Νέα τοπολογία ηλεκτρονικών ισχύος για εφαρμογές σε κυψέλες Υδρογόνου αναστρέψιμης λειτουργίας

Abstract

Η ανάπτυξη αξιόπιστων συστημάτων παραγωγής και αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας απασχολεί εδώ και πολλά χρόνια την επιστημονική κοινότητα. Κατά το παρελθόν έχουν αναπτυχθεί διάφορα τέτοια συστήματα, όπως τα συστήματα αποθήκευσης κινητικής ενέργειας (σφόνδυλοι), τα αντλητικά συστήματα αποθήκευσης νερού και οι συσσωρευτές (μπαταρίες). Μια άλλη, πιο πρόσφατη και γνωστή τεχνική, η οποία προτείνεται στην παρούσα διδακτορική διατριβή, ως συσκευή παραγωγής και αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας είναι οι κυψέλες καυσίμου αναστρέψιμης λειτουργίας. 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 προτεινόμενη 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.

Fuel cells are widely viewed as the technology of the future to replace the existing batteries to generate and/or store electrical power. The advantages of fuel cells include higher power density, they eliminate the charging and recharging problems, higher life time (ten years) and more cost effective than batteries. Moreover, the waste heat generated by the fuel cell can usually be used for cogeneration such as steam, air conditioning, hot air and heating and consequently the overall efficiency of such a system could be increased up to 80%. The Regenerative fuel cell couples an electrolyzer with a hydrogen fuel cell and is capable to operate in two modes: electrical power generation mode, in which hydrogen and oxygen are recombined to produce electrical power and water and regenerative mode, in which electrical energy is consumed and hydrogen and oxygen are produced. In the pasts several possible unidirectional or bi-directional topologies have been proposed, which can be used as front-end dc-dc conditioners in a power generation system 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.