Studentská grantová soutěž - předchozí roky

Obousměrné polovodičové měniče s transformátorovou vazbou pro spojování AC/DC a DC/DC soustav

SP2016/156

Havel Aleš Ing., Ph.D.

prof. Ing. Petr Chlebiš, CSc.

01. 01. 2016 - 31. 12. 2016

Hlavním předmětem projektu je výzkum a vývoj nových topologií obousměrných polovodičových měničů s moderními spínacími prvky, využívajícími pro přenos elektrické energie středofrekvenčního transformátoru poskytujícího galvanické oddělení. Vývoj zahrnuje návrh a realizaci prototypů vybraných topologií polovodičových měničů vhodných jak pro laboratorní ověření v aplikacích s akumulací elektrické energie, tak i pro následnou výrobu. V odborné oblasti je projekt zaměřen na návrh systémového řešení obousměrných polovodičových měničů s transformátorovou vazbou pro spojování AC/DC a DC/DC soustav. Jednou z nevýhod obnovitelných zdrojů elektrické energie je dodávka kolísavého výkonu do elektrických sítí. Právě tato nevýhoda podněcuje vývoj nových technologií pro přenos a akumulaci elektrické energie. Jednou z možných aplikací pro využívání elektrické energie z obnovitelných zdrojů jsou lokální subsystémy, které pracují v ostrovních režimech elektrických sítí. Důležitou součástí těchto energetických subsystémů jsou akumulační jednotky, které slouží k uchovávání elektrické energie, a zároveň k vyvažování kolísavého výkonu, který je dodáván z obnovitelných zdrojů. Akumulační jednotky jsou nezbytné pro zátěže, které požadují vyšší špičkový nebo časově proměnný příkon. Příkladem mohou být nabíjecí stanice pro elektromobily. K řízení toku elektrické energie v lokálních subsystémech jsou potřeba výkonové polovodičové měniče, které zajistí galvanické oddělení elektrických sítí typu AC a DC resp. DC a DC s možností obousměrného toku elektrické energie. Koncepce s galvanickým oddělením výhodně zmenšuje rozměry a hmotnost oddělovacího transformátoru vzhledem k použití vyššího pracovního kmitočtu. Toto řešení je velmi výhodné zvláště pro obnovitelné zdroje elektrické energie. Základem navrhovaného řešení je střídač, na který je připojen středofrekvenční transformátor. Za ním následuje pulzní usměrňovač, filtrační obvod a výstupní střídač. Použití pulzního usměrňovače umožňuje obousměrný tok elektrické energie, což je velmi důležité, obsahuje-li systém akumulátory na stejnosměrné straně. Tyto měničové struktury dosud nejsou typickou součástí výše zmíněných energetických systémů a mají potenciál nalézt široké uplatnění v aplikacích obnovitelných zdrojů elektrické energie, akumulace elektrické energie a energetiky obecně [1], [2] [3], [4]. Návrh projektu výzkumu a vývoje nových topologií výkonových polovodičových měničů s transformátorovou vazbou pro spojování AC/DC a DC/DC soustav vznikl z aktuálních požadavků dynamického řízení toku elektrické energie v energetice obnovitelných zdrojů. Pro řešení uvedené tématiky vedlo řešitelský tým několik základních skutečností: • Využití výzkumného potenciálu řešitelského pracoviště pro řešení společensky aktuálního problému v souladu s energetickou koncepcí EU a ČR při snižování emisí a zvyšování podílu obnovitelných zdrojů. • Aktivní orientace 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 mezioborového charakteru pro technologie s vícenásobným užitím. • Zajištění aplikovatelnosti výsledků projektu na starší, nebo již provozovaná zařízení obnovitelných zdrojů. • Vysoký exportní potenciál ověřeného řešení, nebo jeho částí. Mezi dominantní přínosy projektu patří zefektivnění provozu stacionárních i mobilních soustav akumulace elektrické energie. Přínos projektu lze spatřit i v možnosti dodatečné montáže k již stávajícím zařízením akumulace. 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. Při řešení projektu bude využito výzkumné linie „teorie – simulace – aplikační možnosti – experimentální ověření“. Řešení takto náročných úkolů vyžaduje mezioborový přístup a spojení teoretických a praktických dovedností z oblasti výkonové elektroniky, mikroprocesorového řízení, informačních technologií, matematiky a dalších souvisejících oborů. Význam projektu pro technickou praxi je ve využití poznatků z praktické realizace a v získání experimentálních výsledků z funkčních prototypů. Řešitelský tým bude rovněž zapojen do výzkumných projektů s průmyslovými partnery (Projekt TAČR – CIDAM, Centrum kompetence). Reference: [1] Haifeng, F., Hui, L.: High-Frequency Transformer Isolated Bidirectional DC–DC Converter Modules with High Efficiency over Wide Load Range for 20 kVA Solid-State Transformer. In Power Electronics, IEEE Transactions on, Vol. 26, Issue 12, pp. 3599 – 3608, ISSN 0885-8993. [2] Chlebiš P., Polovodičové měniče s měkkým spínáním, Ostrava: VŠB – TU Ostrava, 2004. [3] 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. [4] Kuzdas J., Disertační práce - Nové koncepce výkonových pulzních měničů s použitím extrémně rychlých spínacích polovodičů na bázi karbidu křemíku, Brno: VUT - Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2014.

Ing. Aleš Havel, Ph.D.
Ing. Martin Borski
Ing. Jiří Špička
Ing. Kateřina Takáčová, Ph.D.
Ing. Vojtěch Kalas
Bc. Marián Ruský
prof. Ing. Petr Chlebiš, CSc.

Projekt navazuje na projekty SGS, které byly řešeny na výzkumném pracovišti Katedry elektroniky v předchozích letech. Hlavním cílem projektu je vývoj nových obousměrných koncepcí polovodičových měničů s moderními polovodičovými prvky s využitím středofrekvenčních oddělovacích transformátorů za účelem dosažení vysoké účinnosti a dynamiky v systémech akumulace elektrické energie.

Dílčí cíle projektu:
C1. Vývoj simulačních modelů topologií výkonových struktur pro využití v systémech akumulace elektrické energie v prostředí Matlab-Simulink a OrCAD-PSpice.
C2. Vývoj řídicích algoritmů pro navržené koncepce polovodičových měničů s ohledem na vysoké spínací kmitočty.
C3. Implementace řídicích algoritmů a aplikačního software v systémech s DSP.
C4. Realizace funkčních vzorků a experimentální činnost v laboratořích řešitelského pracoviště.
C5. Konstrukční návrh prototypů vybraných topologií polovodičových měničů.
C6. Publikace dílčích výsledků na mezinárodních konferencích a v odborných časopisech.

Časový harmonogram řešení:
Doba řešení 1 rok (01/2016 – 12/2016)
Etapa 1. Koncepční řešení
Období 01/2016 - 02/2016 C1, C2
Etapa 2. Simulace výkonových obvodů, vývoj řídicích algoritmů, příprava realizace
Období 02/2016 - 06/2016 C1, C2, C3
Etapa 3. Realizace dílčích částí funkčních prototypů, implementace řídicích algoritmů
Období 04/2016 - 12/2016 C3, C4
Etapa 4. Experimentální činnost v laboratořích, návrh prototypů
Období 02/2016 - 12/2016 C3, C4, C5
Etapa 5. Zpracování a publikace výsledků řešení a tvorba závěrečné zprávy
Období 12/2016 – 01/2017 C5, C6

Očekávané přínosy:
• Zvýšení aktivity ve výzkumné činnosti doktorandů s cílem budoucího zapojení doktorandů do výzkumných projektů ve spolupráci s průmyslovými partnery (Projekt TAČR - Center for Intelligent Drives and Advanced Machine Control – CIDAM, Centrum kompetence).
• Zajištění vhodných podmínek pro výzkumnou činnost doktorandů v nových prostorách.
• Podpora týmové spolupráce starších a začínajících doktorandů na výzkumném tématu.
• Zapojení řešitelského pracoviště do sítě výzkumných pracovišť s podobnou výzkumnou problematikou (FEL ZČU Plzeň, FEKT VUT Brno, FEL ČVUT Praha, Žilinská univerzita v Žilině).
• Publikace ve sbornících konferencí a časopisech indexovaných v databázích Web of Science a Scopus.