Διερεύνηση λειτουργίας μετατροπέων μείωσης της περιττής επεξεργάσιμης ισχύος (R2P2) για εξοικονόμηση ενέργειας σε μέσα μεταφοράς
Authors: Ζωγόγιαννη-Βέκιτς Χαρούλα 
Published: September 2021

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.