Bộ biến tần đóng vai trò quan trọng trong hệ thống phát điện quang điện, chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) do các tấm quang điện tạo ra thành dòng điện xoay chiều (AC) phù hợp để nối lưới hoặc sử dụng phụ tải. Sự phát triển của công nghệ biến tần không ngừng phát triển nhằm đáp ứng yêu cầu về hiệu suất cao hơn, chất lượng điện năng tốt hơn và giá thành thấp hơn. Công nghệ biến tần ba cấp - là một trong những tiến bộ quan trọng trong lĩnh vực này.
Khái niệm mức trong bộ biến tần đề cập đến mức điện áp được sử dụng để truyền tín hiệu hoặc chuyển đổi năng lượng. Biến tần hai cấp - chỉ có hai cấp điện áp cao và thấp, thiết kế đơn giản và phù hợp với các ứng dụng chi phí - thấp. Tuy nhiên, ba bộ biến tần cấp - tạo ra điểm trung bình điện áp -, cung cấp ba cấp điện áp, cho phép điều khiển điện áp tốt hơn và có một số lợi thế đáng kể ở cấp hệ thống1.
1.Ý nghĩa của công nghệ ba cấp độ
Vào những năm 1980, học giả người Nhật Nabae đã đề xuất một mạch biến tần ba{1}}cấp dựa trên cơ chế kẹp đi-ốt. Cấu trúc tôpô điển hình của nó được thể hiện trong hình dưới đây. Mỗi nhánh cầu của toàn bộ mạch biến tần bao gồm 4 Transitor lưỡng cực có cổng cách điện (IGBT) và 6 điốt.
Mặc dù mạch ba{0}}cấp tương đối phức tạp hơn về cấu trúc liên kết, so với mạch biến tần hai{1}}cấp truyền thống chỉ có thể xuất ra mức cao và thấp, mạch biến tần mới này có thể xuất ra mức cao và thấp thông qua việc bật-các ống trên và dưới cũng như xuất ra mức 0 thông qua hiệu ứng kẹp của điốt trung gian, tổng cộng có ba trạng thái mức. Do đó, nó được gọi là mạch biến tần ba{4}}cấp.
Lấy sự thay đổi điện thế tại điểm giữa của nhánh cầu biến tần của Pha A trong hình dưới đây làm ví dụ để mô tả ngắn gọn ý nghĩa cụ thể của ba cấp độ.
- Khi hai IGBT trên nhánh cầu pha A{0}}đang dẫn điện, điện thế tại điểm A bằng điện thế của bus dương là U/2. Điện áp nền tảng ứng suất mà mỗi IGBT chịu là U/2, như được hiển thị trong Vòng 1.
- Khi hai IGBT của nhánh cầu dưới của nhánh cầu pha A{0}}đang dẫn điện, điện thế tại điểm A bằng với điện thế bus âm, là -U/2 và điện áp nền ứng suất mà mỗi IGBT chịu đựng là U/2, như được hiển thị trong vòng 2.
- Khi IGBT thứ hai trên nhánh cầu pha A{0}} và điốt kẹp rẽ nhánh đang dẫn điện, cầu biến tần pha A-ở trạng thái quay tự do và điện thế tại điểm A giống như điện thế tại điểm giữa của bus là 0, như được hiển thị trong vòng 3.
Từ ba mạch dẫn của pha A được mô tả ở trên, có thể biết rằng điện thế tại điểm A có thể có ba mức: U/2, 0 và -U/2 nên được gọi là trạng thái ba-cấp2.
2. Cấu trúc liên kết cấp ba - phổ biến
Cấu trúc liên kết 2.1NPC1
Cấu trúc liên kết NPC1 (Trung tính - Điểm - được kẹp) là một trong ba cấu trúc liên kết cấp độ - cổ điển nhất. Nó tối ưu hóa việc phân phối tổn thất và cải thiện EMI bằng cách tối ưu hóa đường dẫn hiện tại và cơ chế chuyển đổi mức - bằng 0.
Trong điều kiện biến tần, tổn thất của NPC1 chủ yếu tập trung ở các ống T1/T4, bao gồm tổn thất dẫn và tổn thất chuyển mạch. T2/T3 ở trạng thái mở bình thường, tổn thất chủ yếu là tổn thất dẫn truyền. D5/D6 dẫn điện trong quá trình chuyển mạch và tổn thất của nó bao gồm tổn thất dẫn và tổn thất thu hồi ngược.
Trong điều kiện chỉnh lưu, tổn thất chủ yếu tập trung ở ống D1/D4 và ống T2/T3. Bóng đèn D1/D4 có tổn hao dẫn điện và tổn thất phục hồi ngược, trong khi bóng đèn T2/T3 tạo ra tổn thất dẫn điện và tổn thất chuyển mạch trong quá trình chuyển mạch. Ngược lại, ống D2/D3 và D5/D6 chỉ có tổn hao dẫn điện.
2.2 Cấu trúc liên kết NPC2
Cấu trúc liên kết NPC2 là một cải tiến dựa trên cấu trúc liên kết NPC1. Trong NPC2, một cặp IGBT có bộ phát hoặc bộ thu chung và điốt song song chống - được sử dụng để thay thế điốt kẹp trong NPC1, giảm số lượng điốt xuống còn hai. Trong NPC2, các ống T1/T4 chịu toàn bộ điện áp bus và các ống T2/T3 chịu một nửa điện áp bus.
Trong điều kiện biến tần, ở nửa chu kỳ - dương, T2 vẫn mở bình thường và T1 và D3 chuyển mạch; trong nửa chu kỳ - âm, T3 vẫn mở bình thường và T4 và D2 chuyển mạch.
Trong điều kiện chỉnh lưu, quá trình chuyển mạch cũng tương tự như NPC1, nhưng do cấu tạo của bộ phận kẹp khác nhau nên phân bố tổn thất cũng khác với NPC1. Nói chung, trong dải tần số chuyển mạch - - trung bình và - thấp, tổng tổn thất của cấu trúc liên kết NPC2 thấp hơn so với cấu trúc liên kết NPC1.
2.3 Cấu trúc liên kết ANPC
Cấu trúc liên kết ANPC (Hoạt động trung tính - Điểm - được kẹp) được hình thành bằng cách thay thế các điốt kẹp trong NPC1 bằng IGBT và điốt song song chống -. Nó mở rộng hai đường chuyển mạch mức 0 - và thông qua việc lựa chọn và kiểm soát các đường chuyển mạch mức 0 -, có thể đạt được sự phân bổ tổn thất cân bằng hơn và độ tự cảm lạc vòng lặp chuyển mạch nhỏ hơn3.
3.Phương pháp điều khiển ba bộ biến tần cấp -
3.1Kiểm soát điện áp
3.1.1DC - Điều khiển điện áp bên
Trong hệ thống phát điện quang điện, cần duy trì sự ổn định của điện áp phía DC - của biến tần. Điện áp phía DC - chủ yếu được cung cấp bởi các tấm quang điện. Do ảnh hưởng của các yếu tố như cường độ ánh sáng, nhiệt độ nên điện áp đầu ra của các tấm quang điện sẽ dao động. Do đó, cần có chiến lược điều khiển điện áp phía DC -. Các phương pháp thường được sử dụng bao gồm sử dụng bộ chuyển đổi tăng cường hoặc bộ chuyển đổi tăng áp Buck - ở phía trước biến tần để điều chỉnh điện áp phía DC - thành giá trị ổn định. Ví dụ, khi điện áp đầu ra của các tấm quang điện thấp hơn giá trị yêu cầu, bộ chuyển đổi tăng áp có thể tăng điện áp; khi nó cao hơn, bộ chuyển đổi tăng áp Buck - có thể điều chỉnh điện áp đến mức thích hợp.
3.1.2Kiểm soát tiềm năng điểm giữa -
Trong ba bộ biến tần cấp -, sự dao động điện thế ở điểm giữa - là một vấn đề phổ biến, đặc biệt là trong cấu trúc liên kết loại NPC -. Sự dao động điện thế điểm giữa - sẽ ảnh hưởng đến chất lượng dạng sóng điện áp đầu ra và độ tin cậy của thiết bị. Có nhiều phương pháp để kiểm soát thế năng điểm giữa -. Một phương pháp là thêm thành phần chế độ - chung vào tín hiệu điều chế. Ví dụ: trong phương pháp điều chế độ rộng xung - hình sin (SPWM), một điện áp chế độ - chung nhất định được thêm vào điện áp tham chiếu để điều chỉnh thời gian sạc và xả của tụ điện điểm giữa -, nhằm duy trì sự ổn định của điện thế điểm giữa -. Một phương pháp khác là sử dụng hệ thống điều khiển phản hồi để phát hiện điện thế điểm giữa - và điều chỉnh trạng thái chuyển mạch của biến tần theo độ lệch để đạt được cân bằng điện thế điểm giữa -4.
3.2Kiểm soát dòng điện
3.2.1Grid - Điều khiển hiện tại được kết nối
Đối với các bộ biến tần quang điện được nối vào lưới -, cần đảm bảo rằng dòng điện đầu ra có cùng tần số và pha với điện áp lưới. Điều này đạt được thông qua chiến lược điều khiển dòng điện được kết nối với lưới -. Một phương pháp phổ biến là sử dụng vòng khóa pha - (PLL) để đồng bộ hóa dòng điện đầu ra với điện áp lưới. PLL có thể theo dõi nhanh chóng và chính xác tần số và pha của điện áp lưới. Dựa trên đầu ra của PLL, một bộ điều khiển dòng điện được thiết kế, chẳng hạn như bộ điều khiển tích phân (PI) - tỷ lệ hoặc bộ điều khiển cộng hưởng (PR) tỷ lệ -. Bộ điều khiển dòng điện điều chỉnh điện áp đầu ra của biến tần theo độ lệch giữa dòng điện tham chiếu và dòng điện đầu ra thực tế để đảm bảo dòng điện đầu ra đáp ứng các yêu cầu kết nối - lưới.
3.2.2Điều khiển sóng hài dòng điện đầu ra
Ngoài việc đảm bảo cùng tần số và pha với điện áp lưới, còn cần phải kiểm soát hàm lượng hài của dòng điện đầu ra. Như đã đề cập ở trên, ba bộ biến tần cấp - có nội dung hài dòng điện đầu ra thấp hơn hai bộ biến tần cấp -, nhưng trong một số trường hợp ứng dụng có độ chính xác cao -, vẫn cần điều khiển hài hơn nữa. Điều này có thể đạt được bằng cách tối ưu hóa chiến lược điều chế. Ví dụ: sử dụng điều chế độ rộng xung - vectơ không gian (SVPWM) thay vì SPWM truyền thống có thể làm giảm nội dung hài của dòng điện đầu ra. Ngoài ra, một số thuật toán điều khiển nâng cao, chẳng hạn như điều khiển chuyển tiếp sóng hài - và điều khiển bù sóng hài đa -, cũng có thể được sử dụng để giảm hơn nữa hàm lượng sóng hài của dòng điện đầu ra5.
4.Ưu điểm của ba bộ biến tần cấp - so với hai bộ biến tần cấp -
4.1 Dạng sóng điện áp đầu ra
Đầu ra dạng sóng điện áp của mạch biến tần hai cấp:
Đầu ra dạng sóng điện áp của mạch biến tần ba cấp:
Nguyên tắc cơ bản của biến tần ba{0}}cấp là sử dụng nhiều cấp để tổng hợp sóng bước nhằm xấp xỉ điện áp đầu ra hình sin. Do có mức đầu ra bổ sung so với biến tần hai{2} cấp, nên sóng xung lực mà nó tạo ra gần với dạng sóng hình sin hơn. Hai hình trên là sự so sánh đầu ra dạng sóng xung của hai bộ biến tần-cấp và ba{5}}cấp. Có thể phân biệt một cách trực quan rằng đầu ra dạng sóngPWM của bộ biến tần ba cấp-gần với hình sin hơn và có ít gợn sóng hơn6.
4.2 Mất mát chuyển mạch
Trong mạch biến tần ba{0}}cấp, điện áp bus DC U được chia sẻ bởi hai IGBT. Điện áp sinh ra bởi mỗi IGBT trên nhánh cầu bằng một nửa điện áp đầu vào ở phía DC, U/2. Trong mạch biến tần hai{3}}cấp, chỉ có một IGBT mang điện áp bus DC và điện áp do mỗi IGBT sinh ra trên nhánh cầu trực tiếp là điện áp đầu vào ở phía DC, tức là U. Do đó, trong mạch biến tần ba-cấp, IGBT chịu một nửa điện áp của hai-cấp một khi bắt đầu dẫn và khi kết thúc-tắt. Điều này xác định rằng suy hao chuyển mạch của IGBT ba{9}}cấp nhỏ hơn nhiều so với suy hao chuyển mạch của hai{10}}cấp một7.
4.3 Tần số cao
IGBT-điện áp cao bị ảnh hưởng bởi mức điện áp ứng dụng, điều này xác định rằng tần số chuyển đổi và tốc độ chuyển đổi của chúng nhỏ hơn nhiều so với IGBT điện áp-thấp. Tuy nhiên, hệ thống ba cấp-cho phép ứng dụng-tần số cao của IGBT điện áp-thấp. So với các bộ lọc công suất hoạt động, mức tần số chuyển mạch không chỉ phản ánh trực tiếp tốc độ bù mà còn cả độ rộng của dải tần số bù có thể đạt được. Dải tần nơi đặt tần số chuyển mạch càng cao, Dải tần số lọc mà bộ lọc có thể chọn để thực hiện càng rộng thì dải tần đó càng phải hẹp; ngược lại, nó càng phải hẹp8.
4.4 So sánh định lượng
Sự phát triển của dòng sản phẩm SMA là một minh chứng rõ ràng.
- Sản phẩm công nghệ hai cấp độ: Sunny Tripower Series.
- Sản phẩm công nghệ ba cấp độ: Sunny Highpower Series.
Từ dữ liệu trong hai biểu đồ trên, có thể thấy rằng hiệu suất tối đa của hai-sản phẩm biến tần quang điện công nghệ cấp độ là 98,1% và hiệu suất ở Châu Âu là 97,8%. Hiệu suất tối đa của các sản phẩm biến tần quang điện công nghệ ba cấp-có thể đạt 99,1%, trong khi ở Châu Âu có thể là 98,8%. Bằng cách so sánh cả hai, có thể thấy rằng hiệu suất của các sản phẩm công nghệ ba cấp-đã tăng 1%9.
5.Xu hướng phát triển trong tương lai
5.1 Tích hợp với vật liệu bán dẫn mới
Với sự phát triển của công nghệ bán dẫn, các vật liệu bán dẫn mới như cacbua silic (SiC) và gali nitrit (GaN) đang dần được ứng dụng vào các bộ biến tần. Những vật liệu này có độ linh động điện tử cao hơn, điện áp đánh thủng cao hơn và điện trở - thấp hơn so với vật liệu silicon truyền thống. Việc tích hợp công nghệ biến tần ba cấp - với vật liệu bán dẫn mới có thể cải thiện hơn nữa hiệu suất của bộ biến tần. Ví dụ: sử dụng SiC MOSFET trong ba bộ biến tần cấp - có thể giảm tổn thất chuyển mạch và tổn thất dẫn điện của thiết bị, cải thiện hiệu suất của bộ biến tần và tăng tần số chuyển mạch, điều này có lợi cho việc giảm hơn nữa kích thước và trọng lượng của biến tần cũng như cải thiện mật độ năng lượng của nó.
5.2 Thông minh hóa và số hóa
Trong tương lai, ba bộ biến tần cấp - sẽ thông minh hơn và được số hóa hơn. Với sự phát triển của công nghệ vi điện tử và công nghệ điều khiển kỹ thuật số, bộ biến tần có thể được trang bị bộ điều khiển và cảm biến kỹ thuật số tiên tiến hơn. Các bộ điều khiển kỹ thuật số này có thể triển khai các thuật toán điều khiển phức tạp hơn, chẳng hạn như điều khiển thích ứng, điều khiển dự đoán, chẩn đoán lỗi - và điều khiển tự sửa chữa -. Các cảm biến có thể theo dõi trạng thái hoạt động của biến tần trong thời gian thực -, chẳng hạn như nhiệt độ, điện áp, dòng điện và trạng thái hoạt động của thiết bị. Thông qua các thuật toán thông minh và giám sát thời gian thực -, biến tần có thể điều chỉnh các thông số vận hành theo tình hình thực tế, nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống, đồng thời thực hiện giám sát từ xa và quản lý thông minh.
5.3 Điện áp - cao hơn và ứng dụng nguồn - cao hơn
Khi quy mô sản xuất năng lượng quang điện tiếp tục mở rộng, nhu cầu về điện áp - cao hơn và bộ biến tần nguồn - cao hơn cũng ngày càng tăng. Công nghệ biến tần ba cấp - có khả năng đáp ứng nhu cầu này. Bằng cách tối ưu hóa cấu trúc liên kết và chiến lược điều khiển của ba bộ biến tần cấp - và sử dụng các thiết bị định mức điện áp cao - -, điện áp đầu ra và công suất của ba bộ biến tần cấp - có thể tăng thêm. Điều này có ý nghĩa rất lớn đối với các nhà máy quang điện quy mô - và hệ thống phát điện quang điện được kết nối - điện áp cao - - -, có thể giảm số lượng bộ biến tần cần thiết, đơn giản hóa cấu trúc hệ thống và giảm chi phí chung của hệ thống10.
- Yu, Chengzhuo, 2023, Điều khiển bộ biến tầnPWM 3 cấp cho các hệ thống phát quang điện-nối lưới.
- Zhihu, Giải thích về tính ưu việt của công nghệ ba{0}}cấp.
- Phân tích nguyên tắc mạch không-mạng, ba{1}}cấp và cấu trúc liên kết mạch chung.
- Người đam mê điện tử, sơ đồ thiết kế biến tần được kết nối-loại ba-lưới quang điện-loại T.
- Tang, Yao, 2023, Thiết kế và điều khiển bộ biến tần loại T{2}}3 cấp độ xen kẽ cho ứng dụng công suất cao.
- Người đam mê điện tử, So sánh lợi ích của hệ thống ba{0}}cấp và hai{1}}cấp.
- CSDN, Sự khác biệt giữa hai{0}}cấp và ba{1}}cấp.
- Baidu Wenku, So sánh giữa hai{0}}cấp và ba{1}}cấp.
- SMA, Dữ liệu sản phẩm từ trang web chính thức của SMA.
- Qitian Power, biến tần song song cấu trúc liên kết ba cấp.