Ολοκληρωμένο σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας για εξηλεκτρισμένα μέσα μεταφοράς

Abstract

The electrification of the public transportation sector can be rapidly accelerated thanks to the recent advancements regarding onboard electrical energy production and distribution systems (i.e., the vehicles’ electrical microgrids), which incorporate improved features and capabilities; these microgrids are increasingly similar to those of the corresponding terrestrial electrical power systems (in terms of the structure and the units that they include). Under this light, the modern electrified transport means have to incorporate various energy saving methods, storage units and appropriate energy management systems/control schemes to ensure high performance and reliability.The issue addressed by the present PhD thesis is the optimal design of power electronic devices and the development of appropriate structures/circuitries for the production/recovery and management of the electrical energy in the electrified public transport means. Specifically, the study focuses on the integration of performance-enhanced topologies utilizing flexible energy storage units with fast dynamic response capability, which are connected to the vehicle’s microgrid via innovative power electronics and improved control schemes. These units are able to provide ancillary services, such as supporting the vehicle's microgrid in case of faults (i.e., providing fault ride through capability, FRTC) and/or serving the system's electrical energy needs during transient operating states, compensating for power peaks and voltage sags that may occur in the vehicle's microgrid ensuring so the safe and efficient operation of the electrified public transport means.In this context, the current technological level regarding energy-saving schemes in ground-based all electric transport means was initially investigated. As regards the ground public transport means, the study focused on the energy recovery/saving potential of the Athens-Piraeus trolleybuses, via making use of the energy that is produced by the vehicle's electric propulsion system during deceleration or downslope movement. In light of this, an improved scheme (without the use of position/speed sensors) concerning the application of regenerative braking on the three-phase asynchronous (induction) electric machines that is used by the Athens-Piraeus trolleybuses was studied (via the developed simulation models) and proposed to be incorporated in the trolleybuses’ drive unit. Although a significant margin of electrical energy savings was found during the operation of the trolleybus (up to 24% of the total daily energy consumption), the electrical supply network of the specific vehicles does not support energy recovery (due to the installed electrical equipment that forces the unidirectional energy flow, from the overhead supply network to the trolley). For this reason, the integration of a hybrid bidirectional energy flow system was proposed, which is capable of storing and recharging the recovered energy; the key feature of the proposed system is the flexibility of integrating electrical equipment (supercapacitors and batteries’ units, with suitable operating characteristics – e.g., capacity, discharge time) that supports the development of advanced control strategies for the optimal energy management in the vehicles under study.The basic study of the present PhD thesis concerns the issue of the optimal design of the energy production systems in the modern microgrids of the more electric aircrafts (MEAs). In this context, a literature review of both the conventional and the advanced state-of-the-art systems regarding the production of electrical energy in MEAs was carried out, with the aim of highlighting the optimal topologies; in more detail, the study focused on the electrical generator units that are currently proposed and/or used along with the power electronics-based machines’ drives and emphasized the advanced power generation schemes that are proposed for the MEA's high voltage dc microgrids (± 270 V, 540 V), including the switched reluctance machine (SRM); the latter is one of the predominant electrical machines candidates to be incorporated in the high-power systems of MEAs, and especially for the starter/generator (S/G) function. In light of this, the present PhD thesis focused on the current state of the art SRM topologies and control schemes for power generation in MEA microgrids, highlighting the capabilities and perspectives of these systems. The thorough literature research and in-depth study of the SRM drives’ special characteristics/potential led to the invention/development of an integrated prototype of a dynamic power generation system in the MEA high voltage dc microgrid (± 270 V, 540 V), which includes the system of the electrical machine (i.e., the SRM) and its control unit (power electronic converter topology). The special feature of the proposed control scheme lies in the integration of an active series filter (SAF) in the SRM’s drive unit, in order to directly regulate the generated power of the machine. The study is based on the mathematical modeling of the proposed system as well as on simulations with an appropriate software package (MATLAB/Simulink). The advantages of the proposed SRM’s generated power control method over the existing/representative control schemes that can be found in the relative (international) literature (regarding high power and high speed applications of the electric power generation systems in the MEAs), lies in the enhanced operation of the drive under continuous variable/multiple operating points, inherent fault ride through capability (FRTC), low control complexity and high reliability of the electrical equipment of the proposed topology.The next step of the study was the development of an integrated SRM S/G drive system (using the proposed active series filter), which constitutes a critical application of MEA power generation systems. In this context, a novel control algorithm is properly designed and proposed to drive the electrical machine initially as a motor (to start the main internal combustion engine of the aircraft) and then as a generator (to generate power to the MEAs dc microgrid). At the same time, a suitable energy storage unit was proposed to be integrated in the SRM’s topology, in order to achieve both the reliable start-up of the machine and the optimal exploitation of the generated power, under different operating conditions, according to the specifications of the modern MEA microgrids. The proposed control scheme facilitates both the two distinct modes of the electrical machine (i.e., motor and generator), as well as the smooth transition from one mode to the other (from motor to generator and vice versa). The latter feature is of paramount importance for the operation of the aircraft, as it enables the main internal combustion engine (i.e., the gas turbine) to be restarted in flight (e.g., in the case of an on-flight failure). Moreover, the proposed energy storage unit provides an additional degree of freedom regarding the design of the parameters of the SRM’s drive unit.It is worth noting that the developed mathematical models are confirmed through control tests using a real-time digital simulator (RTDS) and an external digital signal processor (DSP) microcontroller. Specifically, the power stage of the drive unit (i.e., the SRM and the power electronic converters) are simulated on the real-time digital simulator platform (MicroLabBox 1202, dSPACE) while the control stage (i.e., the developed algorithm/control scheme) is implemented on the external microcontroller (dsPIC30F4011, Microchip). The communication between the two systems is achieved through analog and digital signals. This method (control hardware-in-the-loop, CHIL) was implemented by making use of the existing equipment of the Electrical Machines Laboratory of the Department of Electrical and Computer Engineering of the Democritus University of Thrace. The results of the simulations in the MATLAB/Simulink environment as well as the real-time tests confirmed that the proposed method of the direct control/management of the SRM’s generated power can enhance the performance and reduce the computational load, contributing so to the high reliability of the SRM’s drive unit and thus to the wide adoption of the specific electric machine as a S/G in MEAs.In addition, within the framework of this PhD thesis, a converter topology which facilitates the interconnection of energy production/storage units in a dc bus and/or the interconnection of dc buses of different voltage levels (application in dc microgrids) under a high voltage conversion ratio, was also developed. The proposed topology consists of a switched capacitor-type dc/dc multilevel converter (without an isolation transformer) combined with a bidirectional step-up/down converter (connected to the input of the multilevel converter). The main advantage of the developed topology is its enhanced FRTC, thanks to the series connection of the dc/dc converter with the microgrid in which it is integrated (preserving this advantageous feature of the topology that has been developed for the SRM’s drive unit); the latter is an important requirement in modern microgrids of the electrified transport means (especially as regards the critical loads of the vehicle). The theoretical analysis of the topology was confirmed through simulations and real-time testing (CHIL).

H επιτάχυνση της προόδου στον τομέα των εξηλεκτρισμένων μέσων μαζικής μεταφοράς (ΕΜΜΜ), βασίζεται κυρίως στην ανάπτυξη συστημάτων παραγωγής και διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας του οχήματος (ηλεκτρικό μικροδίκτυο του οχήματος), με βελτιωμένα χαρακτηριστικά και δυνατότητες, που μοιάζουν όλο και πιο πολύ με τα αντίστοιχα των επίγειων συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας (από την άποψη της δομής και των μονάδων που περιλαμβάνουν). Τόσο στα ήδη υπάρχοντα ΕΜΜΜ, όσο και σε αυτά που κατασκευάζονται, πρέπει να ενσωματώνονται όσο το δυνατόν περισσότερες μέθοδοι εξοικονόμησης, μονάδες αποθήκευσης ενέργειας και κατάλληλα συστήματα διαχείρισης της ενέργειας, που αποτελούν προϋπόθεση για την υψηλή αξιοπιστία και απόδοσή τους.Το ζήτημα το οποίο πραγματεύεται η παρούσα διδακτορική διατριβή είναι ο βέλτιστος σχεδιασμός ηλεκτρονικών διατάξεων ισχύος και η ανάπτυξη κατάλληλων μικροδικτυακών δομών για την παραγωγή/ανάκτηση και διαχείριση της ηλεκτρικής ενέργειας στα ΕΜΜΜ. Συγκεκριμένα, η μελέτη εστιάζεται στην ενσωμάτωση τοπολογιών με βελτιωμένη αποδοτικότητα, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στην αξιοποίηση και ενσωμάτωση διεσπαρμένων μονάδων αποθήκευσης ενέργειας, οι οποίες συνδέονται στο μικροδίκτυο του οχήματος με καινοτόμες διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος και βελτιωμένα σχήματα ελέγχου. Οι μονάδες αυτές είναι ικανές να παρέχουν επικουρικές υπηρεσίες, όπως η υποστήριξη του μικροδικτύου του οχήματος σε περιπτώσεις σφαλμάτων ή/και η εξυπηρέτηση των αναγκών του συστήματος σε ηλεκτρική ενέργεια κατά τις μεταβατικές καταστάσεις λειτουργίας (αντισταθμίζοντας τις αιχμές ισχύος και τις βυθίσεις τάσης που μπορούν να εμφανιστούν), διασφαλίζοντας έτσι την αξιοπιστία του μικροδικτύου και την ποιότητα της ηλεκτρικής ισχύος στα ΕΜΜΜ.Σε αυτό το πλαίσιο, αρχικά διερευνήθηκε η τρέχουσα τεχνολογική στάθμη που αφορά σε σχήματα εξοικονόμησης ενέργειας στα επίγεια πλήρως ΕΜΜΜ, καθώς και το υφιστάμενο επίπεδο εξηλεκτρισμού (υπό το πρίσμα της παραγωγής και της αξιοποίησης αποκλειστικά ηλεκτρικής ενέργειας τόσο για την πρόωση όσο και για τις υπόλοιπες λειτουργίες ενός οχήματος) των εναέριων και πλωτών μέσων μαζικής μεταφοράς (ΜΜΜ).Όσον αφορά τα επίγεια ΜΜΜ, η μελέτη εστιάστηκε στην περίπτωση των ηλεκτροκίνητων λεωφορείων σταθερής τροχιάς (τρόλεϋ) και συγκεκριμένα στον στόλο Αθηνών-Πειραιώς, όπου (αξιοποιώντας τα διαθέσιμα δεδομένα από την ιδιοκτήτρια εταιρεία Ο.Σ.Υ. Α.Ε.) διερευνήθηκε η δυνατότητα εφαρμογής ενός σχήματος δυναμικής ανάκτησης της κινητικής ενέργειας κατά την επιβράδυνση ή την κίνηση του οχήματος σε κατωφέρειες (αναγεννητική πέδηση). Παρότι διαπιστώθηκε σημαντικό περιθώριο εξοικονόμησης ηλεκτρικής ενέργειας κατά τη λειτουργία του τρόλεϋ (έως και 24% στις συνολικής ημερησίας καταναλισκόμενης ενέργειας), το ηλεκτρικό δίκτυο τροφοδοσίας των εν λόγω οχημάτων δεν υποστηρίζει την ανάκτηση ενέργειας (λόγω του εγκατεστημένου ηλεκτρικού εξοπλισμού που επιβάλλει τη μονοκατευθυντήρια ροή της ενέργειας από το εναέριο δίκτυο στο τρόλεϋ). Για τον λόγο αυτόν, μελετήθηκε ένα βελτιωμένο σχήμα (χωρίς τη χρήση αισθητηρίων θέσης/ταχύτητας) που αφορά στην εφαρμογή αναγεννητικής πέδησης στις τριφασικές ασύγχρονες (επαγωγικές) ηλεκτρικές μηχανές που χρησιμοποιούν τα τρόλεϋ Αθηνών-Πειραιώς και προτάθηκε η ενσωμάτωση (επί του οχήματος) ενός υβριδικού συστήματος αμφίδρομης ροής ενέργειας, με δυνατότητα αποθήκευσης και επανατροφοδότησης της ενέργειας που ανακτάται. Βασικό χαρακτηριστικό του προτεινόμενου συστήματος αποτελεί η δυνατότητα ενσωμάτωσης ηλεκτρολογικού εξοπλισμού (μονάδες υπερπυκνωτών και συσσωρευτών, με κατάλληλα χαρακτηριστικά λειτουργίας – π.χ., χωρητικότητα, χρόνος εκφόρτισης) που υποστηρίζει την ανάπτυξη κατάλληλων στρατηγικών ελέγχου για τη βέλτιστη ενεργειακή διαχείριση στα εν λόγω οχήματα.Το σημαντικότερο τμήμα της παρούσας διατριβής αποτελεί το ζήτημα του βέλτιστου σχεδιασμού των συστημάτων παραγωγής ενέργειας στα σύγχρονα μικροδίκτυα των εξηλεκτρισμένων αεροσκαφών νέου τύπου (MEA). Στο πλαίσιο αυτό, πραγματοποιήθηκε – αρχικά – η βιβλιογραφική ανασκόπηση τόσο των συμβατικών, όσο και των προηγμένων συστημάτων που προτείνονται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στα ΜΕΑ, από τη σκοπιά των ηλεκτρικών γεννητριών που χρησιμοποιούνται και των ηλεκτρονικών διατάξεων ισχύος που τις οδηγούν, με σκοπό την ανάδειξη των βέλτιστων τοπολογιών. Η μελέτη επικεντρώθηκε στα προηγμένα σχήματα παραγωγής ενέργειας στο μικροδίκτυο υψηλής ΣΤ ( 270 V, 540 V) του MEA, που περιλαμβάνουν τη μηχανή μαγνητικής αντίστασης διακοπτικής διέγερσης (SRM)˙ η τελευταία αποτελεί μία από τις επικρατέστερες ηλεκτρικές μηχανές που προτείνονται για τα συστήματα υψηλής ισχύος των MEA, και ιδιαίτερα για την εφαρμογή του εκκινητή/γεννήτριας (starter/generator, S/G). Στο πλαίσιο αυτό, η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώθηκε στην τρέχουσα τεχνολογική στάθμη που αφορά στις τοπολογίες και τα σχήματα ελέγχου της SRM για την παραγωγή ενέργειας στα μικροδίκτυα ΣΤ των MEA, αναδεικνύοντας τις δυνατότητες και τις προοπτικές των εν λόγω διατάξεων. Η έρευνα που διεξήχθη στο εν λόγω πεδίο οδήγησε στην επινόηση/ανάπτυξη μίας ολοκληρωμένης πρωτότυπης διάταξης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στο μικροδίκτυο υψηλής ΣΤ ( 270 V, 540 V) του MEA, που περιλαμβάνει το σύστημα της ηλεκτρικής μηχανής (συγκεκριμένα της SRM) και της μονάδας οδήγησής της (βαθμίδα ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος). Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό αυτού του σχήματος είναι η ενσωμάτωση ενός ενεργού φίλτρου σειράς ως βαθμίδα οδήγησης της SRM, με σκοπό τον άμεσο έλεγχο της ενέργειας που παράγει. Η μελέτη στηρίζεται στη μαθηματική μοντελοποίηση του προτεινόμενου συστήματος, καθώς και σε προσομοιώσεις με κατάλληλο λογισμικό πακέτο (MATLAB/Simulink). Τα πλεονεκτήματα του προτεινόμενου σχήματος οδήγησης SRM έναντι των υφιστάμενων (αντιπροσωπευτικών) σχημάτων που απαντώνται στη διεθνή βιβλιογραφία, όσον αφορά τις εφαρμογές υψηλής ισχύος και ταχύτητας περιστροφής των συστημάτων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στα εξηλεκτρισμένα αεροσκάφη, εντοπίζονται στην αποδοτική λειτουργία σε διαρκώς μεταβαλλόμενα/πολλαπλά σημεία λειτουργίας, στην εγγενή ικανότητα αδιάλειπτης λειτουργίας υπό παροδικά σφάλματα (FRTC), στη χαμηλή πολυπλοκότητα του ελέγχου και στην υψηλή αξιοπιστία του ηλεκτρικού εξοπλισμού της προτεινόμενης τοπολογίας.Το επόμενο βήμα της μελέτης αποτέλεσε η ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου συστήματος οδήγησης της SRM ως εκκινητής/γεννήτρια (starter/generator, S/G), με την αξιοποίηση του προτεινόμενου ενεργού φίλτρου σειράς, που αποτελεί μία κρίσιμη εφαρμογή των συστημάτων παραγωγής ενέργειας των MEA. Στο πλαίσιο αυτό, σχεδιάστηκε κατάλληλα και προτάθηκε ο αλγόριθμος ελέγχου της μηχανής αρχικά ως κινητήρας (για την εκκίνηση της κύριας μηχανής εσωτερικής καύσης του αεροσκάφους) και στη συνέχεια ως γεννήτρια (για την παραγωγή ενέργειας). Παράλληλα, προτάθηκε η ενσωμάτωση κατάλληλης μονάδας αποθήκευσης ενέργειας στην τοπολογία της SRM, προκειμένου να επιτυγχάνεται η αξιόπιστη εκκίνηση της μηχανής αλλά και η βέλτιστη αξιοποίηση της παραγόμενης ισχύος, υπό διάφορες συνθήκες λειτουργίας, σύμφωνα με τις προδιαγραφές των σύγχρονων μικροδικτύων των MEA. Το προτεινόμενο σχήμα ελέγχου εξυπηρετεί τόσο τις δύο διακριτές λειτουργίες της μηχανής (κινητήρας και γεννήτρια), όσο και την ομαλή μετάβαση από τη μία λειτουργία στην άλλη (από κινητήρας σε γεννήτρια και το αντίστροφο). Το τελευταίο χαρακτηριστικό είναι βαρύνουσας σημασίας για τη λειτουργία των αεροσκαφών, καθώς προσδίδει τη δυνατότητα επανεκκίνησης της κύριας μηχανής πρόωσης (αεριοστρόβιλος) εν ώρα πτήσης (για παράδειγμα σε περίπτωση παροδικού σφάλματος). Επιπρόσθετα, η προτεινόμενη μονάδα αποθήκευσης ενέργειας προσδίδει επιπλέον βαθμούς ελευθερίας στη σχεδίαση των παραμέτρων της μονάδας οδήγησης της SRM.Αξίζει να σημειωθεί ότι τα αναπτυχθέντα μοντέλα που προτείνονται επιβεβαιώνονται και μέσω δοκιμών του ελέγχου με τη χρήση ψηφιακού προσομοιωτή πραγματικού χρόνου και εξωτερικού μικροελεγκτή. Συγκεκριμένα, ο σχεδιασμός του αλγορίθμου ελέγχου υλοποιείται στον εξωτερικό μικροελεγκτή (dsPIC30F4011, Microchip) ενώ η ηλεκτρονική διάταξη ισχύος προσομοιώνονται στην πλατφόρμα του ψηφιακού προσομοιωτή πραγματικού χρόνου (MicroLabBox 1202, dSPACE). Η επικοινωνία μεταξύ των δύο συστημάτων επιτυγχάνεται μέσω αναλογικών και ψηφιακών σημάτων. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων σε περιβάλλον MATLAB/Simulink καθώς και οι δοκιμές σε πραγματικό χρόνο, επιβεβαίωσαν ότι η προτεινόμενη μέθοδος άμεσου ελέγχου/διαχείρισης της παραγόμενης ενέργειας από την SRM μπορεί να αυξήσει την αξιοπιστία και να μειώσει το υπολογιστικό φορτίο, συμβάλλοντας στην υψηλή αξιοπιστία της μηχανής ως S/G στα εξηλεκτρισμένα αεροσκάφη.Επιπρόσθετα, στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αναπτύχθηκε κατάλληλη τοπολογία μετατροπέα, η οποία εξυπηρετεί τη διασύνδεση μονάδων παραγωγής/αποθήκευσης ενέργειας σε ζυγό ΣΤ ή/και τη διασύνδεση ζυγών ΣΤ διαφορετικού επιπέδου τάσης (εφαρμογή σε μικροδίκτυα ΣΤ), υπό υψηλό λόγο μετατροπής τάσης. Η τοπολογία αποτελείται από έναν πολυεπίπεδο μετατροπέα ΣΤ/ΣΤ – χωρίς μετασχηματιστή (Μ/Σ) απομόνωσης – τύπου μεταβλητής τοπολογίας πυκνωτών (switched capacitor-type), σε συνδυασμό με έναν μετατροπέα ανύψωσης τάσης (συνδέεται στην είσοδο του πολυεπίπεδου μετατροπέα). Το βασικό πλεονέκτημα της εν λόγω τοπολογίας είναι ότι έχει αυξημένη δυνατότητα αδιάλειπτης λειτουργίας υπό παροδικά σφάλματα, χάρις στην εν σειρά σύνδεση του μετατροπέα ΣΤ/ΣΤ με το μικροδίκτυο στο οποίο ενσωματώνεται˙ έτσι, εξασφαλίζεται η ικανότητα παροχής ενέργειας, ιδίως σε κρίσιμα φορτία του συστήματος, το οποίο αποτελεί σημαντική απαίτηση στα σύγχρονα μικροδίκτυα των ΕΜΜΜ. Η θεωρητική ανάλυση της τοπολογίας επιβεβαιώθηκε μέσω προσομοιώσεων και μέσω δοκιμών σε πραγματικό χρόνο (CHIL).