Hybrydowa sieć zasilania stacji ładowania baterii przemysłowych autonomicznych maszyn i pojazdów elektrycznych (część 2.)

Zastosowanie prostownika diodowego, którego napięcie jest zadawane falownikiem MSI (ang. PWM) przekształtnika napędowego, jest rozwiązaniem możliwym do zastosowania w warunkach przemysłowych. Jeśli przekształtnik napędowy będzie wykorzystywany do ładowania stacjonarnego zasobnika energii, to stosując dodatkowy przekształtnik podwyższający napięcie zasobnika (typu boost) do poziomu napięcia obwodu pośredniego przekształtnika napędowego, można podtrzymywać jego pracę przy przerwach w dostawach energii w sieci napięcia przemiennego. Stosowanie odpowiedniej strategii ładowania baterii EV i stacjonarnych magazynów energii jest niezbędne dla zapewnienia warunków ładowania określonych przez producenta ogniw baterii i kontrolowanych przez system nadzoru ładowania ogniw zestawu bateryjnego BMS (ang. Battery Management System). Stosowanie systemu podtrzymania zasilania przekształtników napędowych, dla zapewnienia kontrolowanego zatrzymania napędu, jest wymagane w wielu wrażliwych procesach technologicznych.

Model przekształtnika do ładowania baterii pojazdów elektrycznych

Schemat przekształtnika do ładowania baterii przemysłowych autonomicznych maszyn i pojazdów elektrycznych przedstawiony jest na rysunku 2. w postaci schematu elektrycznego oraz grafu stanów wygenerowanego w programie komputerowym do badań symulacyjnych przekształtników energoelektronicznych ANSYS Simplorer. Graf stanów stanowi zapis układu sterowania MSI falownika wykorzystywanego w programie symulacyjnym.

W modelu przyjęto, że falownik MSI jest zasilany ze źródła napięcia stałego DC 560 V (E3+E4), co odzwierciedla napięcie stałe obwodu pośredniego przekształtnika napędowego zasilanego z sieci napięcia przemiennego 3x400 V/50 Hz. Diody zwrotne D13-D18 występujące w falowniku napędowym umożliwiają przepływ prądu do baterii kondensatorów (kondensatory C5 i C6) w stanie pracy biernej silnika indukcyjnego (np. klatkowego). Przy ładowaniu baterii diody zwrotne D13-D18 nie przewodzą prądów, gdyż bateria jest odbiornikiem mocy czynnej. Najogólniej można stwierdzić, że straty energii diod zwrotnych falownika przejmuje prostownik wyjściowy D19-D24. Aby zapewnić sterowanie napięciem wyjściowym prostownika ładującego baterię, który jest zasilany falownikiem MSI, trzeba zastosować indukcyjności po stronie napięcia AC (L9-L11) lub po stronie napięcia DC (L7-L8). W modelu zastosowano indukcyjności po stronie DC (L7-L8) poprzez dobranie ich dominującej wartości w stosunku do indukcyjności po stronie AC (L9-L11). Bateria EV jest odwzorowana z wykorzystaniem twierdzenia Thevenina jako szeregowe połączenie źródła napięciowego E6 i rezystancji zastępczej baterii R2. Zastosowane w modelu amperomierze i woltomierze przedstawiają miejsca obserwacji przebiegów prądowo-napięciowych przekształtnika ładowania baterii EV.

Sterowanie wartością napięcia na wyjściu prostownika ładowania baterii EV jest realizowane poprzez zadawanie odpowiedniej wartości współczynnika głębokości modulacji M (M = USINE/UTRIANG). Częstotliwość napięcia wyjściowego falownika zwiększono do wartości 300 Hz, aby zmniejszyć wartość składowej przemiennej z napięciem wyprostowanym zasilania baterii EV. Częstotliwość napięcia przemiennego falownika należy maksymalizować, ale zależy to od paramentów technicznych stosowanego przekształtnika napędowego dla potrzeb ładowania baterii. Przekształtnik napędowy może samoczynnie regulować wartość napięcia przemiennego, a tym samym wartość napięcia wyprostowanego, dla zapewnienia stałego prądu ładowania baterii, np. w zakresie 20% – 80% SOC (State of Charge – stan naładowania baterii). 20% – 80% SOC to typowy zakres ładowania zestawów baterii z ogniwami Li-ion.

Napięciowy dwupoziomowy falownik MSI jest komponentem przekształtnikowych napędów silników prądu przemiennego (rys. 3.). W wykonaniu standardowym falownik jest połączony z prostownikiem 6-plusowym poprzez obwód pośredni dla wytworzenia napięcia stałego zasilającego falownik. Zasilanie falownika może być też realizowane napięciem stałym, np. z mikrosieci DC 600 V. Uwzględniając lokalną mikrosieć 600 V DC dołączoną do stałonapięciowego obwodu zasilania falownika można sterować obciążeniem przemysłowej sieci napięcia przemiennego w taki sposób, aby ograniczyć wykorzystanie energii z tej sieci do ładowania baterii EV. Model przekształtnika przedstawiony na rysunku 2. wskazuje, że można zastosować standardowe podzespoły powszechnie stosowane w przekształtnikach napędowych (rys. 3a) do zbudowania przekształtników DC/DC szybkiego ładowania baterii, np. o mocy 1 MW i lokalizacji punktów ładowania w miejscach eksploatacji elektrycznych autonomicznych maszyn roboczych, np. koparek, transporterów itp.

Zadaniem falownika rekuperacyjnego (13) jest zamiana napięcia stałego na napięcie trójfazowe prądu przemiennego w taki sposób, aby możliwe było przekazanie energii z mikrosieci napięcia stałego do systemu elektroenergetycznego [3]. Na rysunku 4. przedstawiono uproszczony model zastępczy falownika AFE (ang. Acitve Front End) w stanach prostowania i regeneracji (rekuperacji). Falownik jest zasilany ze źródła napięcia o napięciu sinusoidalnym VN o częstotliwości roboczej δ_N. Falownik generuje napięcie V_R, a różnica między dwoma napięciami odkłada się na indukcyjności dławika, który jest tu zastosowany jako element gromadzący energię. Aby uzyskać sinusoidalne prądy sieciowe IN w fazie z napięciem V_N, układ przekształtnika musi generować napięcie VR, które wykazuje niewielkie przesunięcie fazowe δ_R względem napięcia sieciowego VN. Wykres wskazowy z przebiegami napięć i prądów przedstawiono na rysunku 4A – dla stanu prostowania oraz na rysunku 4B – dla stanu regeneracyjnego. Główną wadą tego podejścia jest to, że harmoniczne MSI wysokiego rzędu powstające wskutek przełączania tranzystorów IGBT falownika pojawiają się w systemie elektroenergetycznym. Z tego powodu zwykle stosuje się filtr LCL na wejściu falowników AFE [3], [4].

Falownik MSI przekształtnika AFE generuje napięcia fazowe zsynchronizowane z napięciem fazowym transformatora sieciowego. Kąty fazowe napięć falownika δ_R są zwykle o kilka stopni przesunięte w stosunku do napięć fazowych transformatora, to przesunięcie fazy napięcia falownika względem fazy napięcia sieciowego umożliwia przesłanie energii z linii prądu stałego zasilającej falownik do systemu elektroenergetycznego (rys. 4B). Przesunięcia fazowe między napięciami falownika a napięciami uzwojenia wtórnego transformatora umożliwiają przekazywanie energii do transformatora bez udziału mocy biernej (cos φ = 1) [3].

Badania symulacyjne i eksperymentalne przekształtnika napędowego wykorzystywanego do ładowania baterii EV

Zgodnie z modelem przekształtnika ładowania baterii EV przedstawionego na rysunku 2. wykonano badania symulacyjne, których celem było wykazanie możliwości sterowania wartością wyprostowanego napięcia prostownika ładowania baterii EV. Badania symulacyjne wykazały, że możliwe jest takie sterowanie napięciem falownika MSI, aby zapewnić stały prąd obciążenia prostownika, np. w czasie ładowania baterii EV. Napięcie wyprostowane może przyjmować wartości od 0 V do 500 V, zależnie od współczynnika głębokości modulacji MSI falownika. Przy wartościach współczynnika M od 0 do 1 występuje modulacja sinusoidalna. Przy M większym od jedności, np. M = 1,16 (M_max = (230 V·√2)/28 0V), występuje modulacja sinusoidalna przerywana, co umożliwia dalsze zwiększenie wartości napięć międzyfazowych falownika, a tym samym napięcia wyprostowanego do zasilania baterii EV.

Do badań symulacyjnych przyjęto, że źródło napięcia E6 w modelu baterii EV wynosi 0 V. Wtedy współczynnik modulacji jest równy 1,16, a równoważne obciążenie R2 wynosi 5 Ω. Bateria EV ładowana jest maksymalnym prądem 100 A (rys. 5a). Obniżenie współczynnika modulacji do poziomu M = 0,46 powoduje, że bateria EV jest nadal ładowana tym samym prądem o wartości 100 A, ale napięcie jest teraz mniejsze i wynosi 200 V. Ten przypadek jest pokazany na rysunku 5b.

Celem badań eksperymentalnych było potwierdzenie uzyskanych wniosków z badań symulacyjnych. Badania laboratoryjne wykazały możliwość wykorzystania napędowego przekształtnika z falownikiem MSI do zasilania trójfazowego prostownika diodowego. Tym samym zbudowano przetwornicę DC/DC do ładowania baterii EV. Stanowisko laboratoryjne do badań eksperymentalnych przedstawiono na rysunku 6. wraz z parametrami głównych komponentów, które przedstawiono w tabeli 1.

Do uzyskania przedstawionych wyników badań eksperymentalnych wykorzystano stanowisko laboratoryjne z przemysłowym napędowym przekształtnikiem częstotliwości małej mocy PN = 2,2 kW (poz. 2 tab. 1.). Przy formułowaniu wniosków założono, że wnioski badawcze będą tożsame dla przekształtników napędowych dużych mocy. W badaniu ukształtowano charakterystykę specjalną wytwarzania wartości harmonicznej podstawowej napięcia międzyfazowego falownika od częstotliwości tego napięcia. Ukształtowano charakterystykę u/f falownika MSI, tak aby narastanie wartości skutecznej harmonicznej podstawowej napięcia międzyfazowego falownika w występowało zakresie częstotliwości 90–100 Hz. Wtedy częstotliwość prostowanego napięcia falownika zmienia się w zakresie 20 Hz. Można przyjąć z błędem 10%, że napięcie prostowane ma częstotliwość 100 Hz niezależnie od wartości napięcia wyprostowanego.

Wykorzystując zestaw laboratoryjny przeprowadzono badania:

• wpływu indukcyjności po stronie AC oraz stronie DC na napięcie wyprostowane – indukcyjności DC nie powodowały zauważalnego obniżenia napięcia wyprostowanego dla różnych wartości prądu obciążenia, dlatego autorzy wskazują tę konfigurację jako zalecaną do budowy przekształtnika do ładowania baterii EV;
• wpływu częstotliwości napięcia międzyfazowego falownika MSI na wartość składowej przemiennej w napięciu wyprostowanym.

Przekształtnik zastosowany w stanowisku badawczym nie pozwalał na zastosowanie częstotliwości rzędu 500–1000 Hz, jak to ma miejsce w innych rodzajach tych przekształtników napędowych. Osiągnięto maksymalną częstotliwość wynoszącą 100 Hz, co stanowi 2-krotne zwiększenie częstotliwości harmonicznej podstawowej napięcia falownika w stosunku do częstotliwości napięcia sieci przemysłowej.

Na stanowisku laboratoryjnym zbadano możliwość sterowania napięciem zastępczego rezystancyjnego obciążenia prostownika w taki sposób, aby zapewnić stały prąd przepływający przez zastępczy rezystor mocy. Rezystor mocy zastępuje zestaw baterii o godzinnym prądzie ładowania równym 5 A i napięciu nominalnym 500 V (ok. 140 ogniw Li-ion połączonych szeregowo) lub 200 V (ok. 60 ogniw Li-ion połączonych szeregowo). Prąd obciążenia prostownika był stabilizowany przez wykorzystanie, wbudowanej programowo w przekształtniku, funkcji ograniczania prądu falownika przekształtnika napędowego do zadanej wartości – current limit. Zaprogramowano wartość maksymalnego prądu fazowego falownika o wartości skutecznej 3,9 A. Z bilansu mocy falownika i prostownika wynika, że maksymalny prąd prostownika będzie wówczas wynosić ok. 5 A.

Rysunek 7. przedstawia wykazania panelu operatorskiego LCP przemysłowego przekształtnika napędowego w czasie stabilizowania prądu obciążenia prostownika. Zgodnie z rysunkiem 7a częstotliwość harmonicznej podstawowej międzyfazowego napięcia falownika, które jest prostowane w trójfazowym prostowniku diodowym wynosi 95,5 Hz, a maksymalna wartość skuteczna prądu fazowego jest programowo ograniczona do wartości 3,9 A (rys. 7b).

Jest to wskazanie uzyskane według pomiaru wykonanywanego przez przekształtnik napędowy, którego czujnik pomiarowy jest dostosowany do pomiaru prądu sinusoidalnego silnika. Przy dołączeniu prostownika jako obciążenia przekształtnika napędowego, czujnik prądu mierzy prądy odkształcone, dlatego pomiar prądu może być obarczony błędem. Zastosowanie specjalnie ukształtowanej charakterystyki przebiegu wartości napięcia międzyfazowego w funkcji częstotliwości umożliwia utrzymanie częstotliwości bliskiej 100 Hz w pełnym zakresie zmian napięcia międzyfazowego falownika MSI o 0 V do 400 V. W miejsce baterii EV dołączonej do prostownika zastosowano obciążenie zastępcze w postaci rezystora mocy o regulowanej wartości. Zastosowanie zastępczego rezystora umożliwiło symulację ładowania zestawu barerii o różnych wartościach napięcia nominalnego. Przykładowo 150 ogniw Li-ion o napięciu nominalnym 3,2 V połączonych szeregowo daje napięcie 480 V.

Zmierzone wartości napięcia wyprostowanego i prądu obciążenia prostownika diodowego dla przejętych wartości rezystancji obciążenia przedstawia rysunek 8. Rysunek 8a przedstawia zmierzone napięcie maksymalne 500 V DC prostownika przy poborze prądu 5 A DC przez zastępczy rezystor mocy o wartości 100 Ω. Wyniki badań przedstawione na rysunku 8a wskazuje, że możliwe jest ładowanie zestawu baterii Li–ion o maksymalnym napięciu nominalnym 500 V prądem 5 A stosując przekształtnik napędowy o mocy 2,2 kW. Rysunek 8b przedstawia zmierzone napięcie 200 V DC przy prądzie obciążenia 5 A, dla rezystancji zastępczej o wartości 60 Ω. Badanie wskazuje, że przekształtnik może samoczynnie regulować napięcie ładowania baterii tak, aby zapewnić stały prąd jej ładowania. Wykazano tu możliwość ładowania zestawów bateryjnych Li-ion o napięciach nominalnych od 200 V do 500 V prądem 5 A, W zakresie 20%SOC – 80%SOC, napięcie ładowania baterii jest praktycznie stałe.

Z przeprowadzonych badań wynika, że przemysłowy przekształtnik napędowy z falownikiem MSI po doposażeniu o trójfazowy prostownik diodowy można stosować do ładowania baterii EV o napięciach nominalnych do 500 V. Maksymalna moc ładowania baterii jest równa mocy przekształtnika napędowego. Zwykle jest to moc czynna zasilanego przekształtnikiem napędowym silnika prądu przemiennego, np. 300 kW.

Wnioski

Przeprowadzone badania symulacyjne i eksperymentalne potwierdziły możliwość wykorzystania napędowego przekształtnika z napięciowym falownikiem MSI do ładowania baterii pojazdów elektrycznych. Trójfazowy falownik MSI umożliwia sterowanie wartościami amplitud i częstotliwości napięć międzyfazowych, którymi zasilany jest trójfazowy prostownik diodowy w czasie ładowania baterii EV. Wykazano możliwość uzyskania regulowanej wartości napięcia wyprostowanego w taki sposób, aby realizować żądaną strategię ładowania baterii EV, np. prądem stałym godzinnym ładowania baterii (1C – jednogodzinny prąd ładowania baterii) w zakresie 20% – 80% SOC. W zaproponowanym rozwiązaniu moc ładowania baterii jest określona mocą przekształtnika napędowego i zwykle jest to moc czynna silnika prądu przemiennego zasilanego tym przekształtnikiem. Przekształtnik napędowy pełni tutaj podwójną funkcję: zasila silnik o regulowanej prędkości obrotowej i momencie napędowym lub zasila prostownik trójfazowy w czasie ładowania baterii EV. W badaniach wykazano, że zastosowanie zwiększonej częstotliwości napięcia międzyfazowego falownika MSI w stosunku do częstotliwości napięcia w sieci przemysłowej (np. do 500 Hz) skutkuje zmniejszeniem składowej przemiennej w wyprostowanym napięciu, a przez to można wyeliminować konieczność jej filtracji.

Wykorzystanie powszechnie stosowanych w przemyśle przekształtników napędowych do ładowania baterii nie wymaga dodatkowych inwestycji dla zbudowania infrastruktury ich zasilania, gdyż wykorzystywane są już istniejące zabezpieczenia i sieci zasilania przekształtników napędowych.

Zastosowanie lokalnej mikrosieci napięcia 600 V DC umożliwia zbudowanie wspólnej linii DC do dostarczania energii elektrycznej wprost do obwodów pośrednich napięcia stałego przekształtników napędowych i hybrydyzację zasilania poprzez zastosowanie dodatkowych źródeł energii OZE. Zaproponowana przemysłowa mikrosieć napięcia stałego 600 V DC, opisana w artykule publikowanym w numerze 6/2020, umożliwia dostarczanie do ładowania baterii EV energii pozyskanej z OZE, dzięki czemu nie obciąża się sieci przemysłowej mocą niezbędną do ładowania pojazdów elektrycznych. 

Zgłoszenia patentowe związane z publikacją.

Literatura

1. J. Szymanski, M. Zurek-Mortka, D. Wojciechowski, N. Poliakov, Unidirectional DC/DC Converter with Voltage Inverter for Fast Charging of Electric Vehicle Batteries, Energies 13 (18), 4791, 2020, DOI: 10.3390/en13184791
2. J.R. Szymanski, M. Zurek-Mortka, D. Acharjee, Unidirectional Voltage Converter for Battery Electric Vehicle Ultrafast Charger, Microsystem Technologies, (2020), DOI: 10.1007/s00542-020-05038-7
3. Schneider Electric Technical Note. Transformation from Six-Pulse to Low Harmonic, Three-Level, Active Rectification Technologies. (2017), https://download.schneider-electric.com (dostęp 14.10.2020)
4. M. Dursun, M. Dosoglu, LCL ­Filter Design for Grid Connected Three-Phase Inverter, 2nd International Symposium on Multidisciplinary Studies and Innovative Technologies (ISMSIT). IEEE (Oct. 2018), pp. 1–4. DOI: 10.1109/ISMSIT.2018.8567054

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!