تلعب العاكسات دورًا حاسمًا في أنظمة توليد الطاقة الكهروضوئية، حيث تقوم بتحويل التيار المباشر (DC) الناتج عن الألواح الكهروضوئية إلى تيار متردد (AC) مناسب للاتصال بالشبكة أو استخدام الأحمال. يتطور تطوير تقنية العاكس باستمرار لتلبية متطلبات الكفاءة الأعلى وجودة الطاقة الأفضل والتكلفة الأقل. تعد تقنية العاكس ذات المستوى - الثلاثة أحد التطورات المهمة في هذا المجال.
يشير مفهوم المستوى في العاكسات إلى مستوى الجهد المستخدم لنقل الإشارة أو تحويل الطاقة. يحتوي العاكس ذو المستوى - على مستويين فقط من الجهد، مرتفع ومنخفض، وهو بسيط في التصميم ومناسب للتطبيقات منخفضة التكلفة -. ومع ذلك، تقدم ثلاثة محولات من المستوى - نقطة جهد متوسطة -، مما يوفر ثلاثة مستويات للجهد، مما يسمح بالتحكم الدقيق في الجهد وله العديد من المزايا الهامة على مستوى النظام1.
1.معنى التكنولوجيا ذات المستويات الثلاثة-.
في الثمانينات، اقترح العالم الياباني ناباي دائرة عاكسة ثلاثية المستويات-تعتمد على تثبيت الصمام الثنائي. يظهر هيكلها الطوبولوجي النموذجي في الشكل التالي. يتكون كل ذراع جسر لدائرة العاكس بأكملها من 4 ترانزستورات ثنائية القطب ذات بوابة معزولة (IGBTs) و6 صمامات ثنائية.
على الرغم من أن الدائرة ذات المستويات الثلاثة- أكثر تعقيدًا نسبيًا من حيث البنية، مقارنة بدائرة العاكس التقليدية ذات المستويين- والتي يمكنها فقط إخراج المستويات العالية والمنخفضة، فإن دائرة العاكس الجديدة هذه يمكنها إخراج مستويات عالية ومنخفضة من خلال -تشغيل الأنابيب العلوية والسفلية، وإخراج مستوى الصفر من خلال تأثير التثبيت للصمام الثنائي المتوسط، بإجمالي ثلاث حالات مستوى. لذلك، تسمى دائرة عاكسة ثلاثية المستويات-.
خذ التغيير المحتمل عند نقطة المنتصف لذراع الجسر العاكس للمرحلة A في الشكل التالي كمثال لوصف المعنى المحدد للمستويات الثلاثة بإيجاز.
- عندما يكون IGBTs على ذراع جسر الطور A- موصلين، يكون الجهد عند النقطة A هو نفس جهد الناقل الموجب، وهو U/2. جهد منصة الضغط الذي يتحمله كل IGBT هو U/2، كما هو موضح في الحلقة 1.
- عندما يكون IGBTs لذراع الجسر السفلي لذراع جسر الطور A- موصلين، يكون الجهد عند النقطة A هو نفس جهد الناقل السلبي، وهو -U/2، وجهد منصة الإجهاد الذي يتحمله كل IGBT هو U/2، كما هو موضح في الحلقة 2.
- عندما يتم توصيل IGBT الثاني على ذراع جسر الطور -وصمام ثنائي التثبيت الجانبي، يكون الجسر العاكس للطور A- في حالة حرة، والإمكانات عند النقطة A هي نفسها عند النقطة الوسطى للحافلة، وهي 0، كما هو موضح في الحلقة 3.
من الدوائر الموصلة الثلاثة للمرحلة A الموصوفة أعلاه، يمكن معرفة أن الجهد عند النقطة A يمكن أن يقدم ثلاثة مستويات: U/2، 0، و-U/2، وبالتالي يطلق عليها حالة المستوى الثلاثة-2.
2. طبولوجيا المستوى الثالث - المشتركة
2.1NPC1 طوبولوجيا
تعد طوبولوجيا NPC1 (النقطة المحايدة - - المثبتة) واحدة من أكثر طبولوجيا المستويات الثلاثة - كلاسيكية. يعمل على تحسين توزيع الخسارة وتحسين EMI من خلال تحسين المسار الحالي وآلية التحويل على مستوى الصفر -.
في ظل ظروف العاكس، تتركز خسائر NPC1 بشكل أساسي في أنابيب T1/T4، بما في ذلك خسائر التوصيل وخسائر التبديل. T2/T3 في الحالة المفتوحة عادة، والخسارة هي بشكل أساسي فقدان التوصيل. يتم إجراء D5/D6 أثناء عملية التبديل، وتشمل خسائرها خسائر التوصيل وخسائر الاسترداد العكسي.
في ظل ظروف التصحيح، تتركز الخسائر بشكل رئيسي في أنابيب D1/D4 وأنابيب T2/T3. تحتوي أنابيب D1/D4 على خسائر توصيل وخسائر استرداد عكسية، بينما تولد أنابيب T2/T3 خسائر توصيل وخسائر تبديل أثناء التبديل. في المقابل، تحتوي الأنابيب D2/D3 وD5/D6 فقط على فقد التوصيل.
2.2 طوبولوجيا NPC2
تعد طوبولوجيا NPC2 بمثابة تحسين يعتمد على طوبولوجيا NPC1. في NPC2، يتم استخدام زوج من IGBTs مع بواعث أو مجمعات مشتركة وثنائيات متوازية مضادة - لاستبدال ثنائيات التثبيت في NPC1، مما يقلل عدد الثنائيات بمقدار اثنين. في NPC2، تتحمل أنابيب T1/T4 جهد الناقل الكامل، بينما تتحمل أنابيب T2/T3 نصف جهد الناقل.
في حالة العاكس، في النصف الموجب - من الدورة، يظل T2 مفتوحًا بشكل طبيعي، ويتنقل T1 وD3؛ في النصف السلبي من الدورة -، يظل T3 مفتوحًا بشكل طبيعي، ويتبادل T4 وD2.
في حالة التصحيح، تشبه عملية التخفيف أيضًا عملية NPC1، ولكن نظرًا للبنية المختلفة لجزء التثبيت، يختلف توزيع الخسارة عن توزيع NPC1. بشكل عام، في نطاق التردد المتوسط - والمنخفض - -، يكون إجمالي الخسارة في طوبولوجيا NPC2 أقل من طوبولوجيا NPC1.
2.3 طوبولوجيا ANPC
يتم تشكيل طوبولوجيا ANPC (النقطة المحايدة النشطة - -) عن طريق استبدال ثنائيات التثبيت في NPC1 بـ IGBTs وثنائيات متوازية مضادة -. إنه يوسع مساري تبديل بمستوى صفر -، ومن خلال الاختيار والتحكم في مسارات تخفيف المستوى صفر -، يمكن تحقيق توزيع أكثر توازنًا للخسارة ومحاثة شاردة لحلقة التبديل الأصغر.3.
3. طرق التحكم في ثلاثة محولات ذات مستوى -.
3.1 التحكم في الجهد
3.1.1DC - التحكم في الجهد الجانبي
في نظام توليد الطاقة الكهروضوئية، من الضروري الحفاظ على استقرار الجهد الجانبي DC - للعاكس. يتم توفير الجهد الجانبي DC - بشكل أساسي بواسطة الألواح الكهروضوئية. بسبب تأثير عوامل مثل شدة الضوء ودرجة الحرارة، فإن جهد الخرج للألواح الكهروضوئية سوف يتقلب. ولذلك، هناك حاجة إلى استراتيجية التحكم في الجهد الجانبي DC -. تتضمن الطرق الشائعة الاستخدام استخدام محول تعزيز أو محول تعزيز باك - أمام العاكس لضبط الجهد الجانبي DC - إلى قيمة ثابتة. على سبيل المثال، عندما يكون جهد الخرج للألواح الكهروضوئية أقل من القيمة المطلوبة، يمكن لمحول التعزيز زيادة الجهد؛ عندما يكون أعلى، يمكن لمحول التعزيز باك - ضبط الجهد إلى المستوى المناسب.
3.1.2 منتصف - نقطة التحكم المحتملة
في ثلاثة محولات من المستوى -، يعد التقلب المحتمل للنقطة المتوسطة - مشكلة شائعة، خاصة في طبولوجيا النوع NPC -. سيؤثر التقلب المحتمل للنقطة المتوسطة - على جودة شكل موجة جهد الخرج وموثوقية الجهاز. هناك العديد من الطرق للتحكم في احتمالية النقطة الوسطى -. تتمثل إحدى الطرق في إضافة مكون وضع - مشترك إلى إشارة التعديل. على سبيل المثال، في طريقة تعديل عرض النبضة الجيبية - (SPWM)، تتم إضافة جهد وضع شائع معين - إلى الجهد المرجعي لضبط وقت الشحن والتفريغ لمكثف النقطة المتوسطة -، وذلك للحفاظ على استقرار النقطة المتوسطة - المحتملة. هناك طريقة أخرى تتمثل في استخدام نظام التحكم في التغذية المرتدة لاكتشاف منتصف النقطة - المحتملة وضبط حالات التبديل للعاكس وفقًا للانحراف لتحقيق التوازن المحتمل للنقطة الوسطى -4.
3.2 التحكم الحالي
3.2.1 الشبكة - التحكم الحالي المتصل
بالنسبة للمحولات الكهروضوئية المتصلة بالشبكة -، من الضروري التأكد من أن تيار الخرج في نفس التردد والطور مثل جهد الشبكة. ويتم تحقيق ذلك من خلال شبكة - استراتيجية التحكم الحالية المتصلة. إحدى الطرق الشائعة هي استخدام حلقة مقفلة الطور - (PLL) لمزامنة تيار الخرج مع جهد الشبكة. يمكن لـ PLL تتبع تردد ومرحلة جهد الشبكة بسرعة ودقة. بناءً على مخرجات PLL، تم تصميم وحدة التحكم الحالية، مثل وحدة التحكم التناسبية - المتكاملة (PI) أو وحدة التحكم التناسبية - الرنانة (PR). تقوم وحدة التحكم الحالية بضبط جهد الخرج للعاكس وفقًا للانحراف بين التيار المرجعي وتيار الخرج الفعلي لضمان أن تيار الخرج يلبي متطلبات اتصال الشبكة -.
3.2.2 إخراج التحكم التوافقي الحالي
بالإضافة إلى ضمان نفس التردد والمرحلة مثل جهد الشبكة، من الضروري أيضًا التحكم في المحتوى التوافقي لتيار الخرج. كما هو مذكور أعلاه، ثلاثة محولات من المستوى - لها محتوى توافقي تيار خرج أقل من محولين من المستوى -، ولكن في بعض سيناريوهات التطبيق ذات الدقة العالية -، لا تزال هناك حاجة إلى مزيد من التحكم التوافقي. ويمكن تحقيق ذلك من خلال تحسين استراتيجية التعديل. على سبيل المثال، استخدام الفضاء - تعديل عرض النبض المتجه - (SVPWM) بدلاً من SPWM التقليدي يمكن أن يقلل المحتوى التوافقي لتيار الخرج. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا استخدام بعض خوارزميات التحكم المتقدمة، مثل التحكم الأمامي - في التغذية التوافقية والتحكم في التعويض التوافقي المتعدد -، لزيادة تقليل المحتوى التوافقي لتيار الخرج5.
4.مزايا ثلاثة محولات من المستوى - مقارنة بمحولين من المستوى -
4.1 الموجي الناتج الجهد
شكل موجة الجهد الناتج بواسطة دائرة العاكس ذات المستويين-:
شكل موجة الجهد الكهربي الناتج بواسطة دائرة عاكسة ذات -ثلاثة مستويات:
المبدأ الأساسي للعاكس -ثلاثي المستويات هو استخدام مستويات متعددة لتركيب موجة خطوة لتقريب جهد الخرج الجيبي. ونظرًا لوجود مستوى إخراج إضافي مقارنةً بالعاكس ذي المستويين-، فإن موجة PWM التي يخرجها تكون أقرب إلى شكل موجة جيبية. الشكلان أعلاه عبارة عن مقارنة بين أشكال موجة PWM التي يتم إخراجها بواسطة محولين على مستوى - وثلاثة- على مستوى المستوى. يمكن تمييزه بشكل بديهي أن خرج شكل موجة PWM بواسطة عاكس المستويات الثلاثة - أقرب إلى الجيب ويحتوي على محتوى تموج أقل6.
4.2 خسارة التبديل
في دائرة عاكسة ثلاثية المستويات، يتم مشاركة جهد ناقل التيار المستمر U بين اثنين من IGBTs. الجهد الذي يتحمله كل IGBT على ذراع الجسر هو نصف جهد الدخل على جانب التيار المستمر، U/2. في دائرة عاكس ذات -مستويين، يتحمل IGBT واحد فقط جهد ناقل التيار المستمر، والجهد الذي يتحمله كل IGBT على ذراع الجسر هو جهد الدخل مباشرة على جانب التيار المستمر، أي U. وبالتالي، في دائرة عاكس ذات -ثلاثة مستويات، يتحمل IGBT نصف جهد المستويين-الأول في بداية التوصيل ونهاية إيقاف التشغيل-. يحدد هذا أن خسارة التبديل لمستويات-IGBT الثلاثة أصغر بكثير من خسارة التبديل للمستوى-الأول7.
4.3 التردد العالي
تتأثر وحدات IGBT- ذات الجهد العالي بمستوى جهد التطبيق، والذي يحدد أن تردد التحويل وسرعة التحويل الخاصة بها أقل بكثير من تلك الخاصة بوحدات IGBT- ذات الجهد المنخفض. ومع ذلك، فإن نظام المستويات-ثلاثة يتيح تطبيق التردد العالي-لوحدات IGBT ذات الجهد المنخفض-. بالمقارنة مع مرشحات الطاقة النشطة، فإن مستوى تردد التبديل لا يعكس بشكل مباشر سرعة التعويض فحسب، بل يعكس أيضًا عرض نطاق تردد التعويض القابل للتحقيق. كلما زاد نطاق التردد حيث يقع تردد التبديل، كلما كان نطاق تردد التصفية الذي يمكن للمرشح اختياره لتنفيذه أوسع، كلما كان أضيق؛ وعلى العكس من ذلك، ينبغي أن يكون أضيق8.
4.4 المقارنة الكمية
إن تطور خط إنتاج SMA هو دليل جيد.
- منتج تكنولوجي ذو مستويين-: سلسلة Sunny Tripower.
- منتج تكنولوجي ذو ثلاثة مستويات-: سلسلة Sunny Highpower.
من البيانات الواردة في الرسمين البيانيين أعلاه، يمكن الحصول على أقصى قدر من الكفاءة لمنتجات العاكس الكهروضوئية ذات التقنية -المستويين تبلغ 98.1%، وتبلغ الكفاءة في أوروبا 97.8%. يمكن أن تصل الكفاءة القصوى لمنتجات العاكسات الكهروضوئية ذات التكنولوجيا-الثلاثية المستوى إلى 99.1%، بينما يمكن أن تصل إلى 98.8% في أوروبا. وبمقارنة الاثنين، يمكن العثور على أن كفاءة منتجات التكنولوجيا ذات المستويات الثلاثة-قد زادت بنسبة 1%9.
5. اتجاهات التنمية المستقبلية
5.1 التكامل مع مواد أشباه الموصلات الجديدة
مع تطور تكنولوجيا أشباه الموصلات، يتم تطبيق مواد أشباه الموصلات الجديدة مثل كربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN) تدريجيًا على العاكسات. تتمتع هذه المواد بحركة إلكترون أعلى، وجهد انهيار أعلى، ومقاومة أقل - من مواد السيليكون التقليدية. يمكن أن يؤدي دمج تقنية العاكس ذات المستوى - الثلاثة مع مواد شبه موصلة جديدة إلى تحسين أداء المحولات بشكل أكبر. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي استخدام وحدات SiC MOSFET في ثلاثة محولات ذات مستوى - إلى تقليل فقدان التبديل وفقدان التوصيل للأجهزة، وتحسين كفاءة العاكس، وزيادة تردد التبديل، مما يفضي إلى تقليل حجم ووزن العاكس بشكل أكبر وتحسين كثافة الطاقة.
5.2 الذكاء والرقمنة
في المستقبل، ستكون العاكسات ذات المستوى - الثلاثة أكثر ذكاءً ورقمنة. مع تطور تكنولوجيا الإلكترونيات الدقيقة وتكنولوجيا التحكم الرقمي، يمكن تجهيز العاكسات بوحدات تحكم وأجهزة استشعار رقمية أكثر تقدمًا. يمكن لوحدات التحكم الرقمية هذه تنفيذ خوارزميات تحكم أكثر تعقيدًا، مثل التحكم التكيفي والتحكم التنبؤي وتشخيص الأخطاء - والتحكم في الإصلاح الذاتي -. يمكن لأجهزة الاستشعار مراقبة حالة تشغيل العاكس في الوقت الحقيقي -، مثل درجة الحرارة والجهد والتيار والحالة الصحية للجهاز. من خلال الخوارزميات الذكية ومراقبة الوقت الحقيقي -، يمكن للعاكس تعديل معلمات التشغيل الخاصة به وفقًا للوضع الفعلي، وتحسين كفاءة وموثوقية النظام، وتحقيق المراقبة عن بعد والإدارة الذكية.
5.3 - الجهد العالي وتطبيقات الطاقة - الأعلى
مع استمرار توسع نطاق توليد الطاقة الكهروضوئية، يتزايد أيضًا الطلب على الجهد العالي - وعاكسات الطاقة الأعلى -. تتمتع تقنية العاكس ذات المستوى - الثلاثة بالقدرة على تلبية هذا الطلب. من خلال تحسين البنية واستراتيجية التحكم لثلاثة محولات مستوى -، واستخدام الأجهزة ذات الجهد العالي - ذات التصنيف -، يمكن زيادة جهد الخرج والطاقة لثلاثة محولات مستوى - بشكل أكبر. وهذا له أهمية كبيرة بالنسبة لمحطات الطاقة الكهروضوئية كبيرة الحجم - وأنظمة توليد الطاقة الكهروضوئية ذات الجهد العالي - - خط النقل - -، والتي يمكن أن تقلل عدد العاكسات المطلوبة، وتبسيط بنية النظام، وتقليل التكلفة الإجمالية للنظام10.
- يو، تشنغتشو، 2023، التحكم في عاكس PWM ثلاثي المستويات لأنظمة توليد الطاقة الكهروضوئية المتصلة بالشبكة -.
- Zhihu، شرح تفوق التكنولوجيا ذات المستويات الثلاثة-.
- غير -شبكة، ومبدأ الدائرة-ثلاثة المستويات وتحليل طوبولوجيا الدائرة المشتركة.
- متحمس للإلكترونيات، -مخطط تصميم عاكس متصل من النوع T-من ثلاثة مستويات للشبكة الكهروضوئية.
- تانغ، ياو، 2023، تصميم والتحكم في عاكسات النوع الثلاثة المشذرة من النوع -المستوى T- لتطبيقات الطاقة العالية.
- متحمس للإلكترونيات، مقارنة بين مزايا الأنظمة الثلاثة-المستوية والمستويين-.
- CSDN، الفرق بين مستويين-وثلاثة-مستويات.
- بايدو وينكو، مقارنة بين مستويين-وثلاثة مستويات-.
- SMA، بيانات المنتج من الموقع الرسمي لـ SMA.
- Qitian Power، عاكس متوازي طوبولوجي ثلاثي المستويات.
