Διερεύνηση λειτουργίας μετατροπέων μείωσης της περιττής επεξεργάσιμης ισχύος (R2P2) για εξοικονόμηση ενέργειας σε μέσα μεταφοράς

Abstract

Due to the reduction of energy resources from fossil fuels, energy-saving methods for meansof transport are constantly being sought. In particular, the need for energy savings is imperative in the maritime, due to the slow evolution of all electric ships and the mandatory compliance with regulations on emission reduction. One of the saving methods can be a waste heat recovery system (WHRS), where the thermal energy of fuels is converter to electrical energy via thermoelectric generators (TEGs). The produced electrical power can be supplied to the ship electrical grid, thus increasing its efficiency and reducing its environmental footprint.The main purpose of this PhD dissertation is to study such a system. In particular, the appropriate power electronics boost converters are sought to adjust the voltage level of the TEGs to the voltage level of the interconnection bus, since the TEGs produce a relatively low voltage. For this purpose, a family of converters which are formed on the concept reduced redundant power processing (R2P2) is investigated. In addition to this, an appropriate control strategy is required to regulate the injection of the power generated by the TEGs to the ship grid. Initially, various cases of connections and configurations of the non-isolated R2P2 convertersare investigated. Consequently, the investigation focuses on the R2P2 converters, which include as internal converters the non-isolated classical topologies, namely the Buck, Boost and Buck- Boost converters. Based on these cases, a method of classifying all the implementable topologies is proposed. As a next step, the theoretical relations of voltage gain and efficiency of the R2P2 implementable topologies are derived, based on the electrical characteristics (voltage gain andefficiency) of the individual converters that they consist of. These relationships apply to alloperating areas of an R2P2 converter. In addition, the R2P2 topologies are compared in terms of their voltage gain and efficiency, so that a combination (or combinations) that are suitable for a given application can be selected. Furthermore, the existence of four operating areas in the family of R2P2 converters is presented. In order to show this, the operation of the R2P2 I-IIA Buck-Boost + / Boost- is analyzed. This converter is chosen because it experiences one of the highest voltage gains among all R2P2 configurations. Theoretical relations for all four operating areas of the selected converter are formed, based on the equations which describe the operation of its individual converters. In this way, it is proven that the general relations which were formed for an R2P2 topology can be applied to all of its operating areas. This analysis can be extended in all R2P2 converters. In addition to the theoretical analysis, it is proven through experimental results that the R2P2 I-IIA Buck-Boost+/Boost- has low efficiency, so it is eventually considered unsuitable for high voltage gain high power applications. Then, the optimization of the efficiency of the R2P2 converters is examined. After developinga loss model for the individual inverters, an optimization algorithm is employed to find the combination of their voltage gains, with which the optimum overall efficiency is achieved. This method is applied to the R2P2 I-IIB Buck-Boost + / Boost + converter. This converter is chosen, because it experiences the optimum combination of high voltage gain and high efficiency, so it is considered the most suitable for the proposed WHRS. Moreover, the effect of the parasitic elements on the voltage gain of R2P2 converters is investigated. This analysis is conducted in the selected R2P2 I-IIB Buck-Boost + / Boost +converter for ideal and non-ideal elements, presenting detailed relations of its voltage gain for both of its operational areas. Finally, a waste heat recovery system for a ship with DC bus is proposed, analyzed and simulated. The proposed system includes the thermoelectric generators and the selected I-IIBBuck-Boost + / Boost + converter. The behavior of the system under various operating conditions is studied. Furthermore, an algorithm that forces the TEGs to produce specific power according to one reference is proposed. This algorithm includes both a maximum power point tracking operation, but also the operation of the TEGs in different operating points, where the power is not necessarily maximized. This method allows the WHRS to fully correspond to the demand of any local loads connected to the DC bus. Also, the proposed control strategy can be extended to AC systems with fault ride through capability, where simultaneous control of active and reactive power is needed.

Λόγω της μείωσης των ενεργειακών πόρων από ορυκτά καύσιμα, αναζητούνται συνεχώς μέθοδοι εξοικονόμησης ενέργειας για τα μέσα μεταφοράς. Ειδικότερα, στα πλωτά μέσα, η ανάγκη για εξοικονόμηση είναι επιτακτική, λόγω της βραδείας εξέλιξης του πλήρους εξηλεκτρισμού τους και της υποχρεωτικής συμμόρφωσης σε κανονισμούς που αφορούν τη μείωση των εκπομπών ρύπων. Μία από τις μεθόδους εξοικονόμησης αποτελεί ένα σύστημα ανάκτησης της θερμικής ενέργειας των καυσαερίων (waste heat recovery system -WHRS) και της μετατροπής της σε ηλεκτρική με τη χρήση θερμοηλεκτρικών μονάδων (thermoelectric generators- TEGs). Η παραγόμενη ισχύς μπορεί να διοχετευθεί στο σύστημα παροχής του πλοίου, αυξάνοντας το βαθμό απόδοσής του και μειώνοντας το περιβαλλοντικό του αποτύπωμα.Βασικός σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη ενός τέτοιου συστήματος. Πιο συγκεκριμένα, αναζητούνται οι κατάλληλοι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος τύπου ανύψωσης τάσης προκειμένου να προσαρμοστεί το επίπεδο τάσης των TEGs στο επίπεδο τάσης του ζυγού διασύνδεσης, δεδομένου ότι οι TEGs παράγουν σχετικά χαμηλή τάση. Για το σκοπό αυτό, μελετάται μια οικογένεια μετατροπέων που σχηματίζονται βάσει της λογικής της μείωσης της περιττής επεξεργάσιμης ισχύος (reduced redundant power processing- R2P2). Επιπρόσθετα, αναζητείται και μία κατάλληλη στρατηγική ελέγχου προκειμένου να ρυθμίζεται η διοχέτευση της παραγόμενης ισχύος από τις TEGs στο δίκτυο του πλοίου.Αρχικά, διερευνώνται διάφορες περιπτώσεις συνδέσεων και διαμορφώσεων των επιμέρους μετατροπέων που αποτελούν τους μη-απομονωμένους μετατροπείς R2P2. Συνεπώς, η διερεύνηση αφορά μετατροπείς R2P2, οι οποίοι συμπεριλαμβάνουν ως εσωτερικούς μετατροπείς χωρίς απομόνωση τις τρεις κλασσικές τοπολογίες μετατροπέων συνεχούς τάσης σε συνεχή τάση, δηλαδή τους μετατροπείς Buck, Boost και Buck-Boost. Με βάση αυτές τις περιπτώσεις, προτείνεται ένα σύνολο κανόνων για την εύρεση όλων των υλοποιήσιμων/εφικτών τοπολογιών.Σε επόμενο βήμα, εξάγονται θεωρητικές σχέσεις του κέρδους τάσης και της απόδοσης των υλοποιήσιμων διαμορφώσεων/τοπολογιών R2P2, με βάση τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά (κέρδος τάσης και απόδοση) των επιμέρους μετατροπέων που τις αποτελούν. Οι σχέσεις αυτές ισχύουν για όλες τις περιοχές λειτουργίας ενός μετατροπέα R2P2. Επιπλέον, μέσω αυτών των σχέσεων, οι τοπολογίες R2P2 είναι δυνατόν να συγκριθούν ως προς το λόγο ανύψωσης τάσης και το βαθμό απόδοσής τους, ώστε να επιλέγεται κάθε φορά ο συνδυασμός (ή οι συνδυασμοί) που είναι κατάλληλοι για μια δεδομένη εφαρμογή.Κατόπιν, αναδεικνύεται η ύπαρξη τεσσάρων περιοχών λειτουργίας στην οικογένεια των μετατροπέων R2P2. Αναλύεται η λειτουργία του μετατροπέα R2P2 I-IIA Buck-Boost+/Boost-, ο οποίος εμφανίζει ένα από τα υψηλότερα κέρδη τάσης μεταξύ όλων των διαμορφώσεων R2P2. Εξάγονται θεωρητικές σχέσεις και για τις τέσσερεις περιοχές λειτουργίας του, με βάση τις εξισώσεις που διέπουν τη λειτουργία των επιμέρους μετατροπέων που τον αποτελούν. Με αυτόν τον τρόπο, αποδεικνύεται ότι οι γενικές σχέσεις που εξάγονται για μια τοπολογία R2P2 ισχύουν για όλες τις περιοχές λειτουργίας της. Η ανάλυση αυτή μπορεί να επεκταθεί σε όλους τους μετατροπείς R2P2. Επιπρόσθετα, αποδεικνύεται ότι ο μετατροπέας R2P2 I-IIA Buck-Boost + / Boost-, παρά το υψηλό κέρδος τάσης του, εντούτοις παρουσιάζει χαμηλή απόδοση, συνεπώς κρίνεται τελικά ακατάλληλος για εφαρμογές υψηλού λόγου ανύψωσης τάσης και υψηλής ισχύος. Κατόπιν, εξετάζεται η δυνατότητα βελτιστοποίησης της απόδοσης των τοπολογιών R2P2.Αφού αναπτυχθεί ένα μοντέλο απωλειών για τους επιμέρους μετατροπείς, εφαρμόζεται ένας αλγόριθμος βελτιστοποίησης, ώστε να ευρεθεί ο συνδυασμός των λόγων ανύψωσης τάσης των επιμέρους μετατροπέων μέσω του οποίου επιτυγχάνεται η βέλτιστη απόδοση. Η μεθοδολογία αυτή εφαρμόζεται στο μετατροπέα R2P2 I-IIB Buck-Boost+/Boost+ (χωρίς να μειώνεται η γενικότητά της), ο οποίος χαρακτηρίζεται από το βέλτιστο συνδυασμό υψηλού λόγου ανύψωσης τάσης και υψηλής απόδοσης και συνεπώς κρίνεται ο καταλληλότερος για το προτεινόμενο WHRS. Έπειτα, διερευνάται η επίδραση της μη ιδανικότητας των στοιχείων στο κέρδoς τάσης των μετατροπέων R2P2. Η ανάλυση αυτή διεξάγεται για το μετατροπέα R2P2 I-IIB Buck-Boost+/Boost+ για ιδανικά και μη ιδανικά στοιχεία, εξάγοντας αναλυτικές σχέσεις του κέρδους τάσης του και για τις δύο περιοχές λειτουργίας του.Τέλος, προτείνεται, αναλύεται, και προσομοιώνεται ένα σύστημα εξοικονόμησης ενέργειας για εφαρμογή σε πλοίο με DC ζυγό. Το προτεινόμενο σύστημα περιλαμβάνει θερμοηλεκτρικές γεννήτριες και τον επιλεγμένο μετατροπέα R2P2 I-IIB Buck-Boost+/Boost+ και διερευνάται η συμπεριφορά του υπό διάφορες συνθήκες λειτουργίας. Στα πλαίσια αυτού του συστήματος,προτείνεται ένας αλγόριθμος προσδιορισμού της ισχύος που απομαστεύεται από τις θερμοηλεκτρικές γεννήτριες. Ο αλγόριθμος αυτός καλύπτει τόσο την περίπτωση μέγιστης απομάστευσης ισχύος, όσο και τη λειτουργία αυτών σε σημείο διάφορο του μεγίστου, ώστε η παραγωγή ενέργειας να ανταποκρίνεται πλήρως κάθε φορά στις απαιτήσεις των εκάστοτε φορτίων που είναι συνδεμένα στο DC ζυγό ενός μέσου μεταφοράς. Η προτεινόμενη στρατηγική ελέγχου μπορεί να επεκταθεί και σε AC συστήματα με ικανότητα αδιάλειπτης παροχής ενέργειας κατά τη διάρκεια βύθισης τάσης του δικτύου (fault ride through capability), όπου απαιτείται ταυτόχρονος έλεγχος της ενεργού και αέργου ισχύος.