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

  • Multi-resonante modulintegrierte Photovoltaikkonverter

Dick, Christian Peter; de Doncker, Rik W. (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2010)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

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%.

Identifikationsnummern