixa -, a perda total da topologia NPC2 é menor do que a da topologia NPC1.
2.3 Topologia ANPC
A topologia ANPC (Active Neutral - Ponto - Clamped) é formada pela substituição dos diodos de fixação em NPC1 por IGBTs e diodos anti - paralelos. Ele expande dois caminhos de comutação de nível zero - e, através da seleção e controle dos caminhos de comutação de nível zero -, uma distribuição de perdas mais equilibrada e menor indutância parasita do circuito de comutação podem ser alcançadas3.
3. Métodos de controle de inversores de três níveis -
3.1 Controle de Tensão
3.1.1DC - Controle de Tensão Lateral
Em um sistema de geração de energia fotovoltaica é necessário manter a estabilidade da tensão do lado CC - do inversor. A tensão lateral DC - é fornecida principalmente pelos painéis fotovoltaicos. Devido à influência de fatores como intensidade da luz e temperatura, a tensão de saída dos painéis fotovoltaicos irá flutuar. Portanto, é necessária uma estratégia de controle de tensão do lado DC -. Os métodos comumente usados incluem o uso de um conversor boost ou um conversor buck - boost na frente do inversor para ajustar a tensão do lado DC - para um valor estável. Por exemplo, quando a tensão de saída dos painéis fotovoltaicos é inferior ao valor requerido, o conversor boost pode aumentar a tensão; quando for mais alto, o conversor buck - boost pode ajustar a tensão para o nível apropriado.
3.1.2 Controle de Potencial de Ponto Médio -
Em inversores de três níveis -, a flutuação potencial do ponto médio - é um problema comum, especialmente em topologias do tipo NPC -. A flutuação potencial do ponto médio - afetará a qualidade da forma de onda da tensão de saída e a confiabilidade do dispositivo. Existem muitos métodos para controlar o potencial do ponto médio -. Um método é adicionar um componente de modo - comum ao sinal de modulação. Por exemplo, no método de modulação por largura de pulso senoidal - (SPWM), uma certa tensão de modo comum - é adicionada à tensão de referência para ajustar o tempo de carga e descarga do capacitor do ponto médio -, de modo a manter a estabilidade do potencial do ponto médio -. Outro método é usar um sistema de controle de feedback para detectar o potencial do ponto médio - e ajustar os estados de comutação do inversor de acordo com o desvio para atingir o equilíbrio potencial do ponto médio -4.
3.2 Controle de Corrente
3.2.1Grid - Controle de corrente conectado
Para inversores fotovoltaicos conectados à rede -, é necessário garantir que a corrente de saída esteja na mesma frequência e fase da tensão da rede. Isto é conseguido através de uma estratégia de controle de corrente conectada à rede -. Um método comum é usar um loop bloqueado de fase - (PLL) para sincronizar a corrente de saída com a tensão da rede. O PLL pode rastrear com rapidez e precisão a frequência e a fase da tensão da rede. Com base na saída do PLL, um controlador de corrente é projetado, como um controlador proporcional - integral (PI) ou um controlador proporcional - ressonante (PR). O controlador de corrente ajusta a tensão de saída do inversor de acordo com o desvio entre a corrente de referência e a corrente de saída real para garantir que a corrente de saída atenda aos requisitos de conexão da rede -.
3.2.2 Controle Harmônico de Corrente de Saída
Além de garantir a mesma frequência e fase da tensão da rede, também é necessário controlar o conteúdo harmônico da corrente de saída. Como mencionado acima, três inversores de nível - têm menor conteúdo harmônico de corrente de saída do que dois inversores de nível -, mas em alguns cenários de aplicação de alta precisão -, ainda é necessário controle harmônico adicional. Isto pode ser conseguido otimizando a estratégia de modulação. Por exemplo, usar modulação de largura de pulso vetorial - espacial - (SVPWM) em vez do SPWM tradicional pode reduzir o conteúdo harmônico da corrente de saída. Além disso, alguns algoritmos de controle avançados, como controle direto de alimentação harmônica - e controle de compensação harmônica multi -, também podem ser usados para reduzir ainda mais o conteúdo harmônico da corrente de saída5.
4.Vantagens de inversores de três níveis - em comparação com inversores de dois níveis -
4.1 Forma de onda de saída de tensão
A saída da forma de onda de tensão pelo circuito inversor de dois{0}}níveis:
A forma de onda de tensão emitida por um circuito inversor de três{0}}níveis:
O princípio básico de um inversor de três{0}}níveis é usar vários níveis para sintetizar uma onda escalonada para aproximar uma tensão de saída senoidal. Devido a ter um nível de saída adicional em comparação com um inversor de dois níveis, a onda PWM que ele emite está mais próxima de uma forma de onda senoidal. As duas figuras acima são uma comparação da saída das formas de onda PWM por dois-inversores de nível e três-níveis. Pode-se distinguir intuitivamente que a saída da forma de onda PWM do inversor de três níveis está mais próxima do senoidal e tem menos conteúdo de ondulação6.
4.2 Perda de comutação
Em um circuito inversor de três{0}}níveis, a tensão do barramento CC U é compartilhada por dois IGBTs. A tensão suportada por cada IGBT no braço da ponte é metade da tensão de entrada no lado CC, U/2. Em um circuito inversor de dois{3}}níveis, apenas um IGBT suporta a tensão do barramento CC, e a tensão suportada por cada IGBT no braço da ponte é diretamente a tensão de entrada no lado CC, ou seja, U. Portanto, em um circuito inversor de três-níveis, o IGBT suporta metade da tensão dos dois-níveis um no início da condução e no final do desligamento-. Isso determina que a perda de comutação do IGBT de três{9}}níveis é muito menor do que a dos dois-níveis um7.
4.3 Alta Frequência
Os IGBTs de-alta tensão são afetados pelo nível de tensão da aplicação, o que determina que sua frequência e velocidade de comutação sejam muito menores que as dos IGBTs de-baixa tensão. No entanto, o sistema de três-níveis permite a aplicação de-alta frequência de IGBTs de baixa-tensão. Comparado com filtros de potência ativos, o nível de frequência de comutação reflete diretamente não apenas a velocidade de compensação, mas também a largura da faixa de frequência de compensação alcançável. Quanto mais alta for a banda de frequência onde a frequência de comutação está localizada, quanto mais ampla for a banda de frequência de filtragem que um filtro pode selecionar para implementar, mais estreita ela deverá ser; inversamente, quanto mais estreito deve ser8.
4.4 Comparação Quantitativa
A evolução da linha de produtos da SMA é uma boa prova.
- Produto de tecnologia-de dois níveis: Série Sunny Tripower.
- Produto de tecnologia de três{0}}níveis: Sunny Highpower Series.
A partir dos dados dos dois gráficos acima, pode-se obter que a eficiência máxima dos produtos inversores fotovoltaicos de tecnologia de dois{0}}níveis é de 98,1%, e a eficiência na Europa é de 97,8%. A eficiência máxima dos produtos de inversores fotovoltaicos com tecnologia de três níveis pode chegar a 99,1%, enquanto na Europa pode ser de 98,8%. Ao comparar os dois, verifica-se que a eficiência dos produtos de tecnologia de três{8}}níveis aumentou 1%9.
5.Tendências Futuras de Desenvolvimento
5.1 Integração com Novos Materiais Semicondutores
Com o desenvolvimento da tecnologia de semicondutores, novos materiais semicondutores, como carboneto de silício (SiC) e nitreto de gálio (GaN), estão gradualmente sendo aplicados em inversores. Esses materiais têm maior mobilidade de elétrons, maior tensão de ruptura e menor resistência - do que os materiais de silício tradicionais. A integração da tecnologia de inversor de três níveis - com novos materiais semicondutores pode melhorar ainda mais o desempenho dos inversores. Por exemplo, o uso de MOSFETs SiC em três inversores de nível - pode reduzir a perda de comutação e perda de condução dos dispositivos, melhorar a eficiência do inversor e aumentar a frequência de comutação, o que contribui para reduzir ainda mais o tamanho e o peso do inversor e melhorar sua densidade de potência.
5.2 Intelligentização e Digitalização
No futuro, três inversores de nível - serão mais inteligentes e digitalizados. Com o desenvolvimento da tecnologia microeletrônica e da tecnologia de controle digital, os inversores podem ser equipados com controladores e sensores digitais mais avançados. Esses controladores digitais podem implementar algoritmos de controle mais complexos, como controle adaptativo, controle preditivo e diagnóstico de - falhas e controle de auto-reparo -. Os sensores podem monitorar o status operacional do inversor em tempo real -, como temperatura, tensão, corrente e status de integridade do dispositivo. Através de algoritmos inteligentes e monitoramento em tempo real -, o inversor pode ajustar seus parâmetros operacionais de acordo com a situação real, melhorar a eficiência e confiabilidade do sistema e realizar monitoramento remoto e gerenciamento inteligente.
5.3 Aplicações de tensão - mais alta e potência - mais alta
À medida que a escala de geração de energia fotovoltaica continua a se expandir, a demanda por inversores de tensão - mais altos e de potência - também aumenta. A tecnologia de inversor de três níveis - tem potencial para atender a essa demanda. Ao otimizar a topologia e a estratégia de controle de três inversores de nível - e usar dispositivos com classificação de alta - tensão -, a tensão de saída e a potência de três inversores de nível - podem ser aumentadas ainda mais. Isso é de grande importância para usinas fotovoltaicas de grande - escala e sistemas de geração fotovoltaica conectados de alta - tensão - transmissão - linha -, o que pode reduzir o número de inversores necessários, simplificar a estrutura do sistema e reduzir o custo geral do sistema10.
- Yu, Chengzhuo, 2023, Controle de um inversor PWM de 3 níveis para sistemas de geração fotovoltaica-conectados à rede.
- Zhihu, Explicação da superioridade da tecnologia de-três níveis.
- Não-rede, princípio de circuito de três{1}}níveis e análise de topologia de circuito comum.
- Entusiasta de eletrônica, esquema de projeto de inversor conectado à-rede fotovoltaica de três{1}}níveis-tipo T.
- Tang, Yao, 2023, Projeto e controle de inversor tipo T-de três níveis intercalados para aplicações de alta potência.
- Entusiasta da eletrônica, uma comparação das vantagens dos sistemas de três-níveis e de dois-níveis.
- CSDN, a diferença entre dois-níveis e três-níveis.
- Baidu Wenku, comparação entre dois-níveis e três-níveis.
- SMA, dados do produto no site oficial da SMA.
- Qitian Power, inversor paralelo de topologia de três{0}}níveis.
