Inverter memainkan peran penting dalam sistem pembangkit listrik fotovoltaik, mengubah arus searah (DC) yang dihasilkan oleh panel fotovoltaik menjadi arus bolak-balik (AC) yang sesuai untuk sambungan jaringan atau penggunaan beban. Perkembangan teknologi inverter terus berkembang untuk memenuhi kebutuhan efisiensi yang lebih tinggi, kualitas daya yang lebih baik, dan biaya yang lebih rendah. Teknologi inverter tiga tingkat - merupakan salah satu kemajuan penting dalam bidang ini.
Konsep level dalam inverter mengacu pada level tegangan yang digunakan untuk transmisi sinyal atau konversi energi. Inverter dua tingkat - hanya memiliki dua tingkat tegangan, tinggi dan rendah, yang desainnya sederhana dan cocok untuk aplikasi berbiaya rendah -. Namun, tiga inverter tingkat - memperkenalkan tegangan di titik tengah -, menyediakan tiga tingkat tegangan, yang memungkinkan kontrol tegangan yang lebih baik dan memiliki beberapa keuntungan signifikan pada tingkat sistem1.
1.Arti dari tiga-teknologi tingkat
Pada tahun 1980-an, pakar asal Jepang, Nabae, mengusulkan rangkaian inverter tiga-tingkat berdasarkan penjepitan dioda. Struktur topologi khasnya ditunjukkan pada gambar berikut. Setiap lengan jembatan dari seluruh rangkaian inverter terdiri dari 4 Transistor Bipolar Gerbang Terisolasi (IGBT) dan 6 dioda.
Meskipun rangkaian tiga-tingkat ini relatif lebih kompleks dalam topologinya, dibandingkan dengan rangkaian inverter dua-tingkat tradisional yang hanya dapat menghasilkan keluaran tingkat tinggi dan rendah, rangkaian inverter baru ini dapat menghasilkan keluaran tingkat tinggi dan rendah melalui penyalaan-tabung atas dan bawah, dan menghasilkan keluaran tingkat nol melalui efek penjepitan dioda perantara, yang berjumlah tiga keadaan tingkat. Oleh karena itu, ini disebut rangkaian inverter tiga-tingkat.
Ambil perubahan potensial di titik tengah lengan jembatan inverter Fase A pada gambar berikut sebagai contoh untuk menjelaskan secara singkat arti spesifik dari ketiga level tersebut.
- Saat kedua IGBT pada lengan jembatan fase A-berkonduksi, potensial di titik A sama dengan potensi di bus positif, yaitu U/2. Tegangan platform tegangan yang ditanggung setiap IGBT adalah U/2, seperti yang ditunjukkan pada Loop 1.
- Ketika dua IGBT lengan jembatan bawah dari lengan jembatan fase A-berkonduksi, potensial di titik A sama dengan potensial bus negatif, yaitu -U/2, dan tegangan platform tegangan yang ditahan oleh masing-masing IGBT adalah U/2, seperti yang ditunjukkan pada loop 2.
- Ketika IGBT kedua pada lengan jembatan fase A-dan dioda penjepit bypass bekerja, jembatan inverter fase A-berada dalam keadaan freewheeling A, dan potensial di titik A sama dengan potensi di titik tengah bus, yaitu 0, seperti ditunjukkan pada loop 3.
Dari ketiga rangkaian penghantar fasa A yang diuraikan di atas, dapat diketahui bahwa potensial di titik A dapat menghadirkan tiga tingkat: U/2, 0, dan -U/2, sehingga disebut keadaan tiga-tingkat2.
2. Tiga Topologi Tingkat - Umum
2.1NPC1 Topologi
Topologi NPC1 (Neutral - Point - Clamped) adalah salah satu dari tiga topologi level - yang paling klasik. Ini mengoptimalkan distribusi kerugian dan meningkatkan EMI dengan mengoptimalkan jalur saat ini dan mekanisme konversi tingkat nol -.
Dalam kondisi inverter, rugi-rugi NPC1 terutama terkonsentrasi pada tabung T1/T4, termasuk rugi-rugi konduksi dan rugi-rugi switching. T2/T3 dalam keadaan normal terbuka, dan kerugian utamanya adalah kerugian konduksi. D5/D6 bekerja selama pergantian, dan kerugiannya termasuk kerugian konduksi dan kerugian pemulihan balik.
Dalam kondisi rektifikasi, kerugian terutama terkonsentrasi pada tabung D1/D4 dan tabung T2/T3. Tabung D1/D4 mempunyai rugi-rugi konduksi dan rugi-rugi pemulihan balik, sedangkan tabung T2/T3 menimbulkan rugi-rugi konduksi dan rugi-rugi peralihan selama pergantian. Sebaliknya, tabung D2/D3 dan D5/D6 hanya mengalami rugi-rugi konduksi.
2.2 Topologi NPC2
Topologi NPC2 merupakan penyempurnaan berdasarkan topologi NPC1. Di NPC2, sepasang IGBT dengan emitor atau kolektor bersama dan dioda paralel anti - digunakan untuk menggantikan dioda penjepit di NPC1, sehingga mengurangi jumlah dioda sebanyak dua. Di NPC2, tabung T1/T4 menanggung tegangan bus penuh, dan tabung T2/T3 menanggung setengah tegangan bus.
Dalam kondisi inverter, pada setengah siklus positif -, T2 tetap terbuka normal, dan T1 dan D3 berpindah; pada setengah siklus - negatif, T3 tetap terbuka normal, dan T4 dan D2 berpindah.
Pada kondisi rektifikasi, proses pergantiannya juga mirip dengan NPC1, namun karena struktur bagian penjepitnya berbeda, distribusi kerugiannya berbeda dengan NPC1. Umumnya, pada rentang frekuensi - menengah dan rendah - switching -, total kerugian topologi NPC2 lebih rendah dibandingkan topologi NPC1.
2.3Topologi ANPC
Topologi ANPC (Active Neutral - Point - Clamped) dibentuk dengan mengganti dioda penjepit di NPC1 dengan IGBT dan dioda paralel anti -. Ini memperluas dua jalur pergantian tingkat - nol, dan melalui pemilihan dan kontrol jalur pergantian tingkat nol -, distribusi kerugian yang lebih seimbang dan induktansi nyasar loop pergantian yang lebih kecil dapat dicapai3.
3.Metode Kontrol Tiga Inverter Tingkat -
3.1Kontrol Tegangan
3.1.1DC - Kontrol Tegangan Samping
Dalam sistem pembangkit listrik fotovoltaik, kestabilan tegangan samping DC - inverter perlu dijaga. Tegangan samping DC - terutama disediakan oleh panel fotovoltaik. Karena pengaruh faktor seperti intensitas cahaya dan suhu, tegangan keluaran panel fotovoltaik akan berfluktuasi. Oleh karena itu, diperlukan strategi pengendalian tegangan samping DC -. Metode yang umum digunakan termasuk menggunakan konverter boost atau konverter boost buck - di depan inverter untuk mengatur tegangan samping DC - ke nilai yang stabil. Misalnya, ketika tegangan keluaran panel fotovoltaik lebih rendah dari nilai yang diperlukan, konverter boost dapat meningkatkan tegangan; bila lebih tinggi, konverter buck - boost dapat menyesuaikan voltase ke level yang sesuai.
3.1.2 Kontrol Potensi Titik - Tengah
Pada tiga inverter level -, potensi fluktuasi titik pertengahan - merupakan masalah umum, terutama pada topologi tipe NPC -. Fluktuasi potensial titik tengah - akan mempengaruhi kualitas bentuk gelombang tegangan keluaran dan keandalan perangkat. Ada banyak metode untuk mengontrol potensi titik tengah -. Salah satu caranya adalah dengan menambahkan komponen mode umum - ke sinyal modulasi. Misalnya, dalam metode modulasi lebar - pulsa sinusoidal (SPWM), tegangan mode - umum tertentu ditambahkan ke tegangan referensi untuk menyesuaikan waktu pengisian dan pengosongan kapasitor titik tengah -, sehingga menjaga kestabilan potensial titik tengah -. Metode lainnya adalah dengan menggunakan sistem kontrol umpan balik untuk mendeteksi potensi titik pertengahan - dan menyesuaikan status peralihan inverter sesuai dengan deviasi untuk mencapai keseimbangan potensial titik pertengahan -4.
3.2 Pengendalian Arus
3.2.1Grid - Kontrol Arus Terhubung
Untuk inverter fotovoltaik yang terhubung ke jaringan -, perlu dipastikan bahwa arus keluaran berada pada frekuensi dan fasa yang sama dengan tegangan jaringan. Hal ini dicapai melalui strategi pengendalian arus yang terhubung ke jaringan -. Metode yang umum adalah dengan menggunakan loop terkunci fase - (PLL) untuk menyinkronkan arus keluaran dengan tegangan jaringan. PLL dapat dengan cepat dan akurat melacak frekuensi dan fase tegangan jaringan. Berdasarkan keluaran PLL, dirancang pengontrol arus, seperti pengontrol proporsional - integral (PI) atau pengontrol proporsional - resonansi (PR). Pengontrol arus menyesuaikan tegangan keluaran inverter sesuai dengan deviasi antara arus referensi dan arus keluaran aktual untuk memastikan bahwa arus keluaran memenuhi persyaratan koneksi jaringan -.
3.2.2 Kontrol Harmonik Arus Keluaran
Selain memastikan frekuensi dan fasa yang sama dengan tegangan jaringan, kandungan harmonik dari arus keluaran juga perlu dikontrol. Seperti disebutkan di atas, tiga inverter tingkat - memiliki kandungan harmonik arus keluaran yang lebih rendah dibandingkan dua inverter tingkat -, namun dalam beberapa skenario aplikasi presisi - tinggi, kontrol harmonik lebih lanjut masih diperlukan. Hal ini dapat dicapai dengan mengoptimalkan strategi modulasi. Misalnya, menggunakan modulasi lebar ruang - pulsa vektor - (SVPWM) alih-alih SPWM tradisional dapat mengurangi konten harmonik dari arus keluaran. Selain itu, beberapa algoritme kontrol tingkat lanjut, seperti kontrol maju umpan harmonik - dan kontrol kompensasi harmonik multi -, juga dapat digunakan untuk lebih mengurangi konten harmonik dari arus keluaran5.
4.Keunggulan Tiga Inverter Tingkat - Dibandingkan dengan Dua Inverter Tingkat -
4.1 Bentuk gelombang keluaran tegangan
Output bentuk gelombang tegangan oleh rangkaian inverter dua{0}}tingkat:
Output bentuk gelombang tegangan oleh rangkaian inverter tiga-tingkat:
Prinsip dasar inverter tiga-tingkat adalah menggunakan beberapa tingkat untuk mensintesis gelombang langkah untuk memperkirakan tegangan keluaran sinusoidal. Karena memiliki tingkat keluaran tambahan dibandingkan dengan inverter dua-tingkat, gelombang PWM yang dihasilkannya lebih mendekati bentuk gelombang sinusoidal. Dua gambar di atas adalah perbandingan keluaran bentuk gelombang PWM oleh inverter dua-tingkat dan tiga-tingkat. Secara intuitif dapat dibedakan bahwa keluaran bentuk gelombang PWM oleh inverter tiga-tingkat lebih mendekati sinus dan memiliki konten riak yang lebih sedikit6.
4.2 Kerugian Peralihan
Dalam rangkaian inverter tiga-tingkat, tegangan bus DC U digunakan bersama oleh dua IGBT. Tegangan yang ditanggung oleh masing-masing IGBT pada lengan jembatan adalah setengah dari tegangan masukan pada sisi DC, U/2. Dalam rangkaian inverter dua-tingkat, hanya satu IGBT yang menanggung tegangan bus DC, dan tegangan yang ditanggung oleh masing-masing IGBT pada lengan jembatan secara langsung merupakan tegangan masukan di sisi DC, yaitu U. Oleh karena itu, dalam rangkaian inverter tiga-tingkat, IGBT menanggung setengah tegangan dari dua-tingkat satu pada awal konduksi dan akhir-pematian. Hal ini menentukan bahwa kerugian peralihan dari tiga{9}}tingkat IGBT jauh lebih kecil dibandingkan dengan dua{10}}tingkat satu7.
4.3 Frekuensi Tinggi
IGBT-tegangan tinggi dipengaruhi oleh level voltase aplikasi, yang menentukan bahwa frekuensi peralihan dan kecepatan peralihannya jauh lebih kecil dibandingkan IGBT-tegangan rendah. Namun, sistem tiga-tingkat memungkinkan penerapan{{4}frekuensi tinggi dari IGBT-tegangan rendah. Dibandingkan dengan filter daya aktif, tingkat frekuensi peralihan secara langsung mencerminkan tidak hanya kecepatan kompensasi tetapi juga lebar rentang frekuensi kompensasi yang dapat dicapai. Semakin tinggi pita frekuensi di mana frekuensi switching berada, Semakin lebar pita frekuensi penyaringan yang dapat dipilih oleh filter untuk diterapkan, maka pita frekuensi tersebut seharusnya semakin sempit; sebaliknya, seharusnya semakin sempit8.
4.4 Perbandingan Kuantitatif
Evolusi lini produk SMA adalah bukti yang baik.
- Produk teknologi dua{0}}tingkat: Sunny Tripower Series.
- Produk teknologi tiga-tingkat: Sunny Highpower Series.
Dari data pada dua grafik di atas, diperoleh efisiensi maksimum produk inverter fotovoltaik dua{0}}tingkat teknologi adalah 98,1%, dan efisiensi di Eropa adalah 97,8%. Efisiensi maksimum produk inverter fotovoltaik berteknologi tiga-tingkat ini bisa mencapai 99,1%, sedangkan di Eropa bisa mencapai 98,8%. Dengan membandingkan keduanya, dapat diketahui bahwa efisiensi produk teknologi tiga-tingkat tersebut meningkat sebesar 1%9.
5.Tren Perkembangan Masa Depan
5.1 Integrasi dengan Material Semikonduktor Baru
Dengan berkembangnya teknologi semikonduktor, bahan semikonduktor baru seperti silikon karbida (SiC) dan galium nitrida (GaN) secara bertahap diterapkan pada inverter. Bahan-bahan ini memiliki mobilitas elektron yang lebih tinggi, tegangan tembus yang lebih tinggi, dan resistansi - yang lebih rendah dibandingkan bahan silikon tradisional. Mengintegrasikan tiga teknologi inverter tingkat - dengan bahan semikonduktor baru dapat lebih meningkatkan kinerja inverter. Misalnya, penggunaan SiC MOSFET pada tiga inverter level - dapat mengurangi kerugian peralihan dan kehilangan konduksi perangkat, meningkatkan efisiensi inverter, dan meningkatkan frekuensi peralihan, sehingga kondusif untuk lebih mengurangi ukuran dan berat inverter serta meningkatkan kepadatan dayanya.
5.2 Intelegensi dan Digitalisasi
di masa depan, tiga inverter tingkat - akan lebih cerdas dan terdigitalisasi. Dengan berkembangnya teknologi mikroelektronika dan teknologi kendali digital, inverter dapat dilengkapi dengan pengontrol dan sensor digital yang lebih canggih. Pengontrol digital ini dapat mengimplementasikan algoritme kontrol yang lebih kompleks, seperti kontrol adaptif, kontrol prediktif, dan diagnosis kesalahan serta kontrol perbaikan - mandiri. Sensor dapat memantau status pengoperasian inverter secara real time -, seperti suhu, tegangan, arus, dan status kesehatan perangkat. Melalui algoritme cerdas dan pemantauan waktu - nyata, inverter dapat menyesuaikan parameter operasinya sesuai dengan situasi aktual, meningkatkan efisiensi dan keandalan sistem, serta mewujudkan pemantauan jarak jauh dan manajemen cerdas.
5.3 Aplikasi Daya - Tegangan Lebih Tinggi dan Daya - Lebih Tinggi
Seiring dengan berkembangnya skala pembangkit listrik fotovoltaik, permintaan akan tegangan - yang lebih tinggi dan inverter daya - yang lebih tinggi juga meningkat. Teknologi inverter tiga tingkat - berpotensi memenuhi permintaan ini. Dengan mengoptimalkan topologi dan strategi kontrol dari tiga inverter tingkat -, dan menggunakan perangkat berperingkat tegangan - tinggi, tegangan keluaran dan daya dari tiga inverter tingkat - dapat ditingkatkan lebih lanjut. Hal ini sangat penting untuk pembangkit listrik fotovoltaik skala - besar dan sistem pembangkit fotovoltaik yang terhubung dengan tegangan - tegangan tinggi - jalur -, yang dapat mengurangi jumlah inverter yang dibutuhkan, menyederhanakan struktur sistem, dan mengurangi biaya keseluruhan sistem10.
- Yu, Chengzhuo, 2023, Pengendalian inverter PWM 3 tingkat untuk sistem pembangkit fotovoltaik yang terhubung ke jaringan.
- Zhihu, Penjelasan tentang keunggulan teknologi{0}}tingkat tiga.
- Non-jaringan, Prinsip sirkuit tiga-tingkat dan analisis topologi sirkuit umum.
- Penggemar elektronik, skema desain inverter terhubung-tipe tiga-jaringan fotovoltaik tingkat-T.
- Tang, Yao, 2023, Desain dan kontrol inverter tipe T-tiga tingkat interleaved untuk aplikasi daya tinggi.
- Penggemar elektronik, Perbandingan keunggulan sistem tiga{0}}tingkat dan dua-tingkat.
- CSDN, Perbedaan antara dua{0}}tingkat dan tiga-tingkat.
- Baidu Wenku, Perbandingan antara dua-tingkat dan tiga-tingkat.
- SMA, Data produk dari situs resmi SMA.
- Qitian Power, Inverter paralel topologi tiga tingkat.
