Projekty

Vývoj moderních polovodičových měničů pro paralelní spojování stejnosměrných akumulačních soustav

SP2015/174

Havel Aleš Ing., Ph.D.

prof. Ing. Petr Chlebiš, CSc.

01. 01. 2015 - 31. 12. 2015

Předmětem projektu je vývoj nových topologií a konstrukčních řešení výkonových měničů s moderními polovodičovými prvky, využívajícími pro přenos elektrické energie buď principů rezonance nebo středofrekvenčního transformátoru poskytujícího galvanické oddělení s uplatněním v aplikacích výkonové elektroniky, akumulace elektrické energie, elektrických pohonů a energetiky. Vývoj zahrnuje návrh a realizaci prototypů vybraných topologií polovodičových měničů vhodných jednak pro laboratorní ověření v aplikacích s akumulací elektrické energie, jednak pro následnou výrobu. V odborné oblasti je projekt zaměřen na návrh systémového řešení řazení velkokapacitních jednotek akumulace s využitím moderních polovodičových komponentů. Při vývoji nových typů elektrických sítí se v posledních letech objevuje trend využívání prvků akumulace elektrické energie, tzn., že do oblasti vysoko výkonových aplikací spojených s rozvodem elektrické energie pronikají prvky akumulace energie, zejména ve stejnosměrných obvodech. Tyto, pro distribuční sítě dosud netradiční prvky jsou reprezentovány zdroji elektrochemické energie, zejména různými typy akumulátorů, vodíkovými technologiemi a podobně. Stejnosměrné systémy se rovněž vyskytují v řadě jiných odvětví, jedná se zejména o dopravu, kdy je typizovanou soustavou pro napájení elektrických vozidel soustava stejnosměrná 3kV nebo jsou to různé stejnosměrné soustavy pro napájení metra, tramvajových systému městské hromadné dopravy, trolejbusových systému a podobně. Ve všech těchto aplikacích vzniká potřeba vyrovnávání špiček, vyrovnávání denního odběrového diagramu, stabilizace napětí v těchto systémech. Pro tyto aplikace jsou velice vhodné prvky s využitím různých typů akumulačních technologií, akumulačních elektrochemických článků. Ve výsledku pak dochází ke stále složitějšímu propojování stejnosměrných akumulačních soustav velkých výkonů různých technologií akumulátorů, různého stáří, s různým stupněm nabití, což přináší řadu problémů. [1], [2], [3] Nejsložitější a nejrozsáhlejší systém paralelně řazených zdrojů představuje střídavá elektrická síť. V poslední době se však v souvislosti s novými typy sítí (Smart Grids, Micro Grids apod.) vyskytuje problém paralelního spojování velkých akumulátorových baterií, které mají formu různě koncipovaných stejnosměrných akumulačních jednotek. U těchto jednotek se mohou lišit jak hodnoty napětí naprázdno, kterým se nahrazuje hodnota ideálního zdroje napětí, tak se mohou lišit v hodnotách svých vnitřních odporů. [3], [5] Z uvedeného vyplývá, že problematika paralelního spojování napěťových zdrojů je vlastně problematikou omezování, nebo také regulace vyrovnávacích proudů zdrojů až do doby, kdy se jejich napětí vyrovnají natolik, že už je možné je propojit přímo. Mezi těmito zdroji musí být proto vložen určitý vazební prvek, který uvedenou úlohu omezení vyrovnávacího proudu splní. Z tohoto důvodu se používají různé koncepce vazebních, nebo vyrovnávacích členů pro paralelní řazení, které obvykle využívají induktivní vazbu buď cívkou u galvanicky neoddělených koncepcí, nebo transformátoru u koncepcí, u kterých nejsou zdroje přímo paralelně spojené galvanicky, ale má být využívána jejich celková (součtová) akumulovaná energie. [2], [4] Koncepce bez galvanického oddělení má zejména výhodu v tom, že po vyrovnání napětí spojovaných zdrojů může dojít k jejich přímému galvanickému spojení, takže spojené zdroje (akumulátory) se chovají jako jeden celek se součtovými parametry. Přímé spojení akumulátorů je obvykle doprovázeno menšími ztrátami a vyšší účinností. Nevýhodou mohou být problémy se zajištěním bezpečnosti provozu bez galvanického oddělení, nebo problémy s jištěním. Koncepce s galvanickým oddělením výhodně zmenšuje rozměry a hmotnost oddělovacího transformátoru vzhledem k použití vyššího pracovního kmitočtu. Toto řešení je velmi výhodné zvláště pro obnovitelné zdroje elektrické energie. Jeho základem je střídač, na který je připojen středofrekvenční transformátor. Za ním následuje pulzní usměrňovač, filtrační obvod a výstupní střídač. Použití pulzního usměrňovače umožňuje obousměrný tok elektrické energie, což je velmi důležité, obsahuje-li systém akumulátory na stejnosměrné straně. [6], [7] Návrh projektu výzkumu a vývoje nových topologií výkonových polovodičových systémů pro akumulaci elektrické energie a paralelní spojování stejnosměrných akumulačních soustav vznikl z aktuálních požadavků dynamického řízení toku elektrické energie v energetice obnovitelných zdrojů. Pro řešení uvedené tématiky vedlo řešitelský tým několik základních skutečností: • Využití výzkumného potenciálu řešitelského pracoviště pro řešení společensky aktuálního problému v souladu s energetickou koncepcí EU a ČR při snižování emisí a zvyšování podílu obnovitelných zdrojů. [6] • Aktivní orientace výzkumně vývojového potenciálu vysoké školy na výstupy vhodné pro využití v průmyslu s možností podpory vzniku výzkumného týmu mladých výzkumných pracovníků a doktorandů. • Vytvoření nového výrobku mezioborového charakteru pro technologie s vícenásobným užitím. • Zajištění aplikovatelnosti výsledků projektu na starší, nebo již provozovaná zařízení obnovitelných zdrojů. • Vysoký exportní potenciál ověřeného řešení, nebo jeho částí. Mezi dominantní přínosy projektu patří zefektivnění provozu stacionárních, i mobilních soustav akumulace elektrické energie. Přínos projektu lze spatřit i v možnosti dodatečné montáže k již stávajícím zařízením akumulace. Cíle projektu jsou v souladu s dlouhodobým záměrem Vysoké školy báňské – technické univerzity v Ostravě. Řešitelský tým se skládá z velmi kvalifikovaných pracovníků Fakulty elektrotechniky a informatiky, kteří mají dlouholeté zkušenosti jak z úspěšného řešení projektů národního i mezinárodního charakteru z oblasti přeměny elektrické energie v polovodičových měničích, její akumulace, návrhu a konstrukce polovodičových měničů i elektromagnetické kompatibility elektrických sítí v návaznosti na využívání polovodičových měničů, tak teoretické znalosti i odborné zkušenosti z řešené problematiky. Velmi významné jsou znalosti a zkušenosti účastníků projektu z praktických realizací průmyslových i trakčních zařízení a jejich prosazení při exportu do zahraničí. Při řešení projektu bude využito výzkumné linie „teorie – simulace – aplikační možnosti – experimentální ověření“. Řešení takto náročných úkolů vyžaduje mezioborový přístup a spojení teoretických a praktických dovedností z oblasti výkonové elektroniky, mikroprocesorového řízení, informačních technologií, matematiky a dalších souvisejících oborů. Význam projektu pro technickou praxi je ve využití poznatků z praktické realizace a v získání experimentálních výsledků z funkčních prototypů. Řešitelský tým bude rovněž zapojen do výzkumných projektů s průmyslovými partnery (Projekt TAČR – CIDAM, Centrum kompetence). Reference: [1] Akagi, H., Watanabe, E.H., Aredes, M.: Instantaneous Power Theory and Applications to Power Conditioning. Wiley, New Jersey, USA, 2007, ISBN 978-0-470-10761-4. [2] Chlebiš, P.: Polovodičové měniče s měkkým spínáním. VŠB-TU Ostrava, 2004, 148 s., ISBN 80-248-0643-6. [3] Koch, B., Husain, B.: Smart Electricity. ABB Review, Vol. 1, pp. 6-9, 2010. [4] Tan, N.M.L., Abe, T., Akagi, H.: Design and Performance of a Bidirectional Isolated DC-DC Converter for a Battery Energy Storage System. IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 27, No. 3, pp. 1237-1248, March 2012. [5] Naish, Ch., McCubbin, I., Edberg, O., Harfoot, M.: Outlook of Energy Storage Technologies. European Parliament Study, 2007. [6] Haifeng, F., Hui, L.: High-Frequency Transformer Isolated Bidirectional DC–DC Converter Modules With High Efficiency Over Wide Load Range for 20 kVA Solid-State Transformer. In Power Electronics, IEEE Transactions on, Vol. 26, Issue 12, pp. 3599 – 3608, ISSN 0885-8993. [7] Ortiz G., Bortis D., Kolar J. W., Apeldoorn, O.: Soft-Switching Techniques for Medium-Voltage Isolated Bidirectional DC/DC Converters in Solid State Transformers. In Proceedings of the 38th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON 2012), Montreal, Canada, pp. 5233 – 5240, October 25-28, 2012, ISBN 978-1-4673-2419-9.

doc. Ing. Ivo Neborák, CSc.
Ing. Václav Sládeček, Ph.D.
Ing. Aleš Havel, Ph.D.
Ing. Martin Borski
Ing. Jiří Špička
Ing. Kateřina Takáčová, Ph.D.
Ing. Vojtěch Kalas
Bc. Radek Caga
prof. Ing. Petr Chlebiš, CSc.

Projekt navazuje na projekty SGS, které byly řešeny na výzkumném pracovišti Katedry elektroniky v předchozích letech. Hlavním cílem projektu je vývoj nových koncepcí polovodičových měničů s moderními polovodičovými prvky s využitím středofrekvenčních oddělovacích transformátorů či rezonančních obvodů za účelem dosažení vysoké účinnosti a dynamiky v systémech akumulace elektrické energie.

Dílčí cíle projektu:

C1. Vývoj simulačních modelů topologií výkonových struktur pro využití v systémech akumulace elektrické energie v prostředí Matlab-Simulink a OrCAD-PSpice.

C2. Vývoj řídicích algoritmů pro navržené koncepce polovodičových měničů s ohledem na vysoké spínací kmitočty.

C3. Implementace řídicích algoritmů a aplikačního software v systémech s DSP.

C4. Realizace funkčních vzorků a experimentální činnost v laboratořích řešitelského pracoviště.

C5. Konstrukční návrh prototypů vybraných topologií polovodičových měničů.

C6. Publikace dílčích výsledků na mezinárodních konferencích a v odborných časopisech.