Νέα τοπολογία ηλεκτρονικών ισχύος για εφαρμογές σε κυψέλες υδρογόνου αναστρέψιμης λειτουργίας

Abstract

The present Ph.D. Dissertation proposes a bidirectional power electronics conditioning system, which can be applied to a power generation and storage system that uses regenerative fuel cells and renewable energy sources. The proposed power electronics conditioning system consists of a front-end interleaved boost dc-dc stage, a high frequency sinusoidal pulse width modulation inverter and a high frequency sinusoidal pulse width modulation cycloconverter stage. This topology when is compared to the existing bidirectional power conditioning systems has the following advantages: a) Provides bi-directional power flow to the hybrid generation and storage system thus giving the capability to use regenerative fuel cells, b) has build-in high frequency ohmic isolation and consequently exhibits high power density, c) employs low voltage battery configuration thus eliminating the necessity of a battery management system, d) draws low current ripple component from the fuel cell stack, and e) provides fuel cell start-up and battery charging through the utility grid and/or the renewable energy sources. The proposed topology is analyzed extensively, is given the required equations of designing and is presented the results of simulation, as well as the experimental results. The advantages that it offers compared to existing topologies (for electric energy production and storage systems applications that use regenerative fuel cell systems) become obvious from the analysis of proposed topology.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνεται μια αμφίπλευρη τοπολογία ηλεκτρονικών ισχύος, η οποία μπορεί να εφαρμοστεί στα συστήματα κυψελών καυσίμου αναστρέψιμης λειτουργίας. Η τοπολογία αυτή, μαζί με το σύστημα κυψελών καυσίμου αναστρέψιμης λειτουργίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συστήματα παραγωγής και αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς και σε υβριδικά συστήματα με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Το προτεινόμενο σύστημα μετατροπής ισχύος αποτελείται από μια βαθμίδα αμφίπλευρου dc-dc μετατροπέα ανύψωσης-υποβιβασμού με συζευγμένα πηνία και από μια υψηλής συχνότητας βαθμίδα dc-ac-ac αμφίπλευρης ροής ισχύος, η οποία περιλαμβάνει έναν ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών αντιστροφέα και έναν ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών κυκλομετατροπέα. Η τοπολογία αυτή συγκρινόμενη με τα ήδη υφιστάμενα αμφίπλευρα συστήματα μετατροπής ισχύος παρουσιάζει τα παρακάτω πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα : Πλεονεκτήματα : 1) Χρησιμοποιείται συστοιχία συσσωρευτών χαμηλής DC τάσης (έως 96 Volts), με αποτέλεσμα να μην απαιτείται σύστημα διαχείρισης και ισοδυναμικού των στοιχείων. 2) Απορροφάται μικρότερη κυμάτωση ρεύματος από την κυψέλη καυσίμου, σε χαμηλότερη διακοπτική συχνότητα, με αποτέλεσμα να απαιτείται μικρότερο φίλτρο στην είσοδο της κυψέλης καυσίμου. Επίσης λόγω της μικρότερης διακοπτικής συχνότητας είναι λιγότερο ευάλωτο στην εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής παρενόχλησης (Electromagnetic Interference - EMI) 3) Λόγω της εφαρμογής του αντιστροφέα υψηλής συχνότητας, ο μετασχηματιστής ισχύος έχει μεγάλη πυκνότητα ισχύος (kW/cm3), μειώνοντας έτσι τον όγκο και το βάρος του. 4) Λόγω της αμφίδρομης λειτουργίας του, το προτεινόμενο κύκλωμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εγκαταστάσεις παραγωγής και αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας. Η τοπολογία αναλύεται διεξοδικά, δίνονται οι απαιτούμενες εξισώσεις σχεδίασης και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα προσομοίωσης στο Spice, καθώς και τα πειραματικά αποτελέσματα. Από την ανάλυση της προτεινόμενης τοπολογίας γίνονται εμφανή τα πλεονεκτήματα που προσφέρει σε σύγκριση με τις έως τώρα υφιστάμενες τοπολογίες για εφαρμογές σε συστήματα παραγωγής και αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας, που χρησιμοποιούν κυψέλες καυσίμου αναστρέψιμης λειτουργίας.