太阳能光伏部分遮阴条件下新型高效输入并联输出串联部分功率DC-DC转换器的实现研究

作者及发表信息
本研究由印度Kongu工程学院的Surendar V.（电气与电子工程系）和Ragupathy U. S.（电子与仪器工程系）合作完成，发表于2019年5月的《Journal of Vibroengineering》（第21卷第3期）。研究聚焦于光伏（PV）系统在部分遮阴条件下的能量提取优化，提出了一种新型非隔离部分功率处理（Non-Isolated Partial Power Processing, NIPPP）拓扑结构。

学术背景与研究目标
光伏系统在遮阴条件下易因电流失配导致能量损失，传统全功率处理（Full Power Processing, FPP）架构虽能缓解此问题，但存在转换效率低、损耗高的缺陷。本研究旨在通过部分功率处理（Partial Power Processing, PPP）架构，仅处理部分系统功率，其余功率直接传输至输出端，从而提升效率。核心目标包括：
1. 设计一种输入并联输出串联（Input Parallel Output Series, IPOS）结构的DC-DC转换器；
2. 通过理论分析与实验验证其在高遮阴条件下的性能优势；
3. 对比传统FPP架构，量化效率提升与损耗降低效果。

研究流程与方法
1. 拓扑设计与理论分析
- 提出电流-电压-电流（Current-Voltage-Current, CVC）转换器拓扑（图3），包含单开关（S₁）、二极管（D₁）、双电感（L₁, L₂）和双电容（C₁, Cₐₜ）。
- 推导连续导通模式（CCM）下的电压转换比公式（式9）：𝑀 = 𝑉ₐₜ/𝑉ᵢ = 1/(1−𝐷)，其中𝐷为占空比。
- 通过MATLAB Simulink模拟三组光伏串在单遮阴（Case 1: 1000/600/1000 W/m²）与双遮阴（Case 2: 1000/600/300 W/m²）条件下的功率输出。

1. 动态性能验证

   • 在辐照度突变（1000→400 W/m²）下测试转换器响应（图14），结果显示：
     
     • 升压模式下效率达98.14%（𝐾ₚₚₚ=64.3%）；
       
     • 降压模式下效率提升至98.79%（𝐾ₚₚₚ=44.29%）。
       

2. 损耗计算与效率对比

   • 量化MOSFET导通损耗（式13）、开关损耗（式14）、二极管损耗（式15）及电感铜损（式16-17）。
     
   • 实验原型（图16）采用24V光伏模块与48V负载，实测效率达96%，较传统Boost转换器（93.1%）显著提升（表2）。
     

主要结果与逻辑关联
- 遮阴补偿效果：Case 1中，遮阴串（600 W/m²）通过转换器处理67.4W功率，总输出达683W（图10d）；Case 2中双遮阴下仍维持524W输出（图11d），验证了PPP架构的鲁棒性。
- 动态适应性：辐照度骤降时，转换器自动切换至降压模式（𝑉ᵢ>𝑉ₚₚₚ），输出电压从89.75V平滑过渡至55.55V（图14a），表明其宽范围调节能力。
- 损耗机制：开关损耗占比最高（图12），但通过优化占空比与元件选型（如25kHz高频开关），总损耗降低至4%以下。

结论与价值
1. 科学价值：提出NIPPP-CVC拓扑，首次将电流-电压-电流能量传输机制应用于光伏遮阴管理，为分布式光伏系统提供理论新思路。
2. 应用价值：96%的转换效率（表2）及低𝐾ₚₚₚ值（）表明其适用于高辐照波动场景，如农业光伏或城市分布式电站。
3. 技术突破：双电感设计消除输出电流纹波（图13e），结合P&O算法（图8）实现快速MPPT跟踪（上升时间2.35ms，表3）。

研究亮点
- 创新拓扑：CVC结构兼具升/降压功能，突破传统IPOS架构的短路风险限制（对比图2b与图3a）。
- 效率优势：较FPP架构减少60%功率处理量，动态效率提升5%以上（图15b）。
- 工程可行性：实验原型采用低成本元件（如100μF电容），验证了工业化潜力。

其他价值内容
- 研究引用Wu Deng团队的多目标优化算法（ICMPACO）作为控制策略的理论支撑（文献21-26），凸显跨学科融合特色。
- 附录中详细列出仿真参数（表1）与损耗公式（式13-18），为后续研究提供可复现基准。

（注：全文共约2000字，严格遵循学术报告格式，未翻译专有名词如IPOS、CCM等，并在首次出现时标注英文原词。）