Inverter sizing principles and selectivity analysis for a high-powered energy storage system
Huttunen, Matias (2019)
Huttunen, Matias
2019
Kaikki oikeudet pidätetään
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-201903293995
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-201903293995
Tiivistelmä
Risteilyalusten sähkönkulutus lisääntyy jatkuvasti samalla, kun maailmalla pyritään ympäristöystävällisempään suuntaan. Laivan generaattoreilla vastataan vaihtelevaan kuormitukseen muuttamalla koneiden säätöä. Kuormituspiikkeihin voidaan kuitenkin vastata suuritehoisella akustolla, jota ladattaisiin silloin, kun tehontarve on pienempi. Akustoa käytettäisiin myös satama-alueilla, joissa varustamo saa vähennettyä pääkoneista aiheutuvia päästöjä saaden itselleen ympäristöystävällisemmän imagon.
Paras vaihtoehto akustoteknologialle on litium-ioni akku, jonka energiatiheys ja elinikä ovat parempia kuin lyijyakuilla. Akusto liitettäisiin valvontajärjestelmään, joka valvoo akun kuntoa ja lataustasoa. Akusto vaatii vaihtosuuntaajan, jonka avulla se liitetään laivan vaihtosähköverkkoon. Tämän opinnäytetyön tarkoituksena oli tutustua suuntaajien mitoitusperiaatteisiin ja tuoda esille huomioon otettavat asiat niitä mitoitettaessa.
Vaihtosuuntaaja sisältää puolijohdekytkiminä toimivia komponentteja, joiden hilaohjauksen avulla muunnetaan tasasähkö sinimuotoiseksi vaihtosähköksi. Suuritehoisten suuntaajien tehoelektroniikan komponentteina voidaan käyttää tyristoreita, GTO-tyristoreita (Gate Turn-Off) tai IGBT-transistoreita (Insulated Gate Bipolar Transistor). Vaihtosuuntaajia ja sen komponentteja suojataan katkaisijoiden releiden lisäksi RC-suojilla ja varistoreilla varustetuilla ylijännitesuojilla.
Akuston oikosulkuvirran syöttökyky on huono. Akusto syöttää 200-kertaisesti kymmenen tunnin purkausvirtaa oikosulkuvirtana tasasähköpuolella, joka on keskijännitekiskostossa hyvin pieni oikosulkuvirta ja koituu selektiivisyydelle ongelmaksi. Akuston nimellisvirta on työssä pienempi kuin hotellijakelun nimellisvirta, jolloin suojareleiden virtaporrastusta ei saada selektiiviseksi. Selektiivisyyden saavuttamiseksi ainoa vaihtoehto on suojien laukaisuaikojen porrastus. Porrastukseen vaihtoehtoja ovat joko releiden aikaporrastus tai lukitussuojaus. Lukitussuojaus vaatii erilliset moduulit jokaiselle katkaisijalle, jotka keskustelevat toisiensa kanssa väylän välityksellä. Vyöhykeselektiivinen toiminta aukaisee aina lähimpänä vikaa olevan katkaisijan, jättäen muun verkon toimintaan.
Yksittäinen energiavaraston hankinta voi koitua kuitenkin kalliiksi, varsinkin jos toimintaa ei ole testattu riittävästi laivaverkossa. Asennettuja järjestelmiä löytyy kuitenkin jo paljon pohjoismaisista pienistä autolautoista, mutta todellisia kustannuksia on vaikea arvioida. Energiavarasto kuitenkin voisi olla varteenotettava kehitysaskel kohti energiatehokkaampia laivoja.
Paras vaihtoehto akustoteknologialle on litium-ioni akku, jonka energiatiheys ja elinikä ovat parempia kuin lyijyakuilla. Akusto liitettäisiin valvontajärjestelmään, joka valvoo akun kuntoa ja lataustasoa. Akusto vaatii vaihtosuuntaajan, jonka avulla se liitetään laivan vaihtosähköverkkoon. Tämän opinnäytetyön tarkoituksena oli tutustua suuntaajien mitoitusperiaatteisiin ja tuoda esille huomioon otettavat asiat niitä mitoitettaessa.
Vaihtosuuntaaja sisältää puolijohdekytkiminä toimivia komponentteja, joiden hilaohjauksen avulla muunnetaan tasasähkö sinimuotoiseksi vaihtosähköksi. Suuritehoisten suuntaajien tehoelektroniikan komponentteina voidaan käyttää tyristoreita, GTO-tyristoreita (Gate Turn-Off) tai IGBT-transistoreita (Insulated Gate Bipolar Transistor). Vaihtosuuntaajia ja sen komponentteja suojataan katkaisijoiden releiden lisäksi RC-suojilla ja varistoreilla varustetuilla ylijännitesuojilla.
Akuston oikosulkuvirran syöttökyky on huono. Akusto syöttää 200-kertaisesti kymmenen tunnin purkausvirtaa oikosulkuvirtana tasasähköpuolella, joka on keskijännitekiskostossa hyvin pieni oikosulkuvirta ja koituu selektiivisyydelle ongelmaksi. Akuston nimellisvirta on työssä pienempi kuin hotellijakelun nimellisvirta, jolloin suojareleiden virtaporrastusta ei saada selektiiviseksi. Selektiivisyyden saavuttamiseksi ainoa vaihtoehto on suojien laukaisuaikojen porrastus. Porrastukseen vaihtoehtoja ovat joko releiden aikaporrastus tai lukitussuojaus. Lukitussuojaus vaatii erilliset moduulit jokaiselle katkaisijalle, jotka keskustelevat toisiensa kanssa väylän välityksellä. Vyöhykeselektiivinen toiminta aukaisee aina lähimpänä vikaa olevan katkaisijan, jättäen muun verkon toimintaan.
Yksittäinen energiavaraston hankinta voi koitua kuitenkin kalliiksi, varsinkin jos toimintaa ei ole testattu riittävästi laivaverkossa. Asennettuja järjestelmiä löytyy kuitenkin jo paljon pohjoismaisista pienistä autolautoista, mutta todellisia kustannuksia on vaikea arvioida. Energiavarasto kuitenkin voisi olla varteenotettava kehitysaskel kohti energiatehokkaampia laivoja.