RESTRICTIONATNicu BIZON Mihai OPROESCUCONVERTOARE DE PUTERE UTILIZATE IN SISTEMELE DE GENERARE A ENERGIEIPITETI 2007RESTRICTIONATDr. Ing. Nicu BIZON este profesor la Catedra de Electronic i Calculatoare a Facultii de Electronic, Telecomunicaii i CalculatoaredinUniversitateadinPiteti.Estetitularul disciplinelordinsferaElectroniciidePutere,Electronicii Medicale,precumsiacursuluiStructuraHardwareaCalculatoruluiPersonalsiEchipamentePeriferice. Activitateasadecercetareesteorientatnprincipalspre domeniuloptimizriidinpunctdevedereenergetica echipamentelorelectroniceindustrialeicontrolulinteligent al acestora, prelucrarea semnalelor etc.Drd.Ing. MihaiOPROESCU estepreparatorlaCatedra deElectronici Calculatoare a FacultiideElectronic,TelecomunicaiiiCalculatoaredinUniversitateadinPiteti. EstetitularuldisciplinelordinsferaElectroniciidePutere,ElectroniciiMedicale, precumsiacursuluiStructuraHardwareaCalculatoruluiPersonalsiEchipamente Periferice.Activitateasadecercetareesteorientatnprincipalspredomeniul optimizriidinpunctdevedereenergeticaechipamentelorelectroniceindustrialei controlul inteligent al acestora, prelucrarea semnalelor etc.Tehnologiahidrogenului afostdezvoltatdeNASApentruprogramulApollo. Graieeficieneienergeticeridicate ilipseideemisiipoluante,pileledecombustie sunt acum privite ca o surs ideal pentru energia viitorului. Pilele tip PEMFC (cu electrolitdepolimer) sealimenteazcuhidrogen iaer,genernd energie curat iapacaprodussecundar.Tehnologiahidrogenuluiaajunsaproapedefazade comercializaresiinaplicaiilemobile(incluzndtransportulauto).Tendinaeste clar,deoarecepileledecombustieaurandament dublu fademotoarele actuale, iaremisiilesuntpracticvaporideapa. Oricumctevaproblemermnnstudiu, cumarficretereaeficieneienergeticeasistemuluiievidentceaastocrii hidrogenuluiiaconstruciei uneiinfrastructuriidealimentarecucombustibil.n consecin,unuldinobiectivelespecificealeimplementriialgoritmilordecontrol este acela de asigurarea a integritii i eficienei n funcionare a PEMFC.Cartea CONVERTOAREDEPUTEREUTILIZATEINSISTEMELEDE GENERAREAENERGIEIafostpublicatacusprijinul financiaralgrantuluide cercetareMEC-CNCSISnr.570/2006-2008,cuprinzndrezultatelecercetrilor obinute n cadrul acestui grant. RESTRICTIONATCUPRINS1. SISTEME PENTRU GENERAREA ENERGIEI (EGS)................................... I- 11.1. PILELE DE COMBUSTIE - TEHNOLOGIA HIDROGENULUI........... I- 11.2. TEHNOLOGII PENTRU STOCAREAENERGIEI. I- 21.3. TOPOLOGII DE CONVERTOARE DE PUTERE.................................... I- 41.4. Referinte bibliografice................................................................................. I- 52. CONVERTOARE C.C.C.C................................................................................ II.- 12.1. CONVERTOARE CU RAPORT COBORTOR........................................ II.- 22.2. CONVERTOARE CU RAPORT RIDICTOR.......................................... II.- 92.3. CONVERTOARE DE RAPORT OARECARE........................................... II-142.3.1. Convertoare de tip buck-boost....................................................... II-142.3.2. Convertoare de tip CUK................................................................. II-202.4. CONVERTOR N COMUTAIE CU REVENIRE.................................... II-212.5. CONVERTOR N COMUTAIE DE TIP DIRECT.................................. II-252.6. CONVERTOARE N CONTRATIMP II-302.7. CONVERTOARE IN SEMIPUNTE ............................................................ II-342.8. CONVERTOARE IN PUNTE II-352.9. CONVERTOARE CVASIREZONANTE................................................... II-382.9.1 Comutatoare comandate cvasirezonante........................................ II-382.9.2. Buck cu comutare la tensiune zero................................................. II-412.9.3. Buck cu comutare la curent zero.................................................... II-492.10. Referinte bibliografice............................................................................... II-563. INVERTOARE CU SARCIN DE BAND LARG....................................... III- 13.1. INVERTOARE MONOFAZATE CU SARCIN DE BAND LARG... III- 53.2. INVERTOARE TRIFAZATE CU SARCIN DE BAND LARG......... III-103.3. EFECTUL COMUTAIEI DISPOZITIVELOR....................................... III-153.4. Referinte bibliografice................................................................................. III-164. STRUCTURI DE CONVERTOARE MONOFAZATE UNI-ETAJ................. IV- 14.1. INVERTOARE CU UN SINGUR ETAJ DE CONVERSIE...................... IV- 34.2. MODELAREA SI SIMULAREA UNUI SISTEM EGS............................. IV- 94.3. CONCLUZII................................................................................................. IV-174.4. Referinte bibliografice................................................................................. IV-175. TOPOLOGII DE INVERTOARE MONOFAZATE MULTI-ETAJ............... V- 15.1. INVERTOARE DE TIP MULTI-ETAJ...................................................... V- 15.1.1. Topologii c.c.-c.c.-c.a. ...................................................................... V- 15.1.2. Topologii c.c.-c.a.-c.c.-c.a. ............................................................... V- 55.1.3. Topologiile c.c.-c.a.-c.a. ................................................................... V- 65.2. MODELAREA SI SIMULAREA UNEI TOPOLOGII EGS...................... V-105.2.1. Convertorul cc-cc de interfata PEMFC-ESD................................ V-105.2.2. Convertorul cc-cc ridicator cu izolare electrica............................ V-135.2.3. Convertorul cc-ca ............................................................................ V-155.3. EFICIENTA ENERGETICA A SISTEMULUI EGS................................ V-175.4. CONCLUZII................................................................................................. V-205.5. Referinte bibliografice................................................................................. V-216. PROIECTAREA UNUI SISTEM DE GENERARE A ENERGIEI.. VI- 16.1. PROIECTUL TEHNIC VI- 46.2. PROIECTARE ELECTRICA.. VI- 66.3.MODELAREASISTEMULUIPENTRUGENERAREAENERGIEI (EGS) ALIMENTAT DE LA PILE DE COMBUSTIE............................. VI-156.4. STABILITATEA SISTEMULUI EGS........................................................ VI-236.5. CONCLUZII FINALE................................................................................. VI-356.5. Referinte bibliografice................................................................................. VI-36RESTRICTIONATSISTEME PENTRU GENERAREA ENERGIEII-11. SISTEME PENTRU GENERAREA ENERGIEIFigura 1.1prezintschemablocaunui sistem tipicde generare aenergiei (EGS). Sursadeenergiepoatefifoartediversa:soarele(panourifotovoltaice),vntul, valurile, pilele de combustie etc.Figura 1.1. Sistem tipic de generare a energiei 1.1. PILELE DE COMBUSTIE - TEHNOLOGIA HIDROGENULUIAceastatehnologieafostdezvoltatadeNASApentruprogramulApollo.Gratie eficienteienergeticeridicatesilipseideemisiipoluante,pileledecombustiesunt aziprivitecaosursaidealapentruenergiaviitorului[1,2].Inprezentsuntcinci tipuridepiledecombustie,diferentiatedupatemperaturadefunctionare:AFC (alcaline); PEMFC (cu electrolit de polimer); PAFC (cu acid fosforic); MCFC (cu folie de carbonat) si SOFC (cu oxid solid). Sunt multe semnale ca acest sistem va revolutionapiatadeenergie.Infigura1.2seprezintaaplicatiilecomerciale utilizanddatedepesite-ulNationalRenewableEnergyLaboratory.PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) reprezinta o solutie foarte atractiva pentru transport, aplicatii portabile, dar si pentru sisteme de generare distribuita a energiei, datorita densitatii de energie ridicate si temperaturii scazute de functionare. Figura 1.2. Domeniul se aplicatii pentru diferite tipuri de pile de combustiePEMFC se alimenteaza cu hidrogen si aer, generand energie curata si apa ca produs secundar. Tehnologia hidrogenului a ajuns aproape de faza de comercializare si in RESTRICTIONATSISTEME PENTRU GENERAREA ENERGIEII-2aplicatiilemobile(transportauto).Tendintaesteclara,deoarecepilelede combustieaurandamentdublufatademotoareleactuale,iaremisiilesuntpractic vaporideapa.Oricumcatevaproblemeramaninstudiu,inclusivceaastocarii hidrogenului. O problema in sistemele de generare distribuita a energiei va fi cea a construirii infrastructurii de alimentare cu combustibil. Pretul actual al unei pile de combustieestedecirca40$/kW.Pentruaficompetitivintransporttrebuiesa scadasub15$/kW.Unadinproblemelecetrebuietratatecuatentiesereferala pericolul de explozie lautilizarea PEMFC. Acest aspecteste discutat indetaliu in literatura [4, de exemplu] si concluzia este urmatoarea: atata timp cat recipientul cu hidrogenestebineseparatdesistemuladiacentsiconductele,electrovalveleetc. sunt bine ventilate nu exista pericol de explozie. De asemenea, se stie ca durata de viata a PEMFC este dependenta de nivelul riplului de curent de joasa frecventa (de exempluceldelafrecventareteleisaudefrecventa maijoasa);ocresterepeste o anumitalimitapoatefichiardistructiva.PEMFCpoatetoleraunripludeinalta frecventa.Serecomanda unnivelmaxim deriplu(normatlavaloareanominala a curentului de sarcina) pe benzi de frecventa astfel: Riplude100Hz(respectiv120Hz):95%Gabarit normat (m3/KW)0.25 0.25 0.30 0.90Eficienta electrica depinde de temperature de lucru, valoarea LHV (Lower Heating Value) din tabel fiind data la valori scazute ale temperaturii de lucru.In mod normal aceste sisteme au nevoie de un un convertor c.c.-c.c. si un invertor (convertor c.c.-c.a.) ca interfata dintre sarcina si sursa de energie . (Figura 4.1).Figura 4.1. Sistem de generare a energieiFunctiile invertoarelor EGS utilizate in DPG pot fi rezumate astfel:- Realizeaza conversia de putere dintr-o tensiune continua fluctuanta intr-o tensiune alternative fixa pentru aplicatii stationare individuale (stand alone) sauconectatelaretea(gridconnected),candparametriienergieidec.a. (amplitudinedetensiune,frecventaetc)trebuiesaurmareascapeceidinretea. Tensiunea continua de intrare, variabila intr-o anumita gama, poate fi mai mare sau mai mica decat tensiunea alternativa (efectiva sau de varf) ;- Asiguracalitateaenergiei debitateinsarcina-puteriideiesirecu armonici reduse (THD) si cu mici variatii ale tensiunii si frecventei ;- ProtejeazaEGSdinDPG,sursadeenergiesiconvertorulasociat pentruregimuridelucrutranzitoriisauanormalealodinamicalargaasarcinii, Sursa de energiePila combustieEolianaFotovoltaicaConvertorc.c.-c.c.Dispozitiv de stocare a energieInvertor Sarcina RESTRICTIONATSTRUCTURI DE CONVERTOARE MONOFAZATE UNI-ETAJIV-3limitandlavaloriacceptatevaloriletensiuniisicurentului,atemperaturiisi frecventei de lucru, avand functii aditionale cum ar fi izolatia electrica dintre sursa sisarcina,incazulincareacestlucruseimpune,respectivafunctionariicorecte cand reteua locala nu este prezenta (la EGS conectate la retea).- ControleazasistemeleDPGasigurandindeplinireaunorobiective cumarfi:extragereadeputeremaximadelasurseledeenergie,conversie energetica eficienta si controlul optimal al fluxurilor de putere.Dinpunctuldevederealmoduluideizolarealiesiriifatadeintrare, invertoarele se pot clasifica in invertoare izolate si invertoare neizolate. Atata timp catizolatiaelectricaestenormala,cumarfitransformatoaredeseparare,putem alegeintreafolositransformatoaredefrecventajoasasautransformatoarede frecventainalta(figura4.2,respectivfigura4.3).Comparandvaloareatensiunii continuadeintrarecuvaloareatensiuniialternativedelaiesireainvertoarelor, acesteapotfi:invertoarebuck(coboratoare),invertoareboost(ridicatoare)sau invertoare buck boost (de raport oarecare). In mod traditional, pentru aplicatiile de putere mare se utilizeaza invertoare buck de tip punte, care folosesc transformatoare de retea (voluminoase si grele).Incontinuarevorfiprezentatecelemairecentetipurideinvertoarede putereraportateinliteraturadespecialitate;inacestcapitoltopologiilede invertoarecarerealizeazacuunsinguretajconversiaenergetica(single-stage), respectiv in capitolul urmator topologiile de invertoare in care conversia energiei se realizeaza in mai multe etaje (multi-stage).Dinpunctuldevederealnumaruluidecomutatoaredeputerefolosite, invertoarele monofazate pot fi clasificate astfel:- topologie cu 4 comutatoare;- topologie cu 6 comutatoare.4.1. INVERTOARE CU UN SINGUR ETAJ DE CONVERSIEInvertoruldinfigura4.2esteuncircuitsimplu,cuputinecomponente, avand deci un cost mic, dar asigurand si o eficienta energetica ridicata [1]. Analiza facutaprinsimularesiexperimentprobeazarobustetesieficientaunuiastfelde sistemdeconversie.Oricum,inaceastaschema,transformatorulsprereteauade iesireceremultvolumsigreutateinraportcuparteadeforta,siseimpune inlocuirea lui cu transformatoare de inalta frecventa [2].Daca dorim structuri un numarminim de componete electronice de putere si totodata sa crestem tensiunea la iesirea invertorului, sunt recomandate invertoare de tip boost sau buck-boost propuse in literatura de specialitate [3-8], care combina functiaderidicareaniveluluidetensiunesideconversiec.c.-c.a.intr-unsingur etaj.Bazate peprincipiile dejacunoscutealeconvertoarelorc.c.-c.c.tipboost sau buck-boost[9],acesteinvertoarefolosescbobinedec.c.pentrustocareaenergiei sau transformatoare flyback pentru stocarea energiei si realizarea izolarii galvanice. RESTRICTIONATSTRUCTURI DE CONVERTOARE MONOFAZATE UNI-ETAJIV-4Q2Q4C2Q1Q3C1L11 21 23 4V1Figura 4.2. Invertor de tip buck cu transformator de retea la iesire1 23 4Q11 23 4D4Q3C4D3L11 2Q2L31 2C2Q4D1Q1Q2L21 2V1C1Q4Q3D2C3Figura 4.3. Invertor multi-etaj cu transformator de inalta frecventa la iesireTopologii cu patru comutatoareIn figura 4.4 este prezentat un invertor boost neizolat propus de Cceres si Barbi [10], in care intrarea de curent continuu, formata din doua convertoare boost cc-cc identice , este conectata in paralel pe sursa de curent continuu, iar sarcina este conectata serie intre cele doua iesiri ale convertoarelor. Forma tensiunii pe sarcina este aproape perfect sinusoidala.RESTRICTIONATSTRUCTURI DE CONVERTOARE MONOFAZATE UNI-ETAJIV-5L11 2 C2L21 2LOADT2 T3VsCsT1C1T4Figura 4.4. Invertor boost cu patru comutatoare (Cceres si Barbi [10])Un invertor buck-boost cu o structura similara este propus de Vasquez [11] (figura 4.5). El leaga doua convertoare c.c.-c.c.buck-boost in acelasi mod ca si la invertorul boost din figura 4.4, dar aici se genereaza o tensiune de iesire alternativa cu amplitudinea mai mare sau mai mica decat tensiunea continua de la intrare.T2T4L11 2LOADCsL21 2C1 C2T3VsT1Figura 4.5. Invertor buck-boost cu patru comutatoare (Vasquez [11])Un alt tip de invertor buck-boost (propus de Kasa [12]) este aratat in figura 4.6.Elpoateoperacuogamalargadetensinideintrare,darnecesitaosursade tensiunecontinuediferentialalaintrare.Celedouaconvertoarebuck-boostau aceeasi iesire si fiecare are sursa proprie de energie.RESTRICTIONATSTRUCTURI DE CONVERTOARE MONOFAZATE UNI-ETAJIV-6T4T1T3D5L112C1D60C2 L212T2CFigura 4.6. Invertor buck-boost cu patru comutatoare (Kasa [12])Un invertor de tip bi-flyback este propus de Kjaer si Blaabjerg [13] (Figura4.7).Doua convertoare bidirectionale tip flyback formeazacircuitulprincipal, iar sarcinaesteconectataseriintreceledouaiesiri.Intrarilecelordouaconvertoare suntconectateimpreunalasursadeenergie.Avantajulmajoralacestuiinvertor este izolarea galvanica realizata cu doua transformatoare de inalta frecventa, solutie cugabaritrelativredus.Oricumfolosireaadouatransformatoare (inlocdeunul) determina o solutie relativ scumpa.PVPWM2A 1 2C2Sac1T1 23 4PWM1A 1 2T1 23 4Sdc2 Sdc1Lac1 2C1Sac2Figura 4.7. Invertor bidirectional buck-boost cu patru comutatoare (Kjaer si Blaabjerg [13])RESTRICTIONATSTRUCTURI DE CONVERTOARE MONOFAZATE UNI-ETAJIV-7O topologie de invertor cvasirezonant de tip buck-boost ZCS (comutatie la curentzero)esteprpropusdeWang[14](figura4.8).Pealternantapozitiva tranzistoareleS1,S3sidioadaD2opereazaatattimpcattranzistoareleS2,S4sidiodaD1comutapealternantanegativa.PentruoperareinDCM(modde conductiediscontinua),tranzistoareleS3siS4potficomutateZCSdecatre circuitul resonant serie LC pentru a obtine pierderi de putere in comutatiecat mai mici.L112D1V1L1 2L212S4CsS1D2S3S2CFigura 4.8. Invertor rezonant buck-boost cu patru comutatoare (Wang [14])Topologii cu sase comutatoareInvertorul flyback buck-boost (propus deNagao siHarada [15])prezentat in figura 4.9 combina doua choppere buck-boost intr-o punte de patru tranzistoare cudouatranzistoareauxiliare,folositepentrusincronizareacomutatieiinfiecare alternataaiesiriidec.a.Avantajulacestuiinvertoresteizolareagalvanicadintre sursa de tensiune continua si reteaua c.a. de iesire.C ZLLF1 2T1234Q1Q2Q2'Q1CFQ2Q2Figura 4.9. Invertor buck-boost cu sase comutatoare (Nagao si Harada [15])RESTRICTIONATSTRUCTURI DE CONVERTOARE MONOFAZATE UNI-ETAJIV-8Infigura4.10seprezintaotopologiedeinvertorcusasetranzistoare utilizatpentruincarcareabobinelordestocareaenergiei,bidirectional(intimpul fiecareialternante),generandotensiunedeiesirealternativa.Comutatoarele aditionale,incomparatiecutopologiilesimpledepatrucomutatoare,faciliteaza punerea la masa atat a retelei, cat si a sursei de c.c.EDL12AF1 2CBFigura 4.10. Invertor cu sase comutatoare (Kusakawa [16])Tendintamanifestatainproiectareainvertoarebuck-boostuni-etajeste aceea de a elimina utilizarea transformatoarele de joasa frecventa, inlocuindu-le cu transformatoare deinalta frecventa conectate laiesire. Astfelva rezulta undesign maicompact,cuperformante(raportindicatordeperformantacombinat/cost) bune in comparatie cu invertoarele buck ce folosesc uzual transformatoare de retea laintrare.Ingeneral,invertoareleuni-etajauoeficientaridicata(pentrucala structurilemulti-etajeficientatotalaesteunprodusaleficienteifiecaruietajde conversie) si, evident, un cost scazut, dar ofera o putere limitata la iesire, un raport calitateenergie/costlalimitacompromisuluisiimpunelimitariingamade variatieasurseic.c.delaintrare.Seobservacaincazulacestorstructuride invertorcurentulcetreceprincomutatoareprincipalealestructuriiestedetip impuls triunghiular discontinuu, deci curentul de iesire nu poate fi controlat direct prinachizitiaacestuia,chiardacaregimulestedetipCCM(moddeconductie continua)pentrucurentulprinbobineledestocareaenergiei.Inplus,cresterea puteriideiesirevadeterminaunstreselectric insuportabilpentru comutatoare.In anumite aplicatii unde puterea are valori ridicate, in conditiile unei marje mai largiagameidetensiuni c.c. la intrare, pentru obtinerea unor performante ridicate sunt necesare topogii de invertoarele multi-etaj [17-20].Ocomparatieintrestructuriledeinvertorcupatrucomutatoare,respectiv cu sase comutatoare, este facuta in tabelul 4.1:RESTRICTIONATSTRUCTURI DE CONVERTOARE MONOFAZATE UNI-ETAJIV-9Invertor cu patru comutatoareInvertor cu sase comutatoareNumarul de comutatoare 4 6Tensiunea comutatorului / rata curentuluiAceeasiEchilibrarea tensiunii busului c.c. atunci cand se utilizeaza condensatoare de divizare a tensiuniiEste necesara o echilibrare activa in cazul unei sarcini dezechilibrateNu necesita echilibrarea tensiunii condensatoarelorRiplu curentului pe busul c.c. de intrareAmplitudine mare a riplului de curent. Componenta de joasa frecventa este de 50 (sau 60Hz).Amplitudine mica a riplului de curent.Componenta de joasa frecventa este de 100 (sau 120Hz).Marimea filtrului de iesire Relativ mare Relativ micaTabelul 4.14.2. Modelarea si simularea unui sistem de generare a energieiIn aceasta sectiune se prezinta modelul Simulink pentru un sistem de generare aenergieutilizandbancuridebateriideacumulatoaresiultracapacitoare.Bancul de baterii este dimensionat pentru a asigura curentul nominal al sarcinii, iar bancul deultracapacitoareeste dimensionatpentru aasigura curentul lasuprasarcini puls de durata redusa.Modelul bateriei de acumulatoareIngeneral,modeluluneibateriideacumulatoaretipauto(cuplumbsiacid) estecomplex, deoarece dispozitivulelectrochimicdestrocare are multi parametrii cetrebuieconsiderati,cumarfi:capacitatea,tensiuneaminimainregimde descarcare(dead-cellvoltage),impedantadedescarcare(dischargeimpedance), impedantapropriededescarcare(self-dischargeimpedance)sicapacitateaparalel (shuntcapacitance)[21,22].Modelulsimplificatalbaterieivacontineun condensatorpentrustocareaenergieiCbattery_storage ,osursadetensiunecontinuaVoffsetsi un rezistor serie Rspentru limitarea curentului de scurt circuit (figura 4.11). Deexemplupentruunbancdebateriicuparametrii48V/70Ahavandostructura seriede4baterii12V/70Ah(obaterieare6celule/bateriecuotensiune maxima/minima pe fiecare de 2,45V/1,75V). Valoarea rezistorului serie este aleasa conformdatelordeproducatorla80m/celula. RezultaorezistentaserieebanculuidebateriideRS=4680m=1,92.Tensiuneaminimapebanculde baterii este Voffset=461,75 V=42 V. Acumputem estima energiaincondensatorul Cbattery_storage. Calculam tensiunea maxima pe bancul de baterii,Vmax=462,45 V=58,8 V,deci pe condensator avem o tensiune: VC_storage= Vmax- Voffset =16,8 V.Pentru baterii de 70 Ah sarcina acumulata este RESTRICTIONATSTRUCTURI DE CONVERTOARE MONOFAZATE UNI-ETAJIV-10Q=70 Ah3600sec/hour=252.000 Cdeci valoarea capacitatii care poate stoca aceasta energie este:Cstorage=Q/ VC_storage =15.000 F.Modelulbanculuidebaterii esteprezentat infigura4.11,incluzandsiunbancde condensatoare electrolitice C_filter (in paralel cu capacitatea unt a bateriilor).De asemenea, pentru setarea starii initiale de incarcare a bateriilor de utilizeaza o sursa de tensiune continua E_init conectata initial la bancul de baterii.Figura 4.11. Model Simulink al bancului de baterii Evidentcaadaugareabanculuide ultracapacitoaresi/sauabanculuide condensatoareelectroliticevaimbunatatidinamicasistemuluidegenerarea energiei electrice. Bancului de ultracapacitoare se poate monta in paralel cu bancul de baterii (daca tensiunea maxima aeste mai mare decat Vmax=58,8 V; se realizeaza astfeldestructuriserie/paralelcutensiunemaximaraportatede72V),eliminand astfelbanculdecondensatoareelectrolitice,sauprinintermediulunuiconvertor c.c.-c.c. bidirectional. Modelul Simulink al bancului de ultracapacitoare (UCS) este unul de ordinul intai (figura 4.12).Figura 4.12. Modelul Simulink pentru UCSRESTRICTIONATSTRUCTURI DE CONVERTOARE MONOFAZATE UNI-ETAJIV-11Pentru a simula pulsuri de curent (putere) se utilizeaza o sarcina care are o structura paralel cu o ramura comutata sub controlul unui timer (figura 4.13).Figura 4.13. Modelul Simulink pentru sarcina treapta/pulsModelul convertorului cc-cc buck-boostFigura 4.14 prezinta modelul Simulink al convertorului cc-cc buck-boost [23-25].Convertorulcc-cc este proiectat safunctionezein mod deconductiecontinua(CCM).Functia detransferinregim CCM este inoutVV(operarein regim buck), respectiv 11inoutVV(operareinregim boost),undeTton esteraportulde conductie al comenziiPWM. De exemplu, daca tensiunea de intrare, tensiunea de iesiresiputereadeiesireesteV Vin24 ,V Vout48 ,respectiv kW Pout3 ,atunciraportuldeconductiealcomenziiPWM este5 0, ,iarcurentuldesarcinaeste 768 0 5 62 . R A ,VPIloadoutoutload.Curentulmediu =ILprinbobinade stocare a energiei transferata intre ultracapacitoare si baterii este:- in regim buck un curent de incarcare al ultracapacitoarelor battUCS LII I ;- in regim boost un curent de sustinere al supracurentului de sarcina (de valoare dubla fata de cel nominal), deciA,,IIpuls _ outL1255 0 15 621.Aceastavaloare estemult maimaredecat ceadeincarcare,iarbobina trebuie dimensionatalaacestcurentmaxim.Insimulariseutilizeazaorezistentaseriea bobinei (RL) de 0.005 , iar frecventa de lucru a fost aleasa de 1 kHz. Nu s-a ales o valoare mai mare pentru a nu avea pierderi in comutatie prea mari.RESTRICTIONATSTRUCTURI DE CONVERTOARE MONOFAZATE UNI-ETAJIV-12Figura 4.14. Model Simulink al convertorului cc-cc buck-boost Controlul convertorului cc-cc buck-boostControlul convertorului cc-cc buck-boost (figura 4.15) este de tip cu histerezis avandcavariabiladeintrarediferentadintretensiuneabateriilorsiceaa ultracapacitoarelor,creasecomparacupragurilecomparatoruluicuhisterezis (V_PS=Dv_reference+V_H,respectiv V_PJ=Dv_reference-V_L,unde Dv_reference, V_H si V_L fiind parametrii comparatorului cu histerezis). Figura 4.15. Model Simulink al controlerului aferent convertorului buck-boostStructurasistemuluidegenerareaenergieiesteprezentatinfigura4.16si poatefidescris simpluprin patruecuatii diferentiale,sistemulfiindunuldeordin patru(cupatruvariabile: tensiuneabaterieicareestesitensiuneapebusulccde iesire unde se cupleaza sarcina - vout, tensiunea ultracapacitoarelor Vin, tensiunea peste capacitorul de stocare dinmodelulbateriei Cbattery_storage- vC_storagesicurentul prinbobinaconvertoruluibuck-boost - iL)[26].Dacatinemcontdemodelele prezentatemaisusSimulinkexpandeazaordinulsistemuluilasase(6states;8 inputs; 14 outputs ; 6 switches).RESTRICTIONATSTRUCTURI DE CONVERTOARE MONOFAZATE UNI-ETAJIV-13Figura 4.16. Modelul Simulink al sistemului de generare a energieiRezultatele simularilorS-a analizatcomportareasistemului degenerare aenergiei utilizand controlul cuhisterezisaldiferenteidetensiunebaterii-ultracapacitoare(voltagehysteretic control law - VHCL) pentru diferiti parametrii de control setati si pulsuri de sarcina (ingamanominalasaupanaladedouaorivaloareanominalapeoduratamica). Proceselededescarcaresideincarcareabateriilorsuntproceselente,fiind necesaramicsorareaconstantelordetimpatuturorproceselorcareaparinacest sistem.Acestlucrunuafecteazaformadinamicaaraspunsuluisistemului,acesta aparanddoarcomprimatintimp(notiuneadetimeequivalentsystemseste introdusain[27]).Astfelconstanteledetimpaferentebateriilorsi ultracapacitoarelorsuntredusecudouaordinedemarime,decivalorile capacitatilor codensatoarelordestocare, electrolitice siultacapacitoarelor carevor fiutilizateinsimularisunt: Cstorage=150 F,Cfilter=1F,CUCS=10F.Rezulta urmatoreleconstantedetimputilizateinsimulare:TBattery =150x2=300s,Tfilter =1x0,01=10 ms, respectiv TUCS = 10x0.01=100ms (vezi figurile 4.17). La frecventa de1kHzperioadadeactualizareestede1ms.InrealitateavemCstorage=15000F (saui mai mare), Cfilter = 100 F (sau mai mica), CUCS = 1000 F, deci TBattery =30000 (aproximativ opt ore), Tfilter =10s, TUCS =10 s, iar perioada de esantionaredevine 0.1s. Dinamicasistemuluipentrudiferitiparametriidecontrolaicontrolerului VHCLsipulsuridesarcinaesteprezentatainfigurile4.17.a-c.Parametriide control sunt mentionati in tabelul urmator: PW_buck % PW_boost % Dv_ref. [V] V_H [V] V_L [V] Figure (no.)50 50 30 +5 -5 4.17.a50 50 25 +5 -5 4.17.b50 50 35 +5 -5 4.17.cRESTRICTIONATSTRUCTURI DE CONVERTOARE MONOFAZATE UNI-ETAJIV-14Figura 17.a. Dinamica sistemului pentru Dv_ref.=30; functionarea buck/ boost; Figura 17.b. Dinamica sistemului pentru Dv_ref.=25;RESTRICTIONATSTRUCTURI DE CONVERTOARE MONOFAZATE UNI-ETAJIV-15Figura 17.c. Dinamica sistemului pentru Dv_ref.=35;Figura 18.a. Dinamica sistemului pentru Dv_ref.=30, PW_buck=70, PW_boost=50RESTRICTIONATSTRUCTURI DE CONVERTOARE MONOFAZATE UNI-ETAJIV-16Figura 18.b. Dinamica sistemului pentru Dv_ref.=30, PW_buck=50, PW_boost=70Figura 17.c. Dinamica sistemului pentru Dv_ref.=30, PW_buck=50, PW_boost=50RESTRICTIONATSTRUCTURI DE CONVERTOARE MONOFAZATE UNI-ETAJIV-17Pentrufigurile4.17s-aumentinutconstantiparametriicontroleruluiVHCL(referinta Dv_ref.=30V si histerzis V_H=-V_L=5V) si s-au modificat parametrii de comanda conform tabelului urmator:PW_buck % PW_boost % Dv_ref. [V] V_H [V] V_L [V] Figure (no.)70 50 30 +5 -5 4.18.a50 70 30 +5 -5 4.18.b50 50 30 +5 -5 4.18.c4.3. CONCLUZIIAparent, pentru un regim nominal de functionare (fara o sursa de putere pentru incarcarea bateriilor de tip PEMFC) dinamica sistemului este aproape la fel pentru diferitiparametriidecontrol(vezifigurile17si18).Ingeneralstabilitatea sistemului este buna, fiind ocaracteristica implicita a controlului de tip histerezis.Unripluscazutalcurentului UCS(respectiv unriplul scazutalcurentului debitatde PEMFC [28]) poate fi obtinut pentru urmatorul set de parametrii: PW_buck=70, PW_boost=70, V-H=5V, V_L=-5V si Dv_ref=30V. 4.4. Referinte bibliografice[1]. O. Drubel and M. Hobelsberger, Medium frequency shaft voltages in large frequency converter driven electrical machines, Electrical Engineering , Volume 89, Number 1, pp. 29-40, 2006.[2].T. Boutot and I Chang, Development of a single phase inverter for smal wind turbines, in Proc. IEEEElectricalandComputerEngineeringCanadianConf.(CCECE98),Waterloo,ON, Canada, pp. 305-308, 1998.[3].R.O.CaceresandIBarbi,Aboostdc-acconverter:analysis,designandexperimentation, IEEE Trans. Power Electronics, vol 14, pp. 134-141, 1999.[4].N. Vasquez, J. Almazan, C. Aguilar and J. Arau, Analysis and experimental study of the buck, boost and buck-boost inverters, in Proc. IEEE PESC99, Charleston, SC, June 27-July 1, 1999, pp. 801-806.[5].N.Kasa,T.IidaandH.Iwamoto,Aninverterusingbuck-boosttypechoppercircuitsfor popularsmal-scalephotovoltaicpowersystem,inProc.IEEEIECON99,SanJose,CA, Nov./Dec. 1999, pp. 185-190.[6].MNagaoandK.Harada,Powerflowofphotovoltaicsystemusingbuck-boostPWMpower inverter, in Proc. IEEE PEDS97, Singapore, May 26-29, 1997, pp. 144-149.[7]. M.Kusakawa,H.Nagayoshi,K.KamisakoandK.Kurokawa,Furtherimprovementofa transformerless, voltage-boosting inverter for ac modules, Solar Energy Mater. Solar Cells, vol. 67, pp. 379-387, Mar. 2001.[8].S.Funabiki,T.TanakaandTnNishi,Anewbuck-boostoperationbasedsinusoidalinverter circuit, in Proc. IEEE PESC02, Cairns, Australia, June 23-27, 2002, pp. 1624-1629 [9].Y. Chen, K. M. Smedley, A cost-Effective Single-Stage Inverter with Maximum Power Point Tracking, IEEE Trans. On Power Electronics, vol. 19, no. 5, pp. 1289-1294, 2004.RESTRICTIONATSTRUCTURI DE CONVERTOARE MONOFAZATE UNI-ETAJIV-18[10].R.O.CaceresandIBarbi,Aboostdc-acconverter:analysis,designandexperimentation, IEEE Trans. Power Electronics, vol 14, pp. 134-141, jan. 1999[11].N. Vasquez, J. Almazan, C. Aguilar and J. Arau, Analysis and experimental study of the buck, boost and buck-boost inverters, in Proc. IEEE PESC99, Charleston, SC, June 27-July 1, 1999, pp. 801-806.[12].N.Kasa,T.IidaandH.Iwamoto,Aninverterusingbuck-boosttypechoppercircuitsfor popularsmal-scalephotovoltaicpowersystem,inProc.IEEEIECON99,SanJose,CA, Nov./Dec. 1999, pp. 185-190.[13]. S. B. Kjaer and F. Blaabjerg, A novel single-stage inverter for the ac module with reduced low-frequencyripplepenetration,inProc.10thEPEEuropeanConf.PowerElectronicsand Applications, Toulouse, france, Sept. 2-4, 2003.[14]. C.M.Wang,Anovelsingle-stagefull-bridgebuck-boostinverter,inProc.IEEEAPEC03, Miami beach, Fl., Feb. 9-13, 2003, pp. 51-57.[15]. MNagaoandK.Harada,Powerflowofphotovoltaicsystemusingbuck-boostPWMpower inverter, in Proc. IEEE PEDS97, Singapore, May 26-29, 1997, pp. 144-149.[16].M.Kusakawa,H.Nagayoshi,K.KamisakoandK.Kurokawa,Furtherimprovementofa transformerless, voltage-boosting inverter for ac modules, Solar Energy Mater. Solar Cells, vol. 67, pp. 379-387, Mar. 2001.[17]. Y. Xue, L. Chang, S. Bkhoj Kjr, Topologies of Single-Phase Inverter for Small Distributed Generators :anOverview,IEEETrans.OnPowerElectronics,vol.19,no.5,pp.1305-1313, 2004.[18]. I. Batarseh, Power electronic circuits, Hoboken, NJ: John Wiley, 2004.[19]. J. P. Agrawal, Power electronic systems: theory and design, Upper Saddle River, N.J.: Prentice Hall, 2001.[20]. N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins, Power Electronics : Converters, Applications, and Design, Wiley; 3rd Bk&Cdr edition, 2002.[21]. H.J.Bergveld,(editor),S.J.WandaS.Kruijt,P.H.L.Notten,Batterymanagementsystems: design by modeling, Dordrecht; Boston: Kluwer Academic, 2002.[22]. T. R. Crompton, Battery Reference Book, 3th ed., Newnes, 2003.[23]. N. Bizon, Power converters (in Romanian), Ed. MatrixROM, Bucharest, 2004.[24]. M.Ortuzar,J.Dixon,J.Moreno,Design,ConstructionandPerformanceofaBuck-Boost Converter for an Ultracapacitor-Based Auxiliary Energy System for Electric Vehicles, in Proc. IEEE-IECON2003, Roanoke, Virginia, USA, 2003.[25]. M.H.Rashid,PowerElectronics:Circuits,DevicesandApplications(3rdEdition),Prentice Hall, 2003.[26]. N. Bizon, System theory and applications (in Romanian), Ed. MatrixROM, Bucharest, 2004.[27]. N.Bizon,M.Oproescu,TimeEquivalentSystems,ScientificJournaloftheUniversityof Pitesti Electronics and Computer Science, ISSN 1453119, pp. (in press) , Pitesti, 2006.[28]. NETLpublishedfuelcellspecificationsforFutureEnergyChallenge2005Competition (www.netl.doe.gov), 2005.RESTRICTIONATTOPOLOGII DE INVERTOARE MONOFAZATE MULTI-ETAJV-15. TOPOLOGII DE INVERTOARE MONOFAZATE MULTI-ETAJPENTRU SISTEMELE DE GENERARE A ENERGIEIIn acestcapitol se face o analiza a structurilor de putere multi-etaj(multi-stageinverters)utilizateinsistemeledegenerareaaenergiei(EGS)[1-4].Sunt prezentate,comparatesievaluatediferitetopologiideconversieenergeticamulti-etaj(invertoaremonofazatedetipmulti-etaj),unidirectionalesaubidirectionale, propuse in literatura de specialitate pentru a fi utilizate in sistemele EGS [5-10]. In finalesteanalizatunEGSavandcasursadeenergieopiladecombustiecu membranaprotonica(PEMFC),cadispozitivedestocarebancuridebateriide acumulatoare si condensatoare electrolitice si un convertor multi-etajdc-dc-ac.Se prezinta modelele Simulink si rezultatele semnificative obtinute privind controlul si eficienta energetica obtinuta pentru structura EGS simulata.5.1. INVERTOARE DE TIP MULTI-ETAJIntr-un invertor de putere cu mai multe etaje, cum ar fi un invertor cu doua etaje,ridicareatensiuniicontinuesiasigurareaizolariielectriceserealizeazain primuletaj(convertorc.c.-c.c.),intimpceconversiac.c.-c.aserealizeazainal doileaetaj(invertor).Fiecareetajpoateficontrolatseparatsausepotcontrola integrat, sincron, ambele etaje. Pentru a implementa functii de transfer de tip buck-boostintr-uninvertormulti-etajs-auadoptatdiferitetopologiideconversiecu nivele intermediare de c.c. si/sau c.a.. Pentru operatia buck sau boost se foloseste in primuletajdeconversiec.c.-c.c.unconvertorc.c.-c.c.sauunconvertorc.c.-c.a.-c.c.Dacaalegemvariantacubusdec.c.detensiuneridicata,sistemultrebuiesa coninla ieire uninvertor cucomanda PWMsinusoidal. Dacaalegemvarianta cubusdec.a.defrecventa(sitensiune)ridicata,sistemultrebuiesaconinla ieireuncicloconvertordefrecventacupurtatoaremulti-PWMsinusoidal (multiple-PWM carrier).Tipurile de invertoare multi-etaj descrise in continuare sunt de tipul:- topologie cc-cc-ca- topologiecc-ca-cc-ca- topologie cc-ca-ca5.1.1. Topologii c.c.-c.c.-c.a. Prinadaugareaunuiconvertorc.c.-c.c.boostinfatainvertoruluidetip buckrezultauninvertorboostcudouaetaje,folosituzualincazulsistemelorde generare a energie eoliene (fig. 5.1). In aceasta topologie, dupa primul etaj obtinem otensiunecontinuacuunripluscazut,apoiinaldoileaetaj(invertorulbuckcu comanda PWM sinusoidala, utilizand o purtatoare de frecventa ridicata) este folosit pentru a obtine tensiunea sinusoidala dorita. In general, in aceasta topologie nu este nevoiedesincronizareacelordouaetajedeconversie,putereadeiesirefiind controlata la nivelul celui de-al doilea etaj.RESTRICTIONATTOPOLOGII DE INVERTOARE MONOFAZATE MULTI-ETAJV-2DQ11 2CdcQ4Q5CsQ2L1 2Q3Fig. 5.1. Invertor boost c.c.-c.c.-c.a.Pentru aceeasta topologie se poate face un control in primul etaj asfel incat pe busul de c.c. sa apara esantionat o forma de unda sinusoidala redresata, iar apoi al doilea convertor doar sa transforme forma de unda respectiva intr-o tensiune de linie alternativa, realizandu-se astfel o crestere a eficientei energetice de conversiei (prin reducerea pierderilor in comutatie) si un cost mai mic (prin eliminarea busului dec.c.filtratdecondensatoare).Launcontrol(intr-obuclaPLL )alfrecventei invertoruluideiesire sincronizatcufrecventa retelei, sistemulpoate ficonectatla retea. Fig. 5.2 prezinta un invertor buck-boost propus de Saha si Sundarsingh [11]. L11 2T1T4D6D5DfT2Q5CsL21 2T3Q6CFig. 5.2. Invertor buck-boost fara izolare galvanica (Saha si Sundarsingh [11])RESTRICTIONATTOPOLOGII DE INVERTOARE MONOFAZATE MULTI-ETAJV-3Proiectat pentru sursele fotovoltaice si avand o conectare neizolata la retea, dinmotivedesecuritate,sistemulutilizeazaotensiunedeintrarecontinuacuo valoaredemaxim100V.Areostructurasimpla,darpermiteogamalimitatade variatie a tensiunii continue si o rata de conversie a tensiunii intrare-iesire limitata. Topologiiledeinvertoarecuizolaregalvanica,carefolosesc transformatoaredeinaltafrecventa,potgeneraputeredelaosursadeenergie regenerabilachiarsiatuncicandtensiuneacontinuageneratadeDPGestefoarte scazuta. Fig. 5.3 prezinta o astfel de topologie in care se foloseste un transformator flyback pentru asigurarea izolatiei electrice dintre sarcina si sursa se energie. 1:1CT1 23 4CsT4T1 Q6T2T3L21 2D5Fig. 5.3. Invertor buck-boost cu izolare galvanica (Saha si Sundarsingh [11])Pentru a mari gama tensiunilor de intrare, fara a folosi un transformator de inaltafrecventainalta,esteadaugatuncondensatorinbucladeincarcarea dispozitivuluidestocareaenergiei(bobina)pentru aformainvertorulbuck-boost propus de Funabiki [12] (fig. 5.4). Acest invertor poate functiona normal chiar daca sursa de tensiune variaza de la valori aproapiate de zero, pana la un nivel care poate depasiamplitudineatensiuniideiesire.Pentruobtinereaunorperformante comparabileprivindreglajul,invertorulboosttrebuiesautilizezecomutatoare auxiliaresisecventedecontrolsuplimentare,infinalrezultanduncontrolmai complicat si costuri suplimentare.Un alt invertor cu izolare galvanica intrare - iesire (tip flyback buck-boost) estepropusdeShimizosiKjaer[13-14]siesteprezentatinfigura5.Modulde functionarecuputereconstantalaintrarecerut,deexemplu,decontrolulMPPT (urmarirea punctului de putere maxima) al modulelor fotovoltaice, este asigurat in prima parte a ciclului de conversie de catre convertorul buck-boost si energia este stocataintr-uncondensatorintermediar.Inadouaparteaacicluluideconversie, convertorulflybackproceseazaopartedinenergiastocataincondensatorul intermediar.Infinal,energiastocataininductantademagnetizareestetransferata in secundarul transformatorului (in a treia parte a ciclului de conversie); de aici este RESTRICTIONATTOPOLOGII DE INVERTOARE MONOFAZATE MULTI-ETAJV-4debitata (filtrataprinintermediulunuifiltruLC)inreteauamonofazataprin comanda adecvata a contactoarelor de iesire. Astfel condensatorul intermediar este folositcaundispozitivdestocareaenergiei(tensiunealabornefiindcompusa dintr-ocomponentacontinuasiocomponentaalternativa).Avantajulacestei topologiiestedatdevaloarearelativredusaacapacitatiicondensatorului intermediar,careinlocuiesteimenselecondensatoareelectroliticecareuzual filtreaza busul c.c. la celelalte structuri prezentate, ceea ce face sa creasca durata de viata a invertorului si, evident, sa scada pretul de cost.12T5T1 T2T4ZD12Ls12D9 D8CsD11DIODE PINCT6SOT3D10DIODE PIND13Fig. 5.4. Invertor buck-boost (Funabiki [12])CS1:n:n561342C1Sac2D2Sac1L11 2Sf ly back2Ssy ncD1Sbuck-boostCinSf ly back1Fig. 5.5. Invertor Flyback (Shimizio [13] si Kjaer [14])RESTRICTIONATTOPOLOGII DE INVERTOARE MONOFAZATE MULTI-ETAJV-55.1.2. Topologii c.c.-c.a.-c.c.-c.a. Invertoarelecumaimulte etajedeconversie suntnecesareatuncicandse impune o rata de conversie a tensiunii c.c. mare de la un bus c.c. de intrare variabil intr-ogamalarga.Structuralsecompune,ingeneral,dintr-unconvertordeinalta frecventac.c.-c.a.-c.c.(folositpentruaobtinebusulc.c.denivelridicatdintr-o tensiune continua variabila) siuninvertor defrecventa ridicatasau uninvertor de retea(folositpentruaobtinetensiuneaalternativanecesara).Acestetopologiise diferentiaza in functie de tipul busului c.c. intermediar:1) Busc.c.autenticintreceledouaconvertoare.Otopologie traditionalacuunasemeneabusc.c.afostdejaprezentatainfigura5.3,unde controluluneitensiuniiconstanteabusuluic.c.seobtineprincomutarea infasurarilorprimarealeunuitransformatordeinaltafrecventa(ridicatorde tensiune), urmat de un redresor bi-alternanta si un filtru capacitiv sau LC. Ambele convertoareopereazalaofrecventadelucruridicata,determinandpierderiin comutatie mari si costuri ridicate.2) Pseudo-busc.c.intreceledouaconvertoare.Infigura5.6se prezintaotopologiedeinvertorboostmulti-etaj.Incomparatiecustructuradin figura 3 se observa lipsa filtrului c.c. Ultimul etaj de conversie este un invertor de reteacare,laocomandaadecvata,permiteobtinereauneitensiunialternativadin trenul de impulsuri de inalta frecventa redresate. La iesire este necesar un filtru de joasafrecventapentruaasiguraunsemnaldeoformasinusoidala(cuunTHD acceptabil) la iesire. 1:n1 2T1 23 41 21 2Fig. 5.6. Invertor boost cu pseudo-bus de c.c. (alimentare in tensiune)Inloculuneiinvertordetensiune,infigura5.7seprezintautilizareaun invertor de curent ca ultim etaj de conversie. Comutatoarele de putere ale primului invertor sunt controlate astfel incat sa apara alternante ale curentului sinusoidal in bobina intermediara, care apoi sunt convertite intr-o forma de unda sinusoidala de invertoruldecurent.Sedebiteazacurentalternativinretea,infazacutensiunea RESTRICTIONATTOPOLOGII DE INVERTOARE MONOFAZATE MULTI-ETAJV-6retelei, fara a folosi un filtru de c.a. (voluminos) la iesire. Aceasta topologie a fost realizata practic si comercializata pentru un sistem fotovoltaic de 1-10 kW conectat direct la reteaua electrica. 1:n1 2T1 23 4Fig. 5.7. Invertor boost cu pseudo-bus de c.c. (alimentare in curent)5.1.3. Topologiile c.c.-c.a.-c.a. Pentru topologii individuale, neconectate la retea (stand-alone), sau sisteme autonome(deexempluceleutilizatelaautovehiculelecutractiuneelectricasau hibrida) este necesar controlul bidirectional al fluxurilor de putere din invertor. In acestecazurienergiarecuperata(cevafistocatadeasemenea)vinedelaiesire catre intrare. Pentru astfel de obiective au fost facute diferite propuneri. Propunera facuta de catre Beristain [14] este prezentata in figura 5.8, unde al doilea etaj este unconvertorac-acbidirectionalalimentatdelaunbusc.a.deinaltafrecventa. Eliminareabusuluic.c.intermediar(prineliminareacomponentelevoluminoase aferentefiltruluidec.c.ceseregasescinmajoritateainvertoarelorboostcumai multeetaje)vareducegabaritulsicostulsistemului.Topologiaincludeun transformator de inalta frecventapentru schimbarea niveluluitensiuniide iesire si realizarea izolarii electrice intre sursa cc de intrare si retea.Din prezentarea topologiilor multi-etaj utilizate in sistemele EGS rezulta ca este de preferat sa fie folosit un transformator de inalta frecventa in primul etaj de conversie(pentruacresteratadetransferatensiuniisiaoferiizolareaelectrica necesara)siuninvertordereteacaultimetajdeconversie(pentruareduce pierderile de comutatie totale). Oricum o topologie de invertor multi-etaj (cu doua saumaimulteetajedeconversieaputerii),incomparatiecuuninvertorcuun singur etaj, permite o gama mai larga pentru tensiunea de intrare si o capacitate mai mare a puterii de iesire, la costuri minime pentru componente de putere auxiliare.Invertoarelor de mica si medie putere prezentate mai sus sunt comparate in tabelul 5.1 din punct de vedere al:RESTRICTIONATTOPOLOGII DE INVERTOARE MONOFAZATE MULTI-ETAJV-7- Tehnicii de stocare/filtrare a energiei in etajele intermediare- Prezenteiuneimaseelectricediferitelasursadeenergiesilaiesireaspre reteaua de c.a., adica a izolarii electrice intre sursa de energie si sarcina de c.a. (reteaua de c.a.)- Posibilitatii de conectare la reteua de c.a., respectiv o functionare ca sistem rezidential (individual).S13S24 S14ZLT1 23 41:nS11S12S23S21S22Fig. 5.8. Convertor bidirectional c.c.-c.a.-c.c. (Beristain [14])Fig. nr.Tipul de topologieTehnica de stocare/filtrare a energiei in etajele intermediareMase flotante la sursa si iesire/izolare electricaConectare la retea / posibilitate de operare ca sistem rezidential2 un singur etajcondensatorelectrolitic de intrare mareda / izolat ambele3 mai multe etaje condensatorelectrolitic deintraremaresi condensatorintermediar pe busul c.c.da / izolat ambele4 un singur etajcondensatorelectrolitic deintraremaresau condensatorintermediar mic nu / neizolat capabil sa opereze ca sistem rezidential, dar neconectabil la retea5 un singur etajcondensatorelectrolitic deintraremaresau condensatorintermediar micnu / neizolat capabil sa opereze ca sistem rezidential, dar neconectabil la retea6 un singur etajcondensatorelectrolitic de intrare mareda / neizolat doar conectare la retea7 un singur etajcondensatorintermediar micda / izolat capabil sa opereze ca sistem rezident si lipseste conectarea la reteaRESTRICTIONATTOPOLOGII DE INVERTOARE MONOFAZATE MULTI-ETAJV-88 un singur etajcondensatorelectrolitic de intrare marenu / neizolat capabil sa opereze ca sistem rezidential, dar neconectabil la retea9 un singur etajcondensatorelectrolitic de intrare mareda / izolat ambele10 un singur etajcondensatorelectrolitic de intrare mareda / neizolat ambele11 mai multe etaje condensatorelectrolitic deintraremaresi condensatorintermediar pe busul c.c.nu / neizolat ambele12 mai multe etaje condensatorelectrolitic deintraremaresi bobinaintermediarape busul c.c.nu / neizolat doar conectare la retea13 mai multe etaje condensatorelectrolitic deintraremaresi bobinaintermediarape busul c.c.da / izolat doar conectare la retea14 mai multe etaje condensatorelectrolitic deintraremaresi bobinaintermediarape busul c.c.nu / neizolat capabil sa opereze ca sistem rezidential, dar neconectabil la retea15 mai multe etaje condensator de intrare si intermediar micda / izolat doar conectare la retea16 mai multe etaje condensatorelectrolitic de intrare mareda / izolat doar conectare la retea17 mai multe etaje condensatorelectrolitic de intrare mareda / izolat doar conectare la retea18 mai multe etaje condensatorelectrolitic de intrare mareda / izolat ambeleTabel 5.1. Compararea structurilor prezentateDeasemenea,sistemeleinvertorprezentatemaisussuntcomparateintabelul5.2 din punct de vedere al:- tensiunii minime de intrare necesare pentru a genera o tensiune alternativa conformstandarduluidecalitateamerican(USA),respectiveuropean (EU);- puterii maxime de iesire oferite;- frecventei recomandate de lucru (fc); - eficientei raportate de autori ( - randamentul);- domeniului de aplicatii EGS recomandat sau aplicat de autori;- Numarului de componente pasive (Tipului de transformator T utilizat; LF transformatorderetea,HFtransformatordeinaltafrecventa,Lbobina,C_Fcondensatorcufilm,C_Econdensatorelectrolitic)si active (S comutator; D- dioda).RESTRICTIONATTOPOLOGII DE INVERTOARE MONOFAZATE MULTI-ETAJV-9Numarul de componenteFig. nr.V_Intrare minimaUS/EU standardPutere iesire maximafs Aplicatie EGST L/C_F (C_E)S/D2 Gamalarga de valori>10KW 5-12 KHzEolian LF 1/1(1) 4/43 Gamalarga de valori>10KW 5-12 KHzEolian HF 3/1(2) 8/124 34V / 65V 500W 30 KHzUPS NU 2/2(1) 4/45 42V / 81V 215W 30 KHzUPS NU 2/2(1) 4/46 42V / 81V 500W 9.6 KHz80% Fotovoltaic NU 2/1(2) 4/27 Gamalarga de valori160W 50 KHzFotovoltaic 2*HF 1/2(0) 4/48 42V / 81V 500W 40 KHz90% UPS NU 3/2(1) 4/29 Gamalarga de valori140W 50 KHzFotovoltaic HF 1/1(1) 6/310 42V / 81V 50W 70 KHz87% Fotovoltaic NU 2/2(1) 6/211 34V / 65V 1KW - 92% Eolian NU 2/1(2) 5/612 42V / 81V 2KW 36 KHzFotovoltaic NU 2/1(1) 6/513 Gamalarga de valori2KW 36 KHzFotovoltaic HF 1/1(1) 5/214 9v / 16v 640W 5.3-17 KHzEoliansi fotovoltaicNU 2/1(1) 7/615 Gamalarga de valori160W - 86% Fotovoltaic HF 1/3(0) 6/816 Gamalarga de valori- - Eolian HF 2/1(1) 8/1217 Gamalarga de valori4KW 10-16 KHz90% Fotovoltaic HF 1/0(1) 8/818 Gamalarga de valori1KW 50 Hz Fotovoltaic HF 1/1(1) 12/12Nota.Ttransformator,Lbobina,C_Fcondensatorfilm,C_Econdensatorelectrolitic,LFtransformatordelinie,HFtransformatordeinaltafrecventa,fsfrecventacomutatoarelor, -randamentulTabel 5.2. Compararea structurilor prezentateRESTRICTIONATTOPOLOGII DE INVERTOARE MONOFAZATE MULTI-ETAJV-105.2. MODELAREASISIMULAREAUNEITOPOLOGIIEGSTIPCC-CC-CC-CA-CC-CAModelulMatlab-SimulinkutilizatpentrusimulareauneitopologiiEGS (sistempentrugenerareaenergiei)tipcc-cc-ca-cc-ca esteprezentatinfigura5.9.Figura 5.9. Modelul Matlab-Simulink pentru o topologie EGS tip cc-cc-ca-cc-ca5.2.1. Convertorul cc-cc de interfata PEMFC-ESDConvertorulcc-ccdeinterfataintrepiladecombustiesidispozitivelede stocareaenergieestedetaliatinfigura5.10.Infiguraestereprezentatsi convertorul bidirectional cc-cc de interfata intre busul cc (de nivel scazut- cc low) al bateriilor de acumulatoare si bancul de ultracapacitoare.Simularilesuntrealizatepeostructuraclasicadeconvertorcc-cc unidirectional de tip boost, respectiv o structura de convertor cc-cc bidirectional de tipbuck-bost[15].Rezultatelesimularilorsuntprezentateinfigura5.11, evidentiindu-se functionarea in mod bidirectional a convertorului cc-cc buck/boost laurmatoriiparametriaicontroleruluicuhisterezis:referinta(diferentaintre tensiuneapebanculdebateriisiultracapacitoare)Dv_ref.=25V,histerezis=5Vin conditiileuneicapacitatiscazutedestocare(C_batt)pentrubateriilede acumulatoare(a),medii(b),respectivridicate(c).Seurmaresteposibilitateade RESTRICTIONATTOPOLOGII DE INVERTOARE MONOFAZATE MULTI-ETAJV-11eliminare completa a bancului de baterii de acumulatoare, utilizand doar bancul de ultracapacitoare pentru compensarea fluxurilor de putere pe busul cc low.Figura 5.10. Modelul Simulink pentru interfata PEMFC - bus cc de joasa tensiuneFigura 5.11.a. Dinamica convertorului de interfata pentru C_batt scazuteRESTRICTIONATTOPOLOGII DE INVERTOARE MONOFAZATE MULTI-ETAJV-12Figura 5.11.b.Dinamica convertorului de interfata pentru C_batt mediiFigura 5.11.c. Dinamica convertorului de interfata pentru C_batt ridicateRESTRICTIONATTOPOLOGII DE INVERTOARE MONOFAZATE MULTI-ETAJV-135.2.2. Convertorul cc-cc ridicator cu izolare electricaStructura convertorului cc-cc ridicator (figura 5.12) utilizeaza un transformator HF pentru ridicarea tensiunii de pe busul cc low (V_low_dc) la nivelul tensiunii de pe busulcchigh(V_high_dc),asigurandtotodatasiizolareaelectrica corespunzatoare.InfasurareaprimaraestecomutatadepuntedeIGBT-uri,iar pulsuriledetensiunedinsecundarsuntredresatedeopuntededioderapidesi filtrateLC.Seobtineotensiunecontinuaalcareinivelestementinutlanivelul referintei (V_dc_ref=400V) prin generarea unui semnal de control pentru circuitul decomanda PWM cudeplasarea fazei (PWM phase shift controller). Semnalul decontrolestegeneratderegulatoruldetensiunedetipproportional-integrator (PI), cu structura din figura 5.13.Figura 5.12. Convertorul cc-cc ridicatorFigura 5.13. Regulatorul de tensiune PIRESTRICTIONATTOPOLOGII DE INVERTOARE MONOFAZATE MULTI-ETAJV-14Esteanalizatadinamicaconvertoruluicc-ccpentrudiferitevaloriale tensiuniiVin=V_low_dcsisetarideparametriipentrucontrolerulPI. ModificariletensiuniideintrareVinseprogrameazaprintr-osursade tensiune controlata (figura 5.14). Figura 5.14.a. Rezultatele simularii pentru kp=0.015 si ki=0.04Figura 5.14.b. Rezultatele simularii pentru kp=0.02 si ki=0.02RESTRICTIONATTOPOLOGII DE INVERTOARE MONOFAZATE MULTI-ETAJV-15Figura 5.14.c. Rezultatele simularii pentru kp=0.02 si ki=0.035.2.3. Convertorul cc-ca Convertorulcc-ca(invertorul)estedetippuntetrifazatacomandataPWM sinusoidal (figura 5.15). Figure 5.15. Convertorul cc-caRESTRICTIONATTOPOLOGII DE INVERTOARE MONOFAZATE MULTI-ETAJV-16Mentinereaamplitudiniisemnaluluisinusoidallanivelulimpusdereferintase obtinecuunregulatorPI.Structuraregulatoruluidetensiuneestedatainfigura 5.16. Figura 5.16. Structura regulatorului de tensiuneSeanalizeazadinamicainvertorului pentrudiferitiparametriiai controleruluiPIlaaplicareaunei treptedesuprasarcina.Indexulde modulatieareovariatielentadatade frecventa de taiere a filtrului de intrare (figura5.18).Spectruldefrecventa al tensiuniialternativedelinieeste reprezentat in figura 5.17. Seremarca obtinereaunuicoeficientde distorsiune total (THD) mic (sub 3%), chiar la variatii mari ale sarcinii (de la 5kW la 10kW). Figura 5.17. Spectrul de frecventa al tensiunii alternative de linie RESTRICTIONATTOPOLOGII DE INVERTOARE MONOFAZATE MULTI-ETAJV-17Figura 5.18. Rezultatele simularii pentru kp=0.4 si ki=5005.3. EFICIENTA ENERGETICA A SISTEMULUI EGSCalcululeficienteienergeticeaunuisistemEGSde2.5kW(custructura datainfigura 5.19)sepoateobtinebazandu-nepepierderiledeputereestimate pentrudispozitiveleactive(inconductiesiincomutatie)sipentrucelepasive (prezentate in tabelul urmator): Componenta Notatie Tipuri de pierderi Pierderi (W)Pierderi in conductie 335,6 D1Piederi in comutatie 0,875Pierderi in conductie 20,62DiodeD2-D5Piederi in comutatie 0,024Pierderi in conductie 122,1 S1Piederi in comutatie 40,69Pierderi in conductie 63,3MOSFETS2-S5Piederi in comutatie 29,8Pierderi in conductie 36,7 IGBT S6-S9Piederi prin comutatie 29,4Pierderi in miez 31,84 Transformator T1Pierderi in infasurari 45,77L1 Pierderi in infasurari 7,77L2,L3 Pierderi in infasurari 0,148Pierderi in miez 1,65BobineL4,L5Pierderi prin infasurari 0,007C1 Pierderi in condensator 29,15C2,C3 Pierderi in condensator 0,15CondensatorC4,C5 Pierderi in condensator 69,2Total 864,8RESTRICTIONATTOPOLOGII DE INVERTOARE MONOFAZATE MULTI-ETAJV-18C4S15L21 2L51 2S7120 Vac50HzS1240 Vac50 HzS4S31 23 45S11D11 2BatteryC3S12 S13C5Super CapL61 21 23 45NS2D3L41 248VC2S10D5 D422~40VL31 2S14S9S5Fuel CellL1 2S6Vdc 400VS8C1D2120 Vac50HzFigura 5.19. Structura sistemului EGS simulatRESTRICTIONATTOPOLOGII DE INVERTOARE MONOFAZATE MULTI-ETAJV-19La o putere de 2.5 kW rezulta o eficienta de conversie energetica egala cu2500/(2500+865)=0.74.Prinsimulareseobtineovaloareaeficienteide aproximativ0.84pentruconvertorulcc-ccdeinterfataPEMFCcubateriilede acumulare(inclusivconvertorulbidirectionalcc-cc),0.9pentruconvetorulcc-cc ridicator,respectiv0,93pentruinvertor. Inconsecinta,eficientaenergeticaa sistemului EGS multi-etaj este egala cu 0.84x0.9x0.93=0.7. Pentru convertorul cc-cc de interfata PEMFC cu bateriile de acumulare (inclusiv convertorul bidirectional cc-cc)dinamicaputerilorlaunpulsde2.5kWestereprezentatainfigura5.19. Incepand de sus se reprezinta:- putereadebitatedepiladecombustiesiceadebitatainsistempentru incarcarea bateriilor sau sustinerea pulsurilor de sarcina;- Puterea transmisa bateriilor (cu plus la incarcare; cu minus la descarcare pe durata pulsului de putere);- Puterea in sarcina (puls de putere);- Eficienta energetica a sistemului de stocare a energiei.Figura 5.19. Eficienta energetica a sistemului de stocare a energiei.Pentru calculul eficientei energetice s-a utilizat blocul de calcul din figura 5.20, care proceseaza puterile instantanee de cc ,calculate ca produs la tensiunii si curentului instantaneu vehiculat pe acel bus de cc.RESTRICTIONATTOPOLOGII DE INVERTOARE MONOFAZATE MULTI-ETAJV-20Figura 5.20. Blocul de calcul al eficientei energetice 5.4 CONCLUZIIPe busul cc low unde sunt conectate bateriile tensiune V_cc_low are a gama de variatierelativmare,infunctiedestaredeincarcareabanculuidebaterii. Dinamicatensiuniipoatefiingama50V(regimnominal)panalapeste65V (sarcina scazuta), controlerul circuitului boost avand o caracteristica de reglaj care limiteazavaloareamaximaatensiuniiV_cc_low.DacasistemulEGSramanein gol pot apare tensiuni periculoase pe busul cc high, deci se va evita aparitia acestui regim.Rezultateleobtinuteprinsimulareauaratatimportantaalegeriioptimea parametrilorregulatoruluiPIpentruasigurareauneitensiuniV_cc_highstabile intr-ogamalimitata.Pentrukp=0.02siki=0.02seobtinrezultatebune.De asemenea,s-aobtinutcapentrukp>0.025siki>0.03regulatoruldetensiune determina o functionare instabila a convertorului cc-cc ridicator. O protectie de tip crowbar la depasirea unei tensiuni V_cc_high maximese impune pentru siguranta functionarii etajului cc-ca (invertor).Rezultateleobtinuteprinsimularepentrufunctionareainvertoruluiau permisalegereaparametriloroptimiairegulatoruluiPIdinstructuraregulatorului detensiune,careasigurarobustetelaperturbatiiaparutelaintraresauaplicatela iesire.ValorileparametrilorregulatoruluiPIpentruregulatorulacdetensiunese afla intr-o gama relativ larga: 10>kp>1 si ki in gama 100600.EficientasistemuluiEGSpoateficrescutaprinmasurilanivelulfiecarui etaj(deexemplu,utilizareaunortranzistoareMOScuRonscazutinetajulde RESTRICTIONATTOPOLOGII DE INVERTOARE MONOFAZATE MULTI-ETAJV-21interfata, unde curentul este cel mai mare) sau prin eliminareaunui etj de conversie (de exemplu, utilizand o structura de tip cc-ca-ca). 5.5. Referinte bibliografice[1]. Stobart, R., Fuel Cell Technology for Vehicles. Progress in Technology Series, 2000.[2]. Gregor Hoogers, Fuel Cell Technology Handbook, CRC Press; 1st edition, 2002.[3]. PatPatterson,HydrogenFuelCells:IndependentPowerSourcesfortheFuture,VantagePr. Ed., 2004.[4]. Godfrey Boyle, Renewable Energy, Oxford University Press; 2nd edition, 2004.[5]. K.Gansky,RechargeableBatteriesApplicationsHandbook,4thed.,ButterworthHeinemann (2002).[6]. H.J.Bergveld,(editor),S.J.WandaS.Kruijt,P.H.L.Notten,Batterymanagementsystems: design by modeling, Dordrecht; Boston: Kluwer Academic (2002).[7]. I. Batarseh, Power electronic circuits, Hoboken, NJ: John Wiley, 2004.[8]. J. P. Agrawal, Power electronic systems: theory and design, Upper Saddle River, N.J.: Prentice Hall, 2001.[9]. N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins, Power Electronics : Converters, Applications, and Design, Wiley; 3rd Bk&Cdr edition, 2002.[10]. N. Bizon, Power converters (in Romanian), Ed. MatrixROM, Bucharest, 2004.[11]. Z.YangandP.C.sen,Anovelswitch-modedc-to-acinverterwithnonlinearrobustcontrol, IEEE Trans ind. Electron., vol 45, pp. 602-608, Aug. 1998.[12]. S.Funabiki,T.TanakaandTnNishi,Anewbuck-boostoperationbasedsinusoidalinverter circuit, in Proc. IEEE PESC02, Cairns, Australia, June 23-27, 2002, pp. 1624-1629[13]. T. Shimizu, K. Wada and N. Nakamura,A flyback-type single phase utility interactive inverter withlowfrequencyripplecurrentreductiononthedcinputforanacphotovoltaicmodule system, in Proc. IEEE, Cairns, Australia, June 23-27, 2002, pp. 1483-1488.[14]. S.B.KjaerandF.Blaabjerg,Designoptimizationofasinglephaseinverterforphotovoltaic applications, in Proc. IEEE PESC03, Acapulco, Mexico, June 15-19, 2003, pp. 1183-1190.[15]. N.Bizon,M.Oproescu,Single-PhaseInverterStructuresusedintheEnergyGeneration Systems,ScientificJournaloftheUniversityofPitestiElectronicsandComputerScience, ISSN 1453119, pp. (in press) , Pitesti (2007).RESTRICTIONATPROIECTAREA UNUI SISTEM DE GENERARE A ENERGIEIVI-16. PROIECTAREA UNUI SISTEM DE GENERARE A ENERGIEISistemeledegenerareaenergieicareutilizeazapiledecombustiese asteaptasafiedinceincemaifolosite,avandcatevaavantajeesentialefatade sistemele de generare conventionale [1-7], cum ar fi:- poluare redusa;- eficienta ridicata; - o mare diversitate de combustibili;- modularitate;- instalare rapida.Ingeneral,functiasistemuluideputeredintr-unsistemdegenerarea energiei(EGS)cupiledecombustieestedeaconvertitensiuneacontinuadela iesirea pilei intr-o tensiune alternativa. Exista doua etajeprincipale de conversie aputerii.Unconvertorcc-cctransformatensiuneacontinuadelaiesireapileilao valoare mai ridicata, care alimenteaza uninvertor. Invertorul este folosit pentru a transformaparametriiputeriicontinuedelaiesireaconvertoruluic.c.-c.c.intr-o puterealternativacuparametriicorespunzatorisarcinii(retelei).Principalele conditii pe care trebuie sa le indeplineasca un EGS sunt:- sa permita o gama larga de tensiuni de la pila de combustie ;- sa aibe un control al tensiunii de iesire ;- sa permita sa lucreze in mod izolat sau conectat cu reteaua; - armonicile de iesire mici;- eficienta ridicata;- gabarit redus;- cost redus.Costul de productie al pilelor de combustie este in continua scadere. Costul invertoarelortrebuie,deasemenea,sascada,crescandsimultansieficientade conversie,respectivcalitateaputeriidebitate.Incontinuareseprezintacalculul tehnico-economic pentru un invertor de 5 kW, cu un pret scazut, care permite sa fiecomercializatcaunEGSalimentatdelapiledecombustiededicatsistemelorde electricitate rezidentiale. Tinand cont de cele prezentate in capitolele anterioare, s-a alesurmatoareatopologiedeEGSde5kW(schemaelectricaapartiidefortain figura 6.1 si schema bloc, incluzand blocurile de control, in figura 6.2).In schemaaleasa,tensiunea continuadelapiladecombustie(PEMFC de 28Vcclaunregimnominalde10kW)esteridicatapanalavaloareade48V (V_low_dc) cu ajutorul unui convertor boost neizolat. Bancul de baterii 48V/10kWesteconectatdirectlabusulde48V(V_dcbus),iarfluxuldeputeredinPEMFC catre busulV_low_dc estecontrolatdecatresenzoruldecurentcareofera informatiicontroleruluiaferentconvertoruluiboost[8-12].Tensiuneacontinuade 48Vdelaiesireadinconvertorulboostesteapoitransformataintr-otensiune continuade400Vcuajutorulunuiconvertorcc-cc ridicator,utilizandun transformatordeinaltafrecventa(HF),careasiguratotodataizolatiaelectrica, urmat de o punte redresoare cu diode [13]. RESTRICTIONATPROIECTAREA UNUI SISTEM DE GENERARE A ENERGIEIVI-2C4S15L21 2L51 2S7120 Vac50HzS1240 Vac50 HzS4S31 23 45S11D11 2BatteryC3S12 S13C5Super CapL61 21 23 45NS2D3L41 248VC2S10D5 D422~40VL31 2S14S9S5Fuel CellL1 2S6Vdc 400VS8C1D2120 Vac50HzFigura 6.1. Schema de forta a sistemului EGS de 5kWRESTRICTIONATPROIECTAREA UNUI SISTEM DE GENERARE A ENERGIEIVI-3Figura 6.2. Schema bloc a sistemului EGSRESTRICTIONATPROIECTAREA UNUI SISTEM DE GENERARE A ENERGIEIVI-4ConvertorulridicatorHFpoatefidetipcontratimp,semipuntesaupunte (cu tranzistoare MOS), la puteri mai mari fiind recomandata structura punte.Tensiuneade400 Vde la iesirea convertoruluicc-cc este transformata cu ajutorul unui invertor monofazat cu o structura punte de IGBT-uri, comandat PWM sinusoidal[14],intr-otensiunealtenativa monofazata cuparametrii :120V/240V, 50Hz.LaiesireesteutilizatunfiltruL-Cpentruareduceriplulfndamentaleide curentsitensiune,reducand,deasemenea,sinivelularmonicilor(THDredus). Ultracapacitoarele din sistemul EGS cu pile de combustie se conecteaza la busul de 48Vcc printr-un convertor c.c.-c.c. bidirectional, care functioneaza in modul boost sau buck, in functie de nivelul fluxurilor de putere din sistemul EGS.6.1. PROIECTUL TEHNICIn tabelul6.1 sunt prezentati cativa parametrii esentiali ai sistemului EGS necesaridemarariiproiectariicomponentelordeputere[15,16],cevafifacutain sectiunile urmatoare.Convertor boost neizolatConvertor cc-cc izolatInvertorConvertor bidirectional cc-ccFrecventa de lucru 40 kHz 20 kHz 20 kHz 20 kHzTensiunea de intrare 22 40 V 42 58 V 400 V 48 V Tensiunea de iesire 42-58 V 400 V 120/240 V 48 VTabel 6.1. Parametrii de proiectareIntabelul6.2suntprezentatecomponentedeputerealese,conformlimitelorde curent/tensiune maxime pe fiecare bus cc. si considerand un randament estimat prin calculteoreticsiprinsimulareincapitolulprecedent. Parametriisicostulacestor componente a fost obtinut in urma consultarii cataloagelor de produse [17-19]. Etajul Componente (Notatie) Valori calculate Firma/Tipul alesVpeak (V) 57,6 MOSFET(S1) Irms (A) 214,4APT10M07JVR(100V, 225A, 7mO)Vpeak (V) 57,6 DIODA (D1) Irms (A) 266,2DSEI2x161-12P(1,2kV,2X128A,trr=35ns)Inductanta(uH)50 INDUCTANTA(L1)Irms (A) 272,5MAGNETICS43208 (EI)Capacitate(uF) 3300Convertor boost neizolatCONDENSATORUL(C1) Vpeak (V) 77,7(100V, 3300uF, ESR 0.08O)Vpeak (V) 57,6 MOSFET(S2-S5) Ipeak (A) 275IXFN340N07(70V, 340A, 4mO)Vrms (V) 47,3 TRANSFORMATOR(T1) Irms (A) 389,8MAGNETICS49925 (U)Vpeak (V) 410 DIODA (D2-D5) Ipeak/ IAV (A) 15,6/6,25DESI 30-10A(1kV, 30A, trr=50ns)Inductanta (uH)100Convertorcc-cc izolatINDUCTANTA(L2, L3)Irms (A) 12.45CH270125E (miez toroidal)RESTRICTIONATPROIECTAREA UNUI SISTEM DE GENERARE A ENERGIEIVI-5Capacitate (uF) 3300 CONDENSATOR(C2, C3) Vpeak (V) 210GF2G688M76160(400V,6800uF,ESR 0.04O)Vpeak (V) 420 IGBT(S6~S9) Irms (A) 50MG50Q2YS50 (600V, 50A, VCE(on) = 2.7V)Inductanta (uH)93 INDUCTANTA(L4, L5)Irms (A) 42CH572060E (Toroid)Capacitate (uF) 16InvertorCONDENSATORUL(C4, C5) Vpeak (V) 170(250V, 15uF, ESR 0.04O)Vpeak (V) 140 MOSFET(S10, S11) Irms (A) 77,5APT20M20JFLL(200V, 104A, 20mO)Vrms (V) 58 TRANSFORMATOR(T2) Irms (A) 73,3MAGNETICS49925 (U)Inductanta (uH)40 INDUCTANTA(L6)Irms (A) 113CH572060E (miez toroidal)Vpeak (V) 50 IGBT(S12~S15) Irms (A) 200MG50J2YS50(600V, 50A, VCE(on) = 2.7V)Capacitate (F) 10Convertor bi-directional cc-ccULTRA-CAP(seconecteazaserie-paralel 20 bucati)Vpeak (V) 2,5TS12S-R(10F, 2,5V)Tabel 6.2. Parametrii de catalogCostul estimativ al acestor componente este aratat in urmatorul tabel:Schema din figura 6.1 ComponentaNotatieCantitatea Cost/buc. ($) Cost total(RON)S1 1 10.44 29.75S2-S5 4 14.75 168.15MOSFETS10, S11 2 9.64 54.95D1 1 3.45 9.83 DiodeD2-D5 4 2.57 29.30S6-S9 4 8.45 96.33 IGBTS12-S15 4 2.3 26.22T1 1 24.7 70.40 TransformatoareT2 1 10.94 31.18L1 1 41.8 119.13L2,L3 2 44.5 253.65L4,L5 2 49.81 283.92BobineL6 1 68.7 195.80C1 1 2.85 8.12C2, C3 2 30.63 174.59C4, C5 2 0.16 0.91CondensatoareSuperCap 20 10.4 592.80TOTAL 2145.02RESTRICTIONATPROIECTAREA UNUI SISTEM DE GENERARE A ENERGIEIVI-66.2. PROIECTARE ELECTRICASchemablocasistemuluiEGSalimentatdelapiledecombustieeste prezentatainfigura 6.2.SistemulEGSestecompusdinetajeledeconversie (convertor boost cc-cc neizolat, convertor cc-cc ridicator de tensiune, convertor cc-ca)sicircuitele decontrol aferente. Convertorul bidirectionalultracapacitoarebus V_low_dc este inclus in blocul de stocare a energiei. Atat prin controlul curentului pileidecombustie,darmaialesprincontrolulbus-uluiV_high_dc carerealizeza reactiainversadecontrolaconvertorulcc-ccridicatordetensiune,seobtinperformante dinamice ale sistemului EGS bune.Convertorul ridicator de tensiuneConvertorul ridicator de tensiune este necesar pentru a ridica tensiunea de lacirca 48V (V_low_dc) la o tensiune de 400 V (V_high_dc),stabilizata inbucla de reactie negativa. Topologia aleasa este de tip punte (figura 5.12) in care se poate implementa o tehnica PWM de comanda cu siftarea fazei. Controlul shiftarii fazei poatedeterminacomutatialatensiunezero,reducandpierderilelacomutatiesi crescand eficienta sistemului.Seutilizeazauntransformatordeinaltafrecventapentruapermitecao tensiunejoasa(sub48V)safietransformataindouabusuride200Vcc.Pentru a reduce dimensiunea bobinelor si in acelasi timp pentru a reduce pierderile in miez se pot folosi mai multe transformatoare de inalta frecventa conectate in paralel.Relatia de calcul pentru tensiunea pe inductanta, VL, este urmatoarea: (6.1)De asemenea, factorul de comanda al convertorului ridicator, t=D, este obtinut cu relatia (6.2)In acord cu relatia (6.2), un factor de comanda intre 0,24-0,45 determina o tensiune V_high_dc de 400 Vcc atunci cand tensiunea V_low_dc variaza intre 40-56 V.Componenteledeputerealeacestuiconvertorsuntaleseinfunctiede urmatorii parametrii: - putere de iesire Pdc=5kW;- frecventa de comutatie fs= 25kHz;- tensiune de intrare Vin = 40-56V;- tensiunea de iesire Vdc = 400V;- factorul de transformare al transformatorului Np : Ns = 1:10;Curentul mediu pe busul V_high_dc este (6.3)RESTRICTIONATPROIECTAREA UNUI SISTEM DE GENERARE A ENERGIEIVI-7Bobina de filtrajDaca 0 + =) ( 2 ) ( 1, ne situam in cazul b) de functionare (inca in regim de operare CCM): ( )||.|

\|+ = = = +) ( 1) ( 2) ( 1) ( 2 ) ( 2 ) ( 110nrefpnnrefn p n n LIIarctg tIIt tg t t i In consecinta, daca LT V- I i) n ( PEMFCref L(n)>si ) ( 1 ) ( 2 n nt T t >diagrama de bifurcatie este data de relatiile:( ) ( ) | | ( ) | |) ( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) 1 (exp sin cosn n p n n p ref n Lt T t T I t T I i + =+ ( )( ) | |( ) ( ) ( ) ( ) | |) ( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) ( 1) ( 1 ) ( 1sin cosexpn p ref p n n p n p refn n PEMFC n Ct T I I t T I It T L V v + + =+ RESTRICTIONATPROIECTAREA UNUI SISTEM DE GENERARE A ENERGIEIVI-28Caz c) in figura 6.6 (apare si intervalul t3): daca LT VI i) n ( PEMFCref ) n ( L >si ) ( 1 ) ( 2 n nt T t s , diagrama de bifurcatie este data de relatiile:0) 1 (=+ n Li||.|

\| |.|

\|+ =+loadnn refp n PEMFC n CCRtI I L V v) ( 32) ( 12) ( ) 1 (exp nnde ) ( 2 ) ( 1 ) ( 3 n n nt t T t =PentruailustracomportareahaoticaasistemuluiEGSconsideramconditiile urmatoare de functionare [47]: PEMFC de 10 kW (ncel=60 celule; APEM=600 cm2), uncontrollerCPPcusaufaralegeadelimitare1D,faraESDsicuparametrul variabilIref(IrefcresteliniardelaIN/10la10xIN).Launcurentdereferinta Iref=21.75AconvertorulboostopereazastabilinmodCCM,cuunfactorde umplerealcomenziiPWMegalcucirca0,2inregimstationar.Sistemuldevine instabil la diferite valori ale curentului de referinta, functie de valoarea inductantei bobinei boost (figurile 6.24-6.36). Figura 6.24. Diagrama de bifurcatie pentru EGS cu PCC legea fara limitarea curentului peste prag Vknee (stanga) / respectiv legea 1D (dreapta), faraESD si pentru L=100H si Iref variabilComportareasistemuluiEGS(faraESD)cuPCC(legeafaralimitarea curentului peste prag Vknee) poate fi descrisa cu ajutorul diagramelor de bifurcatie, rezultand concluziile: dacaIrefestemaimicdecatI1A,atuncisistemulEGSopereazain conditii stabile; I1A este in gama 40A60A cand inductanta L a bobinei boost este in gama 1500H100H (tabelul urmator);RESTRICTIONATPROIECTAREA UNUI SISTEM DE GENERARE A ENERGIEIVI-29Figura 6.25. Diagrama de bifurcatie pentru EGS cu PCC legea fara limitarea curentului peste prag Vknee (stanga) / respectiv legea 1D (dreapta), faraESD si pentru L=160H si Iref variabilFigura 6.26. Diagrama de bifurcatie pentru EGS cu PCC legea fara limitarea curentului peste prag Vknee (stanga) / respectiv legea 1D (dreapta), faraESD si pentru L=200H si Iref variabilTabel de valori I1A functie de LL []20 30 40 50 70 80 100 160 200 300 500 750 1000 1500 5000I1A[A]102 90 80 75 75 65 60 61 51 50 45 43 41 40 27RESTRICTIONATPROIECTAREA UNUI SISTEM DE GENERARE A ENERGIEIVI-30 dacaIrefcrestesimaimultaparbifurcaricatrecomportarin-periodice subarmonice;dupaunulpanala5asfelderegimuridefunctionare (numaruldepindedevaloarealuiL),sistemulincepesaoperezein regimhaotic(IrefestemaimaredecatI2A);pentrudiferiteconditii initiale pot apare ferestre de regim n-periodic subarmonic;regimul haotic se mentine pane la I3A= Iref(max)=200A;Figura 6.27. Diagrama de bifurcatie pentru EGS cu PCC legea fara limitarea curentului peste prag Vknee (stanga) / respectiv legea 1D (dreapta), faraESD si pentru L=300H si Iref variabilFigura 6.28. Diagrama de bifurcatie pentru EGS cu PCC legea fara limitarea curentului peste prag Vknee (stanga) / respectiv legea 1D (dreapta), faraESD si pentru L=500H si Iref variabilRESTRICTIONATPROIECTAREA UNUI SISTEM DE GENERARE A ENERGIEIVI-31Figura 6.29. Diagrama de bifurcatie pentru EGS cu PCC legea fara limitarea curentului peste prag Vknee (stanga) / respectiv legea 1D (dreapta), faraESD si pentru L=1000H si Iref variabilComportareasistemuluiEGS(faraESD)cuPCC(legea1D,culimitarea curentului peste prag Vknee) poate fi descrisa cu ajutorul diagramelor de bifurcatie, rezultand concluziile: dacaIrefestemaimicdecatI1B,atuncisistemulEGSopereazain conditii stabile; I1B este in gama 32A60A cand inductanta L a bobinei boost este in gama 1500H100H (tabelul urmator);L []20 30 40 50 70 80 100 160 200 300 500 750 1000 1500 5000I1B[A]102 90 80 75 75 65 60 60 66 87 103 67 33 32 30 daca L este mai mare decat 100 H atunci I1A ~ I1B;; dacaLesteingama1001000H,atunciI1Bdescrestemailentdecat I1A; I2AestemaimaredecatI2B;dacaLestemaimarede1000H,atunci sistemulEGStrecedirectdinregimdefunctionarestabilinregimde operare haotic. Acest aspect poate fi utilizat la transfer energetic maxim la operarea in regim haotic. RegimulhaoticsementinapanalaI3B