Studentská grantová soutěž - předchozí roky

Moderní koncepce polovodičových měničů

SP2014/203

null

prof. Ing. Petr Chlebiš, CSc.
prof. Ing. Petr Palacký, Ph.D.

01. 01. 2014 - 31. 12. 2014

Předmětem projektu je vývoj nových topologií a konstrukčních řešení polovodičových měničů pro speciální aplikace v oblastech elektroenergetiky a elektrických pohonů. Vývoj zahrnuje realizaci prototypu měniče vhodného pro další výrobu a jeho ověření ve vybraných aplikacích s akumulací elektrické energie. V současnosti se stává řešení problematiky akumulace elektrické energie jedním ze základních technologických problémů moderních energetických soustav s decentralizovanou produkcí elektrické energie.[1], [5], [6] Dochází ke stále složitějšímu propojování stejnosměrných akumulačních soustav velkých výkonů různých technologií akumulátorů, různého stáří, s různým stupněm nabití, což přináší řadu problémů. Intenzitu požadavků na akumulaci elektrické energie stupňuje i vzrůstající část instalovaného výkonu získaného z obnovitelných zdrojů. Podobná situace vzniká u moderních soustav elektrických pohonů, ve kterých jsou aktuálně řešeny požadavky spolehlivosti funkce při krátkodobém výpadku napájení, nebo při zvýšených požadavcích na dynamiku pohonu.[2] Návrh projektu výzkumu a vývoje nových topologií výkonových polovodičových systémů pro akumulací elektrické energie a řízení elektrických pohonů vznikl z aktuálních požadavků dynamického řízení toku elektrické energie jak v technice elektrických pohonů, tak v energetice obnovitelných zdrojů. [6] Pro řešení uvedené tématiky vedlo řešitelský tým několik základních skutečností: • využití výzkumného potenciálu řešitelského pracoviště uchazeče pro podporu řešení společensky aktuálního problému v souladu s energetickou koncepcí EU a ČR při snižování emisí a zvyšování podílu obnovitelných zdrojů, [6] • aktivní orientaci výzkumně vývojového potenciálu vysoké školy na výstupy vhodné pro využití v průmyslu s možností podpory vzniku výzkumného týmu mladých výzkumných pracovníků a doktorandů, • vytvoření nového výrobku pro technologie s vícenásobným užitím mezioborového charakteru, • zajištění aplikovatelnosti výsledků projektu na starší, nebo již provozovaná zařízení obnovitelných zdrojů, • vysoký exportní potenciál ověřeného řešení, nebo jeho částí.

Ing. Aleš Havel, Ph.D.
Ing. Aleš Havel, Ph.D.
Ing. Miroslav Uchoč
Ing. Daniel Kalvar
Ing. Josef Opluštil
Ing. Roman Šprlák
Ing. Martin Tvrdoň, Ph.D.
Ing. Martin Borski
Ing. Jiří Špička
Ing. Kateřina Takáčová, Ph.D.
prof. Ing. Petr Chlebiš, CSc.
prof. Ing. Petr Palacký, Ph.D.

V odborné oblasti je projekt zaměřen na návrh systémového řešení řazení velkokapacitních jednotek akumulace s využitím moderních polovodičových komponentů. V oblasti realizace si klade za cíl vývoj nového polovodičového měniče s vysokou účinností a dynamikou pro vysoce dynamické elektrické pohony [2], [3] a vytvoření prototypu měniče pro vybranou aplikaci spolu s návrhem variantních řešení.
Navržený projekt je časově rozložen do pěti etap řešení:
• Provedení rešerší stávajícího stavu, studium parametrů a následný výběr polovodičů a dalších klíčových komponentů, numerické simulace elektrických a tepelných dějů v hlavních součástech soustavy, návrh a dimenzování měniče pro spojování akumulačních jednotek, návrh konstrukčního řešení měniče a hlavních součástí soustavy a nákup hlavních komponentů pro realizaci.
• Realizace a stavba výkonové části měniče, návrh hardware a řídicího software měniče a jeho odladění, funkční a zatěžovací zkoušky měniče.
• Uvedení aplikace do provozu, laboratorní a poloprovozní zkoušky.
• Finální odzkoušení vzorku měniče na systému dvou jednotek akumulace s vyhodnocením jeho vlastností, kompletace dokumentace a projekčních podkladů, vytvoření modulového řešení, případně funkčního vzoru pro akumulaci energie ve stejnosměrných obvodech včetně modifikace řídicího software.
• Publikace výsledků řešení na mezinárodních konferencích a v odborných časopisech
Hlavním cílem projektu je vývoj nového speciálního polovodičového měniče s moderními polovodičovými prvky zajišťujícími vysokou účinnost a dynamiku pro využití v systémech akumulace elektrické energie a elektrických pohonů. Doplňujícím cílem projektu je návrh a vývoj struktur pro akumulaci elektrické energie opírající se o navržený polovodičový měnič, resp. jeho zjednodušené varianty s uplatněním pokrokových technologií polovodičů. Důraz je kladen na mezioborovou využitelnost výsledků projektu v oblasti elektroenergetiky a techniky elektrických pohonů.
Mezi dominantní přínosy projektu patří zefektivnění provozu stacionárních, i mobilních soustav akumulace elektrické energie, stejně jako zvýšení spolehlivosti provozu měničů pohonů s vysokou dynamikou. Přínos projektu lze spatřit i v možnosti dodatečné montáže k již stávajícím zařízením akumulace i měničům pro elektrické pohony. Cíle projektu jsou v souladu s dlouhodobým záměrem Vysoké školy báňské – technické univerzity v Ostravě.
Řešitelský tým se skládá z velmi kvalifikovaných pracovníků Fakulty elektrotechniky a informatiky, kteří mají dlouholeté zkušenosti jak z úspěšného řešení projektů národního i mezinárodního charakteru z oblasti přeměny elektrické energie v polovodičových měničích, její akumulace, návrhu a konstrukce polovodičových měničů i elektromagnetické kompatibility elektrických sítí v návaznosti na využívání polovodičových měničů, tak teoretické znalosti i odborné zkušenosti z řešené problematiky. Velmi významné jsou znalosti a zkušenosti účastníků projektu z praktických realizací průmyslových i trakčních zařízení a jejich prosazení při exportu do zahraničí.
Reference
[1] Akagi, H., Watanabe, E.H., Aredes, M.: Instantaneous Power Theory and Applications to Power Conditioning. Wiley, New Jersey, USA, 2007, ISBN 978-0-470-10761-4.
[2] Boldea I., Nasar S.A.: Electric drives, USA : CRC Press LLC, 1999, ISBN 0-8493-2521-8.
[3] Chlebiš, P.: Polovodičové měniče s měkkým spínáním, VŠB-TU Ostrava, 2004, 148 s., ISBN 80-248-0643-6.
[4] Koch, B., Husain, B.: Smart Electricity. ABB Review, Vol. 1, pp. 6-9, 2010.
[5] Tan, N.M.L., Abe, T., Akagi, H.: Design and Performance of a Bidirectional Isolated DC-DC Converter for a Battery Energy Storage System. IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 27, No. 3, pp. 1237-1248, March 2012.
[6] Naish, Ch., McCubbin, I., Edberg, O., Harfoot, M.: Outlook of Energy Storage Technologies. European Parliament Study, 2007.