Surse de energie cu porturi de încărcare bidirecționale și de stocare a energiei

Sursele regenerabile de energie, cum ar fi celulele de combustie, panourile fotovoltaice (PV), sunt utilizate din ce în ce mai mult în automobile, clădiri rezidențiale și comerciale. Pentru sistemele “stand-alone”, sunt necesare dispozitive de stocare a energiei pentru o putere de rezervă și un răspuns dinamic rapid. Un convertor electronic de putere interfațează sursele cu sarcina împreună cu stocarea energiei. Convertoarele existente pentru astfel de aplicații utilizează o legatură comună de curent cotinuu. Sistemele de înaltă frecvență bazate pe legaturi de curent alternative acestea au fost recent explorate datorită avantajelor sale în ceea ce privește reducerea numărului de componente, dimensiunea redusă și controlul centralizat. Un astfel de convertor de frecvență înaltă cu legaturi de curent alternativ este denumit convertor multiport în literatură, la porturile căruia sunt conectate sursele de energie, dispozitivele de stocare a energiei și sarcina. În acest capitol este prezentată o introducere pentru convertorul cu mai multe porturi. [1]

1.1. Convertoare dc-dc cu porturi multiple

1.1.1. Caracteristicile convertorului multi-port

Convertorul multi-port, are mai multe porturi la care pot fi conectate surse sau sarcini, așa cum se arată în Fig.1. Convertorul reglează fluxul de energie dintre surse și sarcini. Toate porturile au capacitatea de flux bidirecțional.

Fig 1. Diagrama bloc a convertorului dc-dc cu mai multe porturi care prezintă

surse "m" și sarcini "n"

Caracteristicile unui convertor multiport sunt:

- debit bi-directional în toate porturile;

- controlul fluxului de putere între porturi ca cerințe de aplicație;

- tensiunile porturilor pot varia între câteva zeci de volți și sute de volți;

- izolarea galvanică între toate porturile;

- toate porturile sunt interfațate prin legături ac, de înaltă frecvență.

1.1.2. Aplicații ale convertorului multi-port dc-dc

Panourile solare de pe acoperiș sunt utilizate pe scară largă pe clădiri rezidențiale și comerciale. De exemplu, Departamentul Energiei (DOE) are inițiativa Solar America Cities pentru a spori utilizarea energiei solare în marile orașe [1]. Stocarea energiei va fi utilizată pentru stocarea excesului de putere și, de asemenea, ca unitate de rezervă pentru a furniza energie echipamentelor vitale. Din motive de cost, stocarea energiei este aplicabilă mai mult în aplicațiile de rețea. Un convertor cu trei porturi cu unul dintre porturile conectate la panoul solar sau convertorul frontal al panoului solar, un alt port conectat la baterie și cel de-al treilea port la sarcină pot fi utilizate pentru o astfel de aplicație. Este, de asemenea, posibil ca utilitatea să folosească stocarea energiei în aceste clădiri pentru a satisface cererile de putere de vârf [2]. Prin urmare, un al patrulea port conectat la utilitate printr-un redresor bidirecțional poate fi adăugat la convertor.

Automobilele cu celule de combustibil sunt considerate o opțiune pentru viitoarele autoturisme cu energie curată [3]. Sursa primară va fi celulele de combustie cu puterea în timpul accelerației și dezaccelerării furnizate de baterii. Celulele de combustie au un răspuns dinamic lent și, prin urmare, stocarea energiei este esențială într-o astfel de aplicație. Bateriile pot fi încărcate de la celulele de combustie și în timpul funcționării frânei regenerative. Convertorul cu trei porturi se potrivește bine în această aplicație pentru vehicule cu celule de combustibil. O sursă de alimentare neîntreruptibilă (UPS) poate fi de asemenea considerată ca un convertor cu trei porturi [4].Convertorul cu trei porturi despre care discutăm are porturi DC.

Dacă un motor sau o sarcină rezidențială necesită curent alternativ, un invertor poate fi conectat la ieșirea portului de încărcare.

Unele aplicații în care poate fi folosit un convertor multi-port sunt enumerate mai jos:

-automobile hibride cu celule de combustibil - Port1: Celule de combustie, Port2: Baterii și / sau ultracapacitoare, Port3: Unitate electrică;

- sisteme de climatizare cu celule de combustie - Port1: Celule de combustie, Port2: Baterii, Port3: Încărcări AC cu invertor trifazat;

- clădiri rezidențiale frigorifice - Port1: Panouri solare sau celule de combustie, Port2: Baterii, Port3: Încărcături rezidențiale;

- clădiri rezidențiale conectate la rețea - Port1: Panouri solare sau celule de combustie, Port2: Baterii, Port3: Utilități și Port4: Încărcături rezidențiale. [2]

1.1.3. Convertor multi-port bazat pe legături AC de înaltă frecvență

Convertorul existent pentru aplicațiile menționate în secțiunea anterioară utilizează o legătură comună de înaltă tensiune DC, așa cum se arată în Fig 2.

Există două etape de conversie, un convertor DC-DC între sursa și magistrala de curent continuu și un convertor DC-DC bidirecțional între baterie și magistrala de curent continuu. Sarcina este conectată la magistrala de curent continuu printr-un invertor. Fiecare dintre convertoarele DC-DC are o etapă de control separată, împreună cu un control centralizat pentru determinarea raportului de partajare a puterii.[4][5]

[1] (2009) Solar America cities. U.S. Departament of Energy.

[2] “Final report on enrgy storage technologies,” U.S. Departament of Energy, Electricity Advisory Committee, Dec. 2008

[3] (2009) Fuel cell vehicles. U.S. Departament of Energy.

[4] C.Zhao and J.W.Kolar, “A novel three-phase three-port ups employing a singal high-frequency isolation transformer,” in Proc. IEEE Power Electric Power Applications.

[5] H. Tao, A. Kotsopulos, J.L. Duarte, “Family of multiport bidirectional dc-dc converters,” IEEE Proceeding in Electric Power Applications.

[6] H. Tao, M. Hendrix, J.L. Duarte, “Three-port triple-half-bridge bidirectional converter with zero-voltage switching, “ IEEE Trans. Power Electron., vol. 23, no. 2.

[7] H. Tao, A. Kotsopulos, J.L. Duarte, “Transformer-coupled multi-port zvs bidirectional dc-dc converter eith wide input range,” IEEE trans. Power Electron.vol. 23, no. 2.