इनवर्टर फोटोवोल्टिक विद्युत उत्पादन प्रणालियों में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, जो फोटोवोल्टिक पैनलों द्वारा उत्पन्न प्रत्यक्ष धारा (डीसी) को ग्रिड कनेक्शन या लोड उपयोग के लिए उपयुक्त प्रत्यावर्ती धारा (एसी) में परिवर्तित करते हैं। उच्च दक्षता, बेहतर बिजली गुणवत्ता और कम लागत की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए इन्वर्टर तकनीक का विकास लगातार विकसित हो रहा है। तीन - लेवल इन्वर्टर तकनीक इस क्षेत्र में महत्वपूर्ण प्रगति में से एक है।
इनवर्टर में स्तर की अवधारणा सिग्नल ट्रांसमिशन या ऊर्जा रूपांतरण के लिए उपयोग किए जाने वाले वोल्टेज स्तर को संदर्भित करती है। दो - स्तर के इन्वर्टर में केवल दो वोल्टेज स्तर होते हैं, उच्च और निम्न, जो डिजाइन में सरल है और कम - लागत वाले अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है। हालाँकि, तीन - स्तर के इनवर्टर मध्य - बिंदु पर एक वोल्टेज पेश करते हैं, जो तीन वोल्टेज स्तर प्रदान करते हैं, जो बेहतर वोल्टेज नियंत्रण की अनुमति देता है और सिस्टम स्तर पर इसके कई महत्वपूर्ण फायदे हैं।1.
1.तीन-स्तरीय प्रौद्योगिकी का अर्थ
1980 के दशक में, जापानी विद्वान नाबे ने डायोड क्लैम्पिंग पर आधारित तीन -स्तरीय इन्वर्टर सर्किट का प्रस्ताव रखा। इसकी विशिष्ट टोपोलॉजिकल संरचना निम्नलिखित चित्र में दिखाई गई है। संपूर्ण इन्वर्टर सर्किट का प्रत्येक ब्रिज आर्म 4 इंसुलेटेड गेट बाइपोलर ट्रांजिस्टर (आईजीबीटी) और 6 डायोड से बना है।
यद्यपि पारंपरिक दो स्तर के इन्वर्टर सर्किट की तुलना में टोपोलॉजी में तीन स्तर का सर्किट अपेक्षाकृत अधिक जटिल है, जो केवल उच्च और निम्न स्तर का उत्पादन कर सकता है, यह नया इन्वर्टर सर्किट ऊपरी और निचले ट्यूबों के टर्न ऑन के माध्यम से उच्च और निम्न स्तर का उत्पादन कर सकता है, और मध्यवर्ती डायोड के क्लैंपिंग प्रभाव के माध्यम से शून्य स्तर का आउटपुट दे सकता है, कुल तीन स्तर की स्थिति। इसलिए, इसे तीन लेवल इन्वर्टर सर्किट कहा जाता है।
तीन स्तरों के विशिष्ट अर्थ का संक्षेप में वर्णन करने के लिए निम्नलिखित चित्र में चरण ए के इन्वर्टर ब्रिज आर्म के मध्य बिंदु पर संभावित परिवर्तन को एक उदाहरण के रूप में लें।
- जब A-फेज ब्रिज आर्म पर दो IGBT संचालन कर रहे होते हैं, तो बिंदु A पर क्षमता सकारात्मक बस के समान होती है, जो U/2 है। प्रत्येक आईजीबीटी द्वारा वहन किया जाने वाला तनाव प्लेटफ़ॉर्म वोल्टेज यू/2 है, जैसा कि लूप 1 में दिखाया गया है।
- जब A{0}}फेज ब्रिज आर्म के निचले ब्रिज आर्म के दो IGBT संचालन कर रहे होते हैं, तो बिंदु A पर क्षमता नकारात्मक बस क्षमता के समान होती है, जो कि -U/2 है, और प्रत्येक IGBT द्वारा सहन किया जाने वाला तनाव प्लेटफ़ॉर्म वोल्टेज U/2 है, जैसा कि लूप 2 में दिखाया गया है।
- जब A{0}}फेज़ ब्रिज आर्म और बाईपास क्लैम्पिंग डायोड पर दूसरा IGBT संचालित हो रहा है, तो A-फ़ेज़ इन्वर्टर ब्रिज A फ़्रीव्हीलिंग स्थिति में है, और बिंदु A पर क्षमता बस के मध्यबिंदु के समान है, जो कि 0 है, जैसा कि लूप 3 में दिखाया गया है।
ऊपर वर्णित चरण ए के तीन संवाहक सर्किट से, यह जाना जा सकता है कि बिंदु ए पर क्षमता तीन स्तर प्रस्तुत कर सकती है: यू/2, 0, और -यू/2, इस प्रकार इसे तीन-स्तर की स्थिति कहा जाता है2.
2.सामान्य तीन - लेवल टोपोलॉजी
2.1एनपीसी1 टोपोलॉजी
एनपीसी1 (न्यूट्रल - प्वाइंट - क्लैम्प्ड) टोपोलॉजी सबसे क्लासिक तीन - स्तर की टोपोलॉजी में से एक है। यह हानि वितरण को अनुकूलित करता है और वर्तमान पथ और शून्य - स्तर रूपांतरण तंत्र को अनुकूलित करके ईएमआई में सुधार करता है।
इन्वर्टर स्थितियों के तहत, एनपीसी1 के नुकसान मुख्य रूप से टी1/टी4 ट्यूबों में केंद्रित होते हैं, जिसमें चालन नुकसान और स्विचिंग नुकसान शामिल हैं। T2/T3 सामान्य रूप से खुली अवस्था में है, और नुकसान मुख्य रूप से चालन हानि है। डी5/डी6 कम्यूटेशन के दौरान संचालन करता है, और इसके नुकसान में संचालन नुकसान और रिवर्स रिकवरी नुकसान शामिल हैं।
सुधार की शर्तों के तहत, नुकसान मुख्य रूप से डी1/डी4 ट्यूबों और टी2/टी3 ट्यूबों में केंद्रित हैं। डी1/डी4 ट्यूबों में चालन हानि और रिवर्स रिकवरी हानि होती है, जबकि टी2/टी3 ट्यूब कम्यूटेशन के दौरान चालन हानि और स्विचिंग हानि उत्पन्न करती है। इसके विपरीत, D2/D3 और D5/D6 ट्यूबों में केवल चालन हानि होती है।
2.2 एनपीसी2 टोपोलॉजी
एनपीसी2 टोपोलॉजी एनपीसी1 टोपोलॉजी पर आधारित एक सुधार है। एनपीसी2 में, सामान्य उत्सर्जक या संग्राहक और एंटी - समानांतर डायोड के साथ आईजीबीटी की एक जोड़ी का उपयोग एनपीसी1 में क्लैंपिंग डायोड को बदलने के लिए किया जाता है, जिससे डायोड की संख्या दो कम हो जाती है। एनपीसी2 में, टी1/टी4 ट्यूब पूर्ण बस वोल्टेज सहन करते हैं, और टी2/टी3 ट्यूब बस वोल्टेज का आधा सहन करते हैं।
इन्वर्टर की स्थिति में, सकारात्मक आधे - चक्र में, T2 सामान्य रूप से खुला रहता है, और T1 और D3 कम्यूटेट करते हैं; ऋणात्मक आधे - चक्र में, T3 सामान्य रूप से खुला रहता है, और T4 और D2 क्रमपरिवर्तन करते हैं।
सुधार की स्थिति में, कम्यूटेशन प्रक्रिया भी एनपीसी1 के समान है, लेकिन क्लैंपिंग भाग की अलग संरचना के कारण, हानि वितरण एनपीसी1 से भिन्न है। आम तौर पर, मध्यम - और निम्न - स्विचिंग - आवृत्ति रेंज में, एनपीसी2 टोपोलॉजी का कुल नुकसान एनपीसी1 टोपोलॉजी की तुलना में कम होता है।
2.3एएनपीसी टोपोलॉजी
एएनपीसी (एक्टिव न्यूट्रल - पॉइंट - क्लैंप्ड) टोपोलॉजी एनपीसी1 में क्लैंपिंग डायोड को आईजीबीटी और एंटी - समानांतर डायोड के साथ बदलकर बनाई जाती है। यह दो शून्य - स्तर के कम्यूटेशन पथों का विस्तार करता है, और शून्य - स्तर के कम्यूटेशन पथों के चयन और नियंत्रण के माध्यम से, अधिक संतुलित हानि वितरण और छोटे कम्यूटेशन लूप आवारा अधिष्ठापन प्राप्त किया जा सकता है।3.
3.तीन - लेवल इनवर्टर की नियंत्रण विधियाँ
3.1वोल्टेज नियंत्रण
3.1.1डीसी - साइड वोल्टेज नियंत्रण
फोटोवोल्टिक विद्युत उत्पादन प्रणाली में, इन्वर्टर के डीसी - साइड वोल्टेज की स्थिरता बनाए रखना आवश्यक है। डीसी - साइड वोल्टेज मुख्य रूप से फोटोवोल्टिक पैनलों द्वारा प्रदान किया जाता है। प्रकाश की तीव्रता और तापमान जैसे कारकों के प्रभाव के कारण, फोटोवोल्टिक पैनलों के आउटपुट वोल्टेज में उतार-चढ़ाव होगा। इसलिए, एक DC - साइड वोल्टेज नियंत्रण रणनीति की आवश्यकता है। आम तौर पर उपयोग की जाने वाली विधियों में डीसी - साइड वोल्टेज को स्थिर मान पर समायोजित करने के लिए इन्वर्टर के सामने एक बूस्ट कनवर्टर या एक हिरन - बूस्ट कनवर्टर का उपयोग करना शामिल है। उदाहरण के लिए, जब फोटोवोल्टिक पैनलों का आउटपुट वोल्टेज आवश्यक मान से कम होता है, तो बूस्ट कनवर्टर वोल्टेज बढ़ा सकता है; जब यह अधिक होता है, तो हिरन - बूस्ट कनवर्टर वोल्टेज को उचित स्तर पर समायोजित कर सकता है।
3.1.2मध्य - बिंदु संभावित नियंत्रण
तीन - स्तर के इनवर्टर में, मध्य - बिंदु संभावित उतार-चढ़ाव एक आम समस्या है, खासकर एनपीसी - प्रकार की टोपोलॉजी में। मध्य - बिंदु संभावित उतार-चढ़ाव आउटपुट वोल्टेज तरंग गुणवत्ता और डिवाइस की विश्वसनीयता को प्रभावित करेगा। मध्य - बिंदु विभव को नियंत्रित करने की कई विधियाँ हैं। एक विधि मॉड्यूलेशन सिग्नल में एक सामान्य - मोड घटक जोड़ना है। उदाहरण के लिए, साइनसॉइडल पल्स - चौड़ाई मॉड्यूलेशन (एसपीडब्लूएम) विधि में, मध्य - बिंदु संधारित्र के चार्जिंग और डिस्चार्जिंग समय को समायोजित करने के लिए संदर्भ वोल्टेज में एक निश्चित सामान्य - मोड वोल्टेज जोड़ा जाता है, ताकि मध्य - बिंदु क्षमता की स्थिरता बनाए रखी जा सके। एक अन्य विधि मध्य - बिंदु क्षमता का पता लगाने के लिए फीडबैक नियंत्रण प्रणाली का उपयोग करना और मध्य - बिंदु संभावित संतुलन प्राप्त करने के लिए विचलन के अनुसार इन्वर्टर की स्विचिंग स्थिति को समायोजित करना है।4.
3.2वर्तमान नियंत्रण
3.2.1ग्रिड - कनेक्टेड करंट नियंत्रण
ग्रिड - से जुड़े फोटोवोल्टिक इनवर्टर के लिए, यह सुनिश्चित करना आवश्यक है कि आउटपुट करंट ग्रिड वोल्टेज के समान आवृत्ति और चरण में है। यह ग्रिड - से जुड़ी वर्तमान नियंत्रण रणनीति के माध्यम से हासिल किया जाता है। ग्रिड वोल्टेज के साथ आउटपुट करंट को सिंक्रोनाइज़ करने के लिए एक चरण - लॉक्ड लूप (पीएलएल) का उपयोग करना एक सामान्य तरीका है। पीएलएल ग्रिड वोल्टेज की आवृत्ति और चरण को जल्दी और सटीक रूप से ट्रैक कर सकता है। पीएलएल के आउटपुट के आधार पर, एक वर्तमान नियंत्रक डिज़ाइन किया गया है, जैसे आनुपातिक - इंटीग्रल (पीआई) नियंत्रक या आनुपातिक - गुंजयमान (पीआर) नियंत्रक। करंट कंट्रोलर रेफरेंस करंट और वास्तविक आउटपुट करंट के बीच विचलन के अनुसार इन्वर्टर के आउटपुट वोल्टेज को समायोजित करता है ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि आउटपुट करंट ग्रिड - कनेक्शन आवश्यकताओं को पूरा करता है।
3.2.2आउटपुट करंट हार्मोनिक नियंत्रण
ग्रिड वोल्टेज के समान आवृत्ति और चरण सुनिश्चित करने के अलावा, आउटपुट करंट की हार्मोनिक सामग्री को नियंत्रित करना भी आवश्यक है। जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, तीन - स्तर के इनवर्टर में दो - स्तर के इनवर्टर की तुलना में कम आउटपुट वर्तमान हार्मोनिक सामग्री होती है, लेकिन कुछ उच्च - परिशुद्धता अनुप्रयोग परिदृश्यों में, आगे हार्मोनिक नियंत्रण की अभी भी आवश्यकता है। इसे मॉड्यूलेशन रणनीति को अनुकूलित करके हासिल किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, पारंपरिक एसपीडब्लूएम के बजाय स्पेस - वेक्टर पल्स - चौड़ाई मॉड्यूलेशन (एसवीपीडब्लूएम) का उपयोग आउटपुट करंट की हार्मोनिक सामग्री को कम कर सकता है। इसके अलावा, कुछ उन्नत नियंत्रण एल्गोरिदम, जैसे कि हार्मोनिक फ़ीड - फॉरवर्ड कंट्रोल और मल्टी - हार्मोनिक मुआवजा नियंत्रण, का उपयोग आउटपुट करंट की हार्मोनिक सामग्री को और कम करने के लिए भी किया जा सकता है।5.
4.दो - लेवल इनवर्टर की तुलना में तीन - लेवल इनवर्टर के लाभ
4.1 वोल्टेज आउटपुट तरंग
दो लेवल इन्वर्टर सर्किट द्वारा वोल्टेज तरंग आउटपुट:
तीन{0}}स्तरीय इन्वर्टर सर्किट द्वारा वोल्टेज तरंग आउटपुट:
तीन-स्तरीय इन्वर्टर का मूल सिद्धांत एक साइनसॉइडल आउटपुट वोल्टेज का अनुमान लगाने के लिए एक चरण तरंग को संश्लेषित करने के लिए कई स्तरों का उपयोग करना है। दो-स्तरीय इन्वर्टर की तुलना में एक अतिरिक्त आउटपुट स्तर होने के कारण, यह जो पीडब्लूएम तरंग आउटपुट करता है वह साइनसॉइडल तरंग के करीब होता है। ऊपर दिए गए दो आंकड़े दो {{4}लेवल और तीन{5}लेवल इनवर्टर द्वारा पीडब्लूएम वेवफॉर्म आउटपुट की तुलना हैं। इसे सहज रूप से पहचाना जा सकता है कि तीन - लेवल इन्वर्टर द्वारा पीडब्लूएम तरंग आउटपुट साइन के करीब है और इसमें तरंग सामग्री कम है6.
4.2 स्विचिंग हानि
तीन{0}}स्तरीय इन्वर्टर सर्किट में, डीसी बस वोल्टेज यू को दो आईजीबीटी द्वारा साझा किया जाता है। ब्रिज आर्म पर प्रत्येक आईजीबीटी द्वारा वहन किया गया वोल्टेज डीसी साइड, यू/2 पर इनपुट वोल्टेज का आधा है। दो स्तर के इन्वर्टर सर्किट में, केवल एक आईजीबीटी डीसी बस वोल्टेज को सहन करता है, और ब्रिज आर्म पर प्रत्येक आईजीबीटी द्वारा वहन किया गया वोल्टेज सीधे डीसी पक्ष पर इनपुट वोल्टेज होता है, यानी यू। इसलिए, तीन स्तर के इन्वर्टर सर्किट में, आईजीबीटी संचालन की शुरुआत में और टर्न के अंत में दो स्तर एक के आधे वोल्टेज को सहन करता है। यह निर्धारित करता है कि तीन स्तर के आईजीबीटी का स्विचिंग नुकसान दो स्तर वाले आईजीबीटी की तुलना में बहुत कम है।7.
4.3 उच्च आवृत्ति
उच्च वोल्टेज आईजीबीटी अनुप्रयोग वोल्टेज स्तर से प्रभावित होते हैं, जो यह निर्धारित करता है कि उनकी स्विचिंग आवृत्ति और स्विचिंग गति निम्न वोल्टेज आईजीबीटी की तुलना में बहुत कम है। हालाँकि, तीन-स्तरीय प्रणाली कम{{5}वोल्टेज आईजीबीटी के उच्च{{4}आवृत्ति अनुप्रयोग को सक्षम बनाती है। सक्रिय पावर फिल्टर की तुलना में, स्विचिंग आवृत्ति का स्तर सीधे न केवल मुआवजे की गति बल्कि प्राप्त करने योग्य मुआवजा आवृत्ति रेंज की चौड़ाई को भी दर्शाता है। जहां स्विचिंग आवृत्ति स्थित है, आवृत्ति बैंड जितना अधिक होगा, फ़िल्टरिंग आवृत्ति बैंड जितना व्यापक फ़िल्टरिंग आवृत्ति बैंड को लागू करने के लिए चुना जा सकता है, उतना ही संकीर्ण होना चाहिए; इसके विपरीत, यह उतना ही संकीर्ण होना चाहिए8.
4.4 मात्रात्मक तुलना
एसएमए की उत्पाद श्रृंखला का विकास एक अच्छा प्रमाण है।
- दो-स्तरीय प्रौद्योगिकी उत्पाद: सनी ट्रिपॉवर सीरीज।
- तीन-स्तरीय प्रौद्योगिकी उत्पाद: सनी हाईपावर सीरीज।
उपरोक्त दो ग्राफ़ के डेटा से, यह प्राप्त किया जा सकता है कि दो -स्तरीय प्रौद्योगिकी फोटोवोल्टिक इन्वर्टर उत्पादों की अधिकतम दक्षता 98.1% है, और यूरोप में दक्षता 97.8% है। तीन-स्तरीय प्रौद्योगिकी फोटोवोल्टिक इन्वर्टर उत्पादों की अधिकतम दक्षता 99.1% तक पहुंच सकती है, जबकि यूरोप में यह 98.8% हो सकती है। दोनों की तुलना करने पर पता चलता है कि तीन - स्तर के प्रौद्योगिकी उत्पादों की दक्षता में 1% की वृद्धि हुई है9.
5.भविष्य के विकास के रुझान
5.1 नई अर्धचालक सामग्री के साथ एकीकरण
सेमीकंडक्टर प्रौद्योगिकी के विकास के साथ, सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) और गैलियम नाइट्राइड (GaN) जैसी नई सेमीकंडक्टर सामग्री को धीरे-धीरे इनवर्टर पर लागू किया जा रहा है। इन सामग्रियों में पारंपरिक सिलिकॉन सामग्रियों की तुलना में उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता, उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज और कम - प्रतिरोध होता है। नई सेमीकंडक्टर सामग्री के साथ तीन - स्तर की इन्वर्टर तकनीक को एकीकृत करने से इनवर्टर के प्रदर्शन में और सुधार हो सकता है। उदाहरण के लिए, तीन - स्तर के इनवर्टर में SiC MOSFETs का उपयोग करने से उपकरणों की स्विचिंग हानि और चालन हानि को कम किया जा सकता है, इन्वर्टर की दक्षता में सुधार हो सकता है और स्विचिंग आवृत्ति में वृद्धि हो सकती है, जो इन्वर्टर के आकार और वजन को और कम करने और इसकी शक्ति घनत्व में सुधार करने के लिए अनुकूल है।
5.2 बुद्धिमानीकरण और डिजिटलीकरण
भविष्य में, तीन - स्तर के इनवर्टर अधिक बुद्धिमान और डिजिटल होंगे। माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स प्रौद्योगिकी और डिजिटल नियंत्रण प्रौद्योगिकी के विकास के साथ, इनवर्टर को अधिक उन्नत डिजिटल नियंत्रकों और सेंसर से लैस किया जा सकता है। ये डिजिटल नियंत्रक अधिक जटिल नियंत्रण एल्गोरिदम को कार्यान्वित कर सकते हैं, जैसे अनुकूली नियंत्रण, पूर्वानुमानित नियंत्रण और दोष निदान और स्वयं मरम्मत नियंत्रण। सेंसर वास्तविक समय में इन्वर्टर की ऑपरेटिंग स्थिति, जैसे तापमान, वोल्टेज, करंट और डिवाइस स्वास्थ्य स्थिति की निगरानी कर सकते हैं। बुद्धिमान एल्गोरिदम और वास्तविक समय निगरानी के माध्यम से, इन्वर्टर वास्तविक स्थिति के अनुसार अपने ऑपरेटिंग मापदंडों को समायोजित कर सकता है, सिस्टम की दक्षता और विश्वसनीयता में सुधार कर सकता है, और दूरस्थ निगरानी और बुद्धिमान प्रबंधन का एहसास कर सकता है।
5.3 उच्चतर - वोल्टेज और उच्चतर - पावर अनुप्रयोग
जैसे-जैसे फोटोवोल्टिक बिजली उत्पादन के पैमाने का विस्तार जारी है, उच्च - वोल्टेज और उच्च - पावर इनवर्टर की मांग भी बढ़ रही है। तीन - स्तर की इन्वर्टर तकनीक इस मांग को पूरा करने की क्षमता रखती है। तीन - लेवल इनवर्टर की टोपोलॉजी और नियंत्रण रणनीति को अनुकूलित करके, और उच्च - वोल्टेज - रेटेड उपकरणों का उपयोग करके, तीन - लेवल इनवर्टर के आउटपुट वोल्टेज और पावर को और बढ़ाया जा सकता है। बड़े पैमाने के फोटोवोल्टिक बिजली संयंत्रों और उच्च {{11} वोल्टेज ट्रांसमिशन लाइन - लाइन - से जुड़े फोटोवोल्टिक उत्पादन प्रणालियों के लिए यह बहुत महत्वपूर्ण है, जो आवश्यक इनवर्टर की संख्या को कम कर सकता है, सिस्टम संरचना को सरल बना सकता है और सिस्टम की कुल लागत को कम कर सकता है।10.
- यू, चेंगझुओ, 2023, ग्रिड से जुड़े फोटोवोल्टिक उत्पादन प्रणालियों के लिए 3 स्तरीय पीडब्लूएम इन्वर्टर का नियंत्रण।
- झिहु, तीन{0}}स्तरीय प्रौद्योगिकी की श्रेष्ठता की व्याख्या।
- गैर-नेटवर्क, तीन-स्तरीय सर्किट सिद्धांत और सामान्य सर्किट टोपोलॉजी विश्लेषण।
- इलेक्ट्रॉनिक उत्साही, टी-टाइप थ्री-लेवल फोटोवोल्टिक ग्रिड-कनेक्टेड इन्वर्टर डिजाइन योजना।
- टैंग, याओ, 2023, उच्च शक्ति अनुप्रयोग के लिए इंटरलीव्ड तीन - लेवल टी - टाइप इन्वर्टर का डिजाइन और नियंत्रण।
- इलेक्ट्रॉनिक उत्साही, तीन-स्तरीय और दो-स्तरीय प्रणालियों के फायदों की तुलना।
- सीएसडीएन, दो-स्तर और तीन-स्तर के बीच का अंतर।
- Baidu वेन्कु, दो{{0}स्तर और तीन{1}}स्तर के बीच तुलना।
- एसएमए, एसएमए की आधिकारिक वेबसाइट से उत्पाद डेटा।
- क्यूइटियन पावर, तीन - लेवल टोपोलॉजी समानांतर इन्वर्टर।
