Multi-resonant converters as photovoltaic module-integrated maximum power point tracker [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Christian Peter Dick

Christian Peter Dick

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 35
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 5 Mo

Extrait

Multi-Resonant Converters as Photovoltaic
Module-Integrated Maximum Power Point Tracker
VonderFakultätfürElektrotechnikundInformationstechnik
derRheinisch WestfälischenTechnischenHochschuleAachen
zurErlangungdesakademischenGradeseinesDoktorsderIngenieurwissenschaften
genehmigteDissertation
vorgelegtvon
Diplom Ingenieur
ChristianPeterDick
ausLimburganderLahn
Berichter:
UniversitätsprofessorDr. ir. RikW.DeDoncker
UnivDr. Ing. habil. Dr. h.c. KayHameyer
TagdermündlichenPrüfung: 17.05.2010
DieseDissertationistaufdenInternetseitenderHochschulbibliothekonlineverfügbarRegeneratives Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am
InstitutfürStromrichtertechnikundElektrischeAntriebe(ISEA)anderRheinisch Westfälischen
TechnischenHochschule(RWTH)Aachen.
Mein besonderer Dank gilt dem Institutsleiter Professor De Doncker, der mir die Promotion am
ISEA ermöglichte. Seine innovative und flexible Denkweise hat mir die Vielzahl von Effekten
erstbewusstgemacht. DankefürdieFreiheitenbeidertäglichenArbeit, dadurchwaresmöglich
auch rechts und links des Weges Fragestellungen nachzugehen. Weiterhin möchte ich mich bei
Professor Hameyer für die Übernahme des Koreferates bedanken. An dieser Stelle auch großen
DankandenleidervielzufrühverstorbenenProfessorvanderBroeck. DieDiskussionenmitihm
und seine Hinweise zu wichtigen Veröffentlichungen haben Weichen für die vorliegende Arbeit
gestellt.
Vielen Dank an meine Bürokollegen Harald Radermacher, Klaus Rigbers, Dirk Hirschmann und
SebastianRichter. AndievielengemeinsamenArbeitstage,beiunzähligenDiskussionenüberdas
Fach, teilweise in der Singstimme, erinnere ich mich gerne zurück. Insbesondere denke ich an
KühlschränkeundPlastiktüten,dennwer SO sagt, ist noch lange nicht fertig.
Danke auch an die gesamte ISEA Belegschaft für die ausgesprochen kollegiale und hilfsbereite
Arbeitsatmosphäre! Weiterhin danke ich meinen studentischen Mitarbeitern für Ihre Beiträge im
Rahmen von Diplom und Studienarbeiten und als wissenschaftliche Hilfskräfte. Hervorheben
möchteich AndreasGrandel, Matthias Biskoping, MartinRosekeit, DirkKnobloch, PhilippHet
zeltundFurkanKaanTitiz.
Ganz herzlich danke ich meiner Familie dafür, dass Sie früh meine Begeisterung für technische
Zusammenhänge geweckt und gefördert haben. Ebenso bin ich dankbar dafür, dass sie mich zu
den theorielastigen Studien und Promotionszeiten immer wieder mit Witz und Fantasie geerdet
haben.
Einen ganz lieben Dank an meine Freundin Sarah, die mir zu Zeiten des Zusammenschreibens
denRückengänzlichfreigehaltenhatundauchdafür,michzuZwangspausenaufdemFahrradzu
verpflichten!
Regenerativ ist dieses Vorwort in folgender Hinsicht: Das Zusammenfassen dieser Seite an sich
ist mehr als erholsam und Kräfte aufbauend. Beim gedanklichen Rückblick auf meine vergan
genen Jahre am ISEA wird mir bewusst, wie sehr ich auf die Menschen in meinem privaten wie
beruflichenUmfeldzählenkann. Danke!
Aachen,imMai2010 ChristianDickContents
1 Introduction 1
1.1 MotivationoftheThesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 ObjectiveandStructureoftheThesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2 Fundamentals 5
2.1 LocalMaximumPowerPointTrackers(MPPT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Photovoltaicsrelatedaspectsanddefinitions . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2 Positionwithinphotovoltaicconverters-DefinitionoflocalMPPT . . . . 7
2.1.3 Designgoalsandrequirements-Stateoftheart . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Magnetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.1 Basicmagneticcoherences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.2 Matrixofcouplinginductancesinmulti coilmagnetics . . . . . . . . . . 18
2.2.3 Characterizationprocedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.4 Parasiticcapacitances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3 ConverterOptimizationandLossModeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.1 Generalprocedureofconverterdesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.2 Metal oxidesemiconductorfield effecttransistors(MOSFETs) . . . . . . 31
2.3.3 Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3 System Concepts with Local Maximum Power Point Trackers 39
3.1 Three phaseLow frequencyACDistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2 DCDistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3 Three phaseMedium frequencyACDistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4 Comparison-ChoiceoftheParallelDC DistributionSystemConcept . . . . . . 49
3.5 ComponentsoftheParallelDC DistributionSystemConcept . . . . . . . . . . . 52
3.5.1 DistributionlineandDC ACconverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.5.2 SpecificationsoftheDC DCconverter,thekeycomponent . . . . . . . . 54
4 The Series-Parallel Resonant Converter 59
4.1 ChoiceoftheSPRCTopology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
iii Contents
4.1.1 Classicswitched modepowersupplies . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.1.2 Load resonantconverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1.3 Single phaseandthree phaseSPRCvariations . . . . . . . . . . . . . . 63
4.1.4 FundamentalsontheSPRCoperation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.2 OperationFrequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.3 DesignRulesBasedontheFirstHarmonicApproximation(FHA) . . . . . . . . 71
4.3.1 Minimumcurrentsintheresonanttank: Thekeytohighefficiency . . . . 71
4.3.2 FundamentalsofFHA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.3.3 Resonanttankdesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3.4 Designconstraint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.4 ApplyingtheFHADesignMethodUsingNumericalSPRCOptimization . . . . 80
4.4.1 Necessityofanumericaloptimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.4.2 Numericaloptimization: procedureandresults . . . . . . . . . . . . . . 81
4.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5 Design of the Transformer-Inductor device 87
5.1 LossModelingandMaterials-DerivationofDesignGoals . . . . . . . . . . . . 87
5.1.1 Operationofsoftmagneticmaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.1.2 Modelingcoreandwindinglosses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.1.3 Softmagneticmaterials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.2 TransformerGeometries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.3 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.3.1 Designmethod: theoreticalfundamentandderivation . . . . . . . . . . . 99
5.3.2 Designoftheratioofleakageandmaininductanceresultingingeometric
dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6 On the Use of Three-Phase DC-DC Converters 107
6.1 Transformer InductorUnbalance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.1.1 DescriptionandIdentificationofUnbalance . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.1.2 Analysis,QuantificationandDiscussionofUnbalance . . . . . . . . . . 111
6.2 HarmonicContentoftheResonant TankCurrents . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.3 Designaspectsforthree phaseconverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.3.1 Rectification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.3.2 Wye-DeltaConfigurationofTransformers . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118Contents iii
7 Single-Phase Prototype: Implementation, Characterization and Discussion 121
7.1 Transformer InductorDevice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
7.1.1 Distributedairgapmaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
7.1.2 Multipleconcentratedairgaps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.2 ConverterPrototype . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.2.1 Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.2.2 Functionality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.2.3 Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
7.3 DiscussionofReliabilityandEconomicAspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
7.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
8 Summary and Conclusions 139
9 Future Work 141
9.1 EnhancedHybridSystemConcept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
9.2 ModulationSchemesoftheInverterBridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
9.3 PowerTransferviaHigherHarmonics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Bibliography 145
A Nomenclature 155
A.1 Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
A.2 Abbreviations . . . . . . . . . . . .