部分功率处理（Partial Power Processing, PPP）DC/DC MPPT转换器在光伏应用中的架构综述

作者及发表信息

本文由Yong Dae Kwon（华为技术杜塞尔多夫有限公司）、Francisco Freijedo、Thiwanka Wijekoon（华为技术杜塞尔多夫有限公司）和Marco Liserre（基尔大学电力电子学主席）合作完成，发表于2022年IEEE第13届分布式发电系统电力电子国际研讨会（PEDG），DOI编号为10.1109/PEDG54999.2022.9923096。

研究背景与目标

在大型光伏（PV）电站中，传统DC/DC最大功率点跟踪（MPPT）转换器存在效率低、功率密度（Power Density, PD）不足和成本高的问题。部分功率处理（PPP）架构通过仅处理输入功率的一部分（而非全部）来提升性能，其核心优势在于降低半导体器件和被动元件的损耗，从而提高系统效率并减少体积与成本。本文旨在对三种主流PPP架构——差分功率转换器（Differential Power Converter, DPC）、分数功率转换器（Fractional Power Converter, FRPC）和部分功率转换器（Partial Power Converter, PPC）——进行系统性分类与定量比较，并提出基于伏安面积（VA Area）模型和利用率因子（Utilization Factor, UF）的分析框架。

主要架构与工作原理

1. 差分功率转换器（DPC）

DPC通过补偿光伏电池间的功率不平衡（由光照不均或温度梯度导致）实现PPP。其特点是处理“全电压-部分电流”，即仅调节电池间的电流差异（ΔI），而电压应力与单个电池电压相当。尽管DPC能实现高效率，但需为每个电池单元配备独立转换器，导致器件数量庞大，成本高昂，且无法支持组串级（per-string）MPPT。

2. 分数功率转换器（FRPC）

FRPC通过引入辅助直流电压源（Vaux）降低转换器电压应力，实现“全电流-部分电压”处理。其优势在于支持组串级MPPT且功率密度高，但每台转换器需独立辅助电源，增加了系统复杂性和成本。

3. 部分功率转换器（PPC）

PPC通过电流或电压反馈路径实现PPP，分为三类：
- 输入并联输出串联（IPOS）：适用于升压场景（Vbus > Vpv），处理部分电流（Ip）和部分电压（Vp），剩余功率通过共地路径旁路。
- 输入串联输出并联（2P-ISOP）：适用于降压场景（Vpv > Vbus），处理部分电压和部分电流，结构与IPOS对称。
- 三端口ISOP（3P-ISOP）：结合隔离转换器和MPPT控制器，支持双向功率流，适用于升降压混合场景。

定量分析：利用率因子（UF）与处理功率比（KPR）

通过UF（式8）和KPR（式9）对三种架构在10 kW光伏系统（条件见表I）下的性能进行量化比较：
- DPC的UF最低（器件利用率差），且无法实现组串级MPPT。
- FRPC的UF最高，但需额外辅助电源，成本与体积劣势明显。
- PPC中，IPOS和2P-ISOP在单组串下UF优于3P-ISOP，但多组串时3P-ISOP更具扩展性。

结论与价值

1. DPC因高器件数量和MPPT局限性，适用性较低。
   
2. FRPC虽效率优异，但冗余电源需求限制了其经济性。
   
3. PPC（尤其是3P-ISOP）在多组串场景下展现出最佳综合性能，平衡了效率、功率密度和成本。
   

本文的创新点在于：
- 提出基于VA面积模型的PPP功率流可视化方法；
- 通过UF和KPR实现架构的定量对比；
- 为光伏系统设计提供了拓扑选择的理论依据。

实际意义

该研究为光伏电站的DC/DC转换器设计提供了优化方向，尤其适用于追求高功率密度与低成本的分布式发电场景。未来工作可探索混合PPP架构或新型半导体材料以进一步提升性能。