Kaksisuuntaisen DC/DC-hakkurin virtasäätö polttokennosovelluksessa
Järvisalo, Heikki (2013)
Diplomityö
Järvisalo, Heikki
2013
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201306144034
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201306144034
Tiivistelmä
Ilmastonmuutos ja fossiilisten polttoaineiden ehtyminen ovat edesauttaneet uusiutuvien energialähteiden tutkimusta huomattavasti. Lisäksi alati kasvava sähköenergian tarve lisää hajautetun sähköntuotannon ja vaihtoehtoisten energialähteiden kiinnostavuutta. Yleisimpiä hajautetun sähköntuotannon energialähteitä ovat tuulivoima, aurinkovoima ja uutena tulokkaana polttokennot.
Polttokennon kytkeminen sähköverkkoon vaatii tehoelektroniikkaa, ja yleensä yksinkertaisessa polttokennosovelluksessa polttokenno kytketään galvaanisesti erottavan yksisuuntaisen DC/DC-hakkurin ja vaihtosuuntaajan kanssa sarjaan. Polttokennon rinnalla voidaan käyttää akkua tasaamaan polttokennon syöttämää jännitettä, jolloin akun ja polttokennon väliin tarvitaan kaksisuuntainen DC/DC-hakkuri, joka pystyy siirtämään energiaa molempiin suuntiin.
Tässä diplomityössä on esitetty kaksisuuntaisen DC/DC-hakkurin tilayhtälökeskiarvoistusmenetelmään perustuva malli sekä mallin perusteella toteutettu virtasäätö. Tutkittava hakkuritopologia on kokosilta-tyyppinen boost-hakkuri, ja säätömenetelmä keskiarvovirtasäätö.
Työn tuloksena syntyi tilayhtälömalli kaksisuuntaiselle FB boost -hakkurille sekä sen tulokelan virran säätämiseen soveltuva säädin. Säädin toimii normaalitilanteissa hyvin, mutta erikoistilanteissa, kuten hakkurin tulojännitteen äkillisessä muutostilanteessa, vaadittaisiin tehokkaampi säädin, jolla saavutettaisiin nopeampi nousuaika ilman ylitystä ja oskillointia. The climate change and exhaustion of fossil energy sources have significantly boosted the research on renewable energy sources. Further, the increasing demand for electric energy raises the interest in distributed generation and alternative power sources. The most common sources for distributed generation are wind power, solar cells and fuel cells as a new entrant in the market.
To connect a fuel cell to the electric grid, power electronics is needed. In a simple fuel cell application, the fuel cell is typically connected in series with a galvanically isolated DC/DC -converter and a grid converter. A battery can be used in parallel with the fuel cell to smooth the output voltage of the fuel cell. In this case, there is a need for a bidirectional DC/DC -converter between the fuel cell and the battery that can transfer energy in both directions.
In this Master’s thesis, a state-space -averaged model of a bidirectional DC/DC -converter and a current control implemented according to the model are presented. The converter topology under study is a full-bridge boost-converter, and the control principle applied is an average current control.
In this thesis, a state-space model of a bidirectional FB boost converter and a controller capable of controlling the input inductor current of the converter was implemented. The controller works well in normal situations, but in special cases, such as in a sudden change in the converters input voltage, there is a need for a more powerful controller that would achieve a faster rise time without overshoot and oscillations.
Polttokennon kytkeminen sähköverkkoon vaatii tehoelektroniikkaa, ja yleensä yksinkertaisessa polttokennosovelluksessa polttokenno kytketään galvaanisesti erottavan yksisuuntaisen DC/DC-hakkurin ja vaihtosuuntaajan kanssa sarjaan. Polttokennon rinnalla voidaan käyttää akkua tasaamaan polttokennon syöttämää jännitettä, jolloin akun ja polttokennon väliin tarvitaan kaksisuuntainen DC/DC-hakkuri, joka pystyy siirtämään energiaa molempiin suuntiin.
Tässä diplomityössä on esitetty kaksisuuntaisen DC/DC-hakkurin tilayhtälökeskiarvoistusmenetelmään perustuva malli sekä mallin perusteella toteutettu virtasäätö. Tutkittava hakkuritopologia on kokosilta-tyyppinen boost-hakkuri, ja säätömenetelmä keskiarvovirtasäätö.
Työn tuloksena syntyi tilayhtälömalli kaksisuuntaiselle FB boost -hakkurille sekä sen tulokelan virran säätämiseen soveltuva säädin. Säädin toimii normaalitilanteissa hyvin, mutta erikoistilanteissa, kuten hakkurin tulojännitteen äkillisessä muutostilanteessa, vaadittaisiin tehokkaampi säädin, jolla saavutettaisiin nopeampi nousuaika ilman ylitystä ja oskillointia.
To connect a fuel cell to the electric grid, power electronics is needed. In a simple fuel cell application, the fuel cell is typically connected in series with a galvanically isolated DC/DC -converter and a grid converter. A battery can be used in parallel with the fuel cell to smooth the output voltage of the fuel cell. In this case, there is a need for a bidirectional DC/DC -converter between the fuel cell and the battery that can transfer energy in both directions.
In this Master’s thesis, a state-space -averaged model of a bidirectional DC/DC -converter and a current control implemented according to the model are presented. The converter topology under study is a full-bridge boost-converter, and the control principle applied is an average current control.
In this thesis, a state-space model of a bidirectional FB boost converter and a controller capable of controlling the input inductor current of the converter was implemented. The controller works well in normal situations, but in special cases, such as in a sudden change in the converters input voltage, there is a need for a more powerful controller that would achieve a faster rise time without overshoot and oscillations.