Multi-resonant converters as photovoltaic module integrated maximum power point tracker

Dick, Christian Peter; de Doncker, Rik W.

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-32673

Multi-resonant converters as photovoltaic module integrated maximum power point tracker = Multi-resonante modulintegrierte Photovoltaikkonverter

Dick, Christian Peter (Author)

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christian Peter Dick

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

UmfangIV, 182 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Zsfassung in dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
de Doncker, Rik W. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-05-17

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-32673
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/51785/files/3267.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Gleichspannungswandler (Genormte SW) ; Leistungselektronik (Genormte SW) ; Photovoltaik (Genormte SW) ; Wirkungsgrad (Genormte SW) ; DC-to-DC converter (frei) ; photovoltaics (frei) ; power electronics (frei) ; resonant converter (frei) ; three-phase converters (frei) ; Dreiphasenwandler (frei) ; Konverterauslegung (frei) ; Resonanzwandler (frei) ; Ingenieurwissenschaften (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Modulintegrierte Photovoltaiksysteme zeigen hohe Robustheit gegenüber Fehlanpassungen der elektrischen Kennlinien innerhalb des Photovoltaikgenerators, welche zum Beispiel durch Teilabschattungen verursacht werden. Folglich kann das Flächenpotenzial für Photovoltaik (PV) bei Nutzung modulintegrierter PV um die ungleichmäßig beschienenen Flächen erweitert werden. Die wichtigen bereits versiegelten Flächen in urbanen Räumen können genutzt werden, um zu einer nachhaltigen Energieversorgung beizutragen. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene modulintegrierte Systemkonzepte aufgeführt und verglichen. Als flexibelste, aufwandsärmste und sicherste Lösung wird das parallele modulintegrierte Systemkonzept identifiziert. Es besteht aus einem modulintegrierten DC-DC Wandler, welcher parallel mit anderen Wandlern in eine gemeinsame DC-Verteilungsleitung einspeist. Die Einspeisung in das dreiphasige Niederspannungsnetz erfolgt über eine zentrale Einheit, die die unterschiedlichen Funktionalitäten wie DC-AC Netzeinspeisung, Leistungsmessung und Netztrennung abbildet. Folglich kann der kritische modulintegrierte DC-DC Wandler, der den rauen Umgebungsbedingungen am Modul ausgesetzt ist, auf minimale Funktionalität entwickelt werden, d.h. Regelung des PV-Generators im Punkt maximaler Leistung, Sicherheit, Lebensdauer und Effizienz. Für den Einsatz als modulintegrierter DC-DC Wandler wird in dieser Arbeit herausgearbeitet, dass die galvanisch getrennte multi-resonante LLCC-Topologie insbesondere in Bezug auf Weichschalten aller Halbleiter, hohe Teillasteffizienz und Regelbarkeit eine sehr gute Wahl darstellt. Detaillierte Untersuchungen werden an drei wesentlichen Aspekten vorgenommen. Mit dem Ziel einer hohen Konvertereffizienz werden zunächst Designrichtlinien abgeleitet. Das dabei erarbeitete Wissen über das Schaltungsverhalten bei Veränderung von fünf Parametern mündet in schnellen Optimierungsalgorithmen für die fünf Freiheitsgrade. Im zweiten wesentlichen Aspekt wird die Integration dreier Parameter in ein einziges Induktor-Transformator Bauelement durchgeführt. Für diese magnetische Komponente wird theoretisch abgeleitet und in die Entwicklungsprozedur aufgenommen, dass ein wesentlicher Zielparameter nur eine Funktion von Material und Geometrie des Bauteils ist. Als dritter Aspekt wird der Konverter hinsichtlich ein- und dreiphasiger Ausführung theoretisch und experimentell analysiert. Schlussfolgerungen und detaillierte Richtlinien für das Nutzen der Vorteile von ein- oder dreiphasigen galvanisch getrennten Konvertern werden vorgestellt. Abschließend wird ein Prototyp eines multi-resonanten modulintegrierten DC-DC Wandlers mit einer Nennleistung von 167 W demonstriert. Dieser zeigt die Eigenschaft, dass der Resonanzkreis die übertragbare Leistung, entsprechend der Voraussage aus den Designrichtlinien, auf die spezifizierten Betriebspunkte begrenzt. Die erzielte Effizienz, insbesondere im für die PV kritischen Teillastbereich, zeigt beachtliche Werte bis zu 97,5%.

Module-integrated photovoltaic (PV) systems show high robustness against mismatching of the PV-generator, e.g. reasoned by partial shading. Thus, the surface potential for PV can be increased by the unevenly irradiated surfaces using module-integrated PV. Consequently, the important, already sealed surfaces in urban areas can be utilized to contribute to a sustainable energy supply. Different module-integrated system concepts are reviewed and compared. The parallel module-integrated converter concept is identified as the most flexible, safe and cost effective solution. It consists of modules with module-integrated DC-DC converters, feeding into one DC-distribution line in parallel. Since grid connection and metering is performed in a central unit, the critical DC-DC converter is designed to minimum functionality, i.e. maximum power point tracking, safety and efficiency. The system is flexible and scalable for arbitrary modules and can be combined with classical string or central systems. In this work a multi-resonant LLCC-type converter providing galvanic isolation is identified as the best topology, regarding soft-switching of semiconductor devices, high part-load efficiency and controllability. Detailed investigations are carried out for three research foci of the DC-DC converter. With the goal of high converter efficiency, first design rules are derived in a holistic approach for the resonant tank comprising five degrees of freedom. As second step, the integration of the magnetic resonant tank elements into one transformer-inductor device is analyzed. It is identified and included in the design rules, that an important design parameter of the previous step is only a function of geometry and material of the transformer-inductor device. Finally, the design and analysis of single- and three-phase LLCC-type converter solutions are considered and experimentally verified. Conclusions are given and detailed aspects on how to make use of single-phase and three-phase DC-DC converter advantages are qualified. A single-phase multi-resonant module-integrated prototype converter is presented. Corresponding to one of the design rules, i.e. that the converter has to be designed to the specified operation region, the transferable power is limited by the resonant tank elements, not by hot spots. The critical part-load efficiency reaches values up to 97.5% at power levels around 100 W.

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