Ολοκληρωμένο σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας για εξηλεκτρισμένα μέσα μεταφοράς
Authors: Αποστολίδου Παρθένα 
Published: February 2023

H επιτάχυνση της προόδου στον τομέα των εξηλεκτρισμένων μέσων μαζικής μεταφοράς (ΕΜΜΜ), βασίζεται κυρίως στην ανάπτυξη συστημάτων παραγωγής και διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας του οχήματος (ηλεκτρικό μικροδίκτυο του οχήματος), με βελτιωμένα χαρακτηριστικά και δυνατότητες, που μοιάζουν όλο και πιο πολύ με τα αντίστοιχα των επίγειων συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας (από την άποψη της δομής και των μονάδων που περιλαμβάνουν). Τόσο στα ήδη υπάρχοντα ΕΜΜΜ, όσο και σε αυτά που κατασκευάζονται, πρέπει να ενσωματώνονται όσο το δυνατόν περισσότερες μέθοδοι εξοικονόμησης, μονάδες αποθήκευσης ενέργειας και κατάλληλα συστήματα διαχείρισης της ενέργειας, που αποτελούν προϋπόθεση για την υψηλή αξιοπιστία και απόδοσή τους.Το ζήτημα το οποίο πραγματεύεται η παρούσα διδακτορική διατριβή είναι ο βέλτιστος σχεδιασμός ηλεκτρονικών διατάξεων ισχύος και η ανάπτυξη κατάλληλων μικροδικτυακών δομών για την παραγωγή/ανάκτηση και διαχείριση της ηλεκτρικής ενέργειας στα ΕΜΜΜ. Συγκεκριμένα, η μελέτη εστιάζεται στην ενσωμάτωση τοπολογιών με βελτιωμένη αποδοτικότητα, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στην αξιοποίηση και ενσωμάτωση διεσπαρμένων μονάδων αποθήκευσης ενέργειας, οι οποίες συνδέονται στο μικροδίκτυο του οχήματος με καινοτόμες διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος και βελτιωμένα σχήματα ελέγχου. Οι μονάδες αυτές είναι ικανές να παρέχουν επικουρικές υπηρεσίες, όπως η υποστήριξη του μικροδικτύου του οχήματος σε περιπτώσεις σφαλμάτων ή/και η εξυπηρέτηση των αναγκών του συστήματος σε ηλεκτρική ενέργεια κατά τις μεταβατικές καταστάσεις λειτουργίας (αντισταθμίζοντας τις αιχμές ισχύος και τις βυθίσεις τάσης που μπορούν να εμφανιστούν), διασφαλίζοντας έτσι την αξιοπιστία του μικροδικτύου και την ποιότητα της ηλεκτρικής ισχύος στα ΕΜΜΜ.Σε αυτό το πλαίσιο, αρχικά διερευνήθηκε η τρέχουσα τεχνολογική στάθμη που αφορά σε σχήματα εξοικονόμησης ενέργειας στα επίγεια πλήρως ΕΜΜΜ, καθώς και το υφιστάμενο επίπεδο εξηλεκτρισμού (υπό το πρίσμα της παραγωγής και της αξιοποίησης αποκλειστικά ηλεκτρικής ενέργειας τόσο για την πρόωση όσο και για τις υπόλοιπες λειτουργίες ενός οχήματος) των εναέριων και πλωτών μέσων μαζικής μεταφοράς (ΜΜΜ).Όσον αφορά τα επίγεια ΜΜΜ, η μελέτη εστιάστηκε στην περίπτωση των ηλεκτροκίνητων λεωφορείων σταθερής τροχιάς (τρόλεϋ) και συγκεκριμένα στον στόλο Αθηνών-Πειραιώς, όπου (αξιοποιώντας τα διαθέσιμα δεδομένα από την ιδιοκτήτρια εταιρεία Ο.Σ.Υ. Α.Ε.) διερευνήθηκε η δυνατότητα εφαρμογής ενός σχήματος δυναμικής ανάκτησης της κινητικής ενέργειας κατά την επιβράδυνση ή την κίνηση του οχήματος σε κατωφέρειες (αναγεννητική πέδηση). Παρότι διαπιστώθηκε σημαντικό περιθώριο εξοικονόμησης ηλεκτρικής ενέργειας κατά τη λειτουργία του τρόλεϋ (έως και 24% στις συνολικής ημερησίας καταναλισκόμενης ενέργειας), το ηλεκτρικό δίκτυο τροφοδοσίας των εν λόγω οχημάτων δεν υποστηρίζει την ανάκτηση ενέργειας (λόγω του εγκατεστημένου ηλεκτρικού εξοπλισμού που επιβάλλει τη μονοκατευθυντήρια ροή της ενέργειας από το εναέριο δίκτυο στο τρόλεϋ). Για τον λόγο αυτόν, μελετήθηκε ένα βελτιωμένο σχήμα (χωρίς τη χρήση αισθητηρίων θέσης/ταχύτητας) που αφορά στην εφαρμογή αναγεννητικής πέδησης στις τριφασικές ασύγχρονες (επαγωγικές) ηλεκτρικές μηχανές που χρησιμοποιούν τα τρόλεϋ Αθηνών-Πειραιώς και προτάθηκε η ενσωμάτωση (επί του οχήματος) ενός υβριδικού συστήματος αμφίδρομης ροής ενέργειας, με δυνατότητα αποθήκευσης και επανατροφοδότησης της ενέργειας που ανακτάται. Βασικό χαρακτηριστικό του προτεινόμενου συστήματος αποτελεί η δυνατότητα ενσωμάτωσης ηλεκτρολογικού εξοπλισμού (μονάδες υπερπυκνωτών και συσσωρευτών, με κατάλληλα χαρακτηριστικά λειτουργίας – π.χ., χωρητικότητα, χρόνος εκφόρτισης) που υποστηρίζει την ανάπτυξη κατάλληλων στρατηγικών ελέγχου για τη βέλτιστη ενεργειακή διαχείριση στα εν λόγω οχήματα.Το σημαντικότερο τμήμα της παρούσας διατριβής αποτελεί το ζήτημα του βέλτιστου σχεδιασμού των συστημάτων παραγωγής ενέργειας στα σύγχρονα μικροδίκτυα των εξηλεκτρισμένων αεροσκαφών νέου τύπου (MEA). Στο πλαίσιο αυτό, πραγματοποιήθηκε – αρχικά – η βιβλιογραφική ανασκόπηση τόσο των συμβατικών, όσο και των προηγμένων συστημάτων που προτείνονται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στα ΜΕΑ, από τη σκοπιά των ηλεκτρικών γεννητριών που χρησιμοποιούνται και των ηλεκτρονικών διατάξεων ισχύος που τις οδηγούν, με σκοπό την ανάδειξη των βέλτιστων τοπολογιών. Η μελέτη επικεντρώθηκε στα προηγμένα σχήματα παραγωγής ενέργειας στο μικροδίκτυο υψηλής ΣΤ ( 270 V, 540 V) του MEA, που περιλαμβάνουν τη μηχανή μαγνητικής αντίστασης διακοπτικής διέγερσης (SRM)˙ η τελευταία αποτελεί μία από τις επικρατέστερες ηλεκτρικές μηχανές που προτείνονται για τα συστήματα υψηλής ισχύος των MEA, και ιδιαίτερα για την εφαρμογή του εκκινητή/γεννήτριας (starter/generator, S/G). Στο πλαίσιο αυτό, η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώθηκε στην τρέχουσα τεχνολογική στάθμη που αφορά στις τοπολογίες και τα σχήματα ελέγχου της SRM για την παραγωγή ενέργειας στα μικροδίκτυα ΣΤ των MEA, αναδεικνύοντας τις δυνατότητες και τις προοπτικές των εν λόγω διατάξεων. Η έρευνα που διεξήχθη στο εν λόγω πεδίο οδήγησε στην επινόηση/ανάπτυξη μίας ολοκληρωμένης πρωτότυπης διάταξης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στο μικροδίκτυο υψηλής ΣΤ ( 270 V, 540 V) του MEA, που περιλαμβάνει το σύστημα της ηλεκτρικής μηχανής (συγκεκριμένα της SRM) και της μονάδας οδήγησής της (βαθμίδα ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος). Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό αυτού του σχήματος είναι η ενσωμάτωση ενός ενεργού φίλτρου σειράς ως βαθμίδα οδήγησης της SRM, με σκοπό τον άμεσο έλεγχο της ενέργειας που παράγει. Η μελέτη στηρίζεται στη μαθηματική μοντελοποίηση του προτεινόμενου συστήματος, καθώς και σε προσομοιώσεις με κατάλληλο λογισμικό πακέτο (MATLAB/Simulink). Τα πλεονεκτήματα του προτεινόμενου σχήματος οδήγησης SRM έναντι των υφιστάμενων (αντιπροσωπευτικών) σχημάτων που απαντώνται στη διεθνή βιβλιογραφία, όσον αφορά τις εφαρμογές υψηλής ισχύος και ταχύτητας περιστροφής των συστημάτων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στα εξηλεκτρισμένα αεροσκάφη, εντοπίζονται στην αποδοτική λειτουργία σε διαρκώς μεταβαλλόμενα/πολλαπλά σημεία λειτουργίας, στην εγγενή ικανότητα αδιάλειπτης λειτουργίας υπό παροδικά σφάλματα (FRTC), στη χαμηλή πολυπλοκότητα του ελέγχου και στην υψηλή αξιοπιστία του ηλεκτρικού εξοπλισμού της προτεινόμενης τοπολογίας.Το επόμενο βήμα της μελέτης αποτέλεσε η ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου συστήματος οδήγησης της SRM ως εκκινητής/γεννήτρια (starter/generator, S/G), με την αξιοποίηση του προτεινόμενου ενεργού φίλτρου σειράς, που αποτελεί μία κρίσιμη εφαρμογή των συστημάτων παραγωγής ενέργειας των MEA. Στο πλαίσιο αυτό, σχεδιάστηκε κατάλληλα και προτάθηκε ο αλγόριθμος ελέγχου της μηχανής αρχικά ως κινητήρας (για την εκκίνηση της κύριας μηχανής εσωτερικής καύσης του αεροσκάφους) και στη συνέχεια ως γεννήτρια (για την παραγωγή ενέργειας). Παράλληλα, προτάθηκε η ενσωμάτωση κατάλληλης μονάδας αποθήκευσης ενέργειας στην τοπολογία της SRM, προκειμένου να επιτυγχάνεται η αξιόπιστη εκκίνηση της μηχανής αλλά και η βέλτιστη αξιοποίηση της παραγόμενης ισχύος, υπό διάφορες συνθήκες λειτουργίας, σύμφωνα με τις προδιαγραφές των σύγχρονων μικροδικτύων των MEA. Το προτεινόμενο σχήμα ελέγχου εξυπηρετεί τόσο τις δύο διακριτές λειτουργίες της μηχανής (κινητήρας και γεννήτρια), όσο και την ομαλή μετάβαση από τη μία λειτουργία στην άλλη (από κινητήρας σε γεννήτρια και το αντίστροφο). Το τελευταίο χαρακτηριστικό είναι βαρύνουσας σημασίας για τη λειτουργία των αεροσκαφών, καθώς προσδίδει τη δυνατότητα επανεκκίνησης της κύριας μηχανής πρόωσης (αεριοστρόβιλος) εν ώρα πτήσης (για παράδειγμα σε περίπτωση παροδικού σφάλματος). Επιπρόσθετα, η προτεινόμενη μονάδα αποθήκευσης ενέργειας προσδίδει επιπλέον βαθμούς ελευθερίας στη σχεδίαση των παραμέτρων της μονάδας οδήγησης της SRM.Αξίζει να σημειωθεί ότι τα αναπτυχθέντα μοντέλα που προτείνονται επιβεβαιώνονται και μέσω δοκιμών του ελέγχου με τη χρήση ψηφιακού προσομοιωτή πραγματικού χρόνου και εξωτερικού μικροελεγκτή. Συγκεκριμένα, ο σχεδιασμός του αλγορίθμου ελέγχου υλοποιείται στον εξωτερικό μικροελεγκτή (dsPIC30F4011, Microchip) ενώ η ηλεκτρονική διάταξη ισχύος προσομοιώνονται στην πλατφόρμα του ψηφιακού προσομοιωτή πραγματικού χρόνου (MicroLabBox 1202, dSPACE). Η επικοινωνία μεταξύ των δύο συστημάτων επιτυγχάνεται μέσω αναλογικών και ψηφιακών σημάτων. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων σε περιβάλλον MATLAB/Simulink καθώς και οι δοκιμές σε πραγματικό χρόνο, επιβεβαίωσαν ότι η προτεινόμενη μέθοδος άμεσου ελέγχου/διαχείρισης της παραγόμενης ενέργειας από την SRM μπορεί να αυξήσει την αξιοπιστία και να μειώσει το υπολογιστικό φορτίο, συμβάλλοντας στην υψηλή αξιοπιστία της μηχανής ως S/G στα εξηλεκτρισμένα αεροσκάφη.Επιπρόσθετα, στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αναπτύχθηκε κατάλληλη τοπολογία μετατροπέα, η οποία εξυπηρετεί τη διασύνδεση μονάδων παραγωγής/αποθήκευσης ενέργειας σε ζυγό ΣΤ ή/και τη διασύνδεση ζυγών ΣΤ διαφορετικού επιπέδου τάσης (εφαρμογή σε μικροδίκτυα ΣΤ), υπό υψηλό λόγο μετατροπής τάσης. Η τοπολογία αποτελείται από έναν πολυεπίπεδο μετατροπέα ΣΤ/ΣΤ – χωρίς μετασχηματιστή (Μ/Σ) απομόνωσης – τύπου μεταβλητής τοπολογίας πυκνωτών (switched capacitor-type), σε συνδυασμό με έναν μετατροπέα ανύψωσης τάσης (συνδέεται στην είσοδο του πολυεπίπεδου μετατροπέα). Το βασικό πλεονέκτημα της εν λόγω τοπολογίας είναι ότι έχει αυξημένη δυνατότητα αδιάλειπτης λειτουργίας υπό παροδικά σφάλματα, χάρις στην εν σειρά σύνδεση του μετατροπέα ΣΤ/ΣΤ με το μικροδίκτυο στο οποίο ενσωματώνεται˙ έτσι, εξασφαλίζεται η ικανότητα παροχής ενέργειας, ιδίως σε κρίσιμα φορτία του συστήματος, το οποίο αποτελεί σημαντική απαίτηση στα σύγχρονα μικροδίκτυα των ΕΜΜΜ. Η θεωρητική ανάλυση της τοπολογίας επιβεβαιώθηκε μέσω προσομοιώσεων και μέσω δοκιμών σε πραγματικό χρόνο (CHIL).