Opracowanie - Instytut Łączności

Zakład Systemów Zasilania (Z-5)
Telekomunikacyjny system zasilania gwarantowanego,
zintegrowany na napięciu przemiennym 230V AC
Praca nr 05300027
Warszawa grudzień 2007
1
Telekomunikacyjny system zasilania gwarantowanego, zintegrowany na napięciu przemiennym 230V AC
Praca nr 05300027
Słowa kluczowe (maksimum 5 słów): ogniwa paliwowe PEM, telekomunikacyjne systemy zasilania
Kierownik pracy: dr inż. Robert Samborski
Wykonawcy pracy:
dr inż.
mgr inż.
mgr inż.
adj. inż.
inż.
tnk.
Robert
Maciej
Edward
Jan
Paweł
Krzysztof
Samborski
Kozyra
Chrustowski
Komorowski
Kliś
Kanicki
Z5
Z5
Z5
Z5
Z5
Z5
Kierownik Zakładu: inż. Paweł Kliś
© Copyright by Instytut Łączności, Warszawa grudzień 2007
2
Spis treści
1.Wstęp.................................................................................................................................................4
2.Opis koncepcji układu siłowni telekomunikacyjnej współpracującej z systemem zasilania
gwarantowanego z ogniwami paliwowymi..........................................................................................5
3.Pomiar parametrów elektrycznych baterii ogniw paliwowych.........................................................6
4.Pomiar parametrów elektrycznych przetwornicy DC/DC.................................................................7
5.Pomiar parametrów elektrycznych przetwornicy DC/AC.................................................................8
6.Pomiar parametrów elektrycznych układu przetwornic obciążonych prostownikiem
telekomunikacyjnym..........................................................................................................................10
7.Pomiar charakterystyki statycznej w układzie docelowym z siłownią telekomunikacyjną............12
8.Wnioski końcowe............................................................................................................................15
9.Bibliografia......................................................................................................................................16
3
1. Wstęp
Niniejsza praca jest bezpośrednią kontynuacją wcześniejszych badań prowadzonych
w Zakładzie Systemów Zasilania Instytutu Łączności z zakresu zastosowania nowych
elektrochemicznych źródeł energii. [2] W telekomunikacyjnych systemach zasilania
gwarantowanego powszechnie stosowane są baterie akumulatorów ołowiowo-kwasowych. Baterie
te stanowią źródło zasilania rezerwowego na wypadek zaniku napięcia sieci elektroenergetycznej.
Rozwiązanie takie jest stosowane powszechnie i zapewnia podwyższoną niezawodność zasilania
urządzeń telekomunikacyjnych.
Kolejny wyższy stopień niezawodności systemu zasilania uzyskuję się poprzez
zastosowanie rezerwowych źródeł zasilania napięcia przemiennego w postaci zasilaczy UPS oraz
spalinowego zespołu prądotwórczego.
W systemach zasilających wykorzystujących baterie ołowiowo-kwasowe występuje szereg
trudności eksploatacyjnych związanych bezpośrednio z bateriami akumulatorów. Podstawową
trudnością jest pomiar ładunku dysponowanego baterii (pojemności rzeczywistej). Nowoczesne
zaawansowane metody pomiaru pojemności metodą konduktancyjną są kosztowne, ich cena nie jest
adekwatna w stosunku do wartości (ceny nowej) baterii VRLA [1]. Inne tańsze metody pomiarowe
są nieefektywne lub obarczone dużym błędem pomiarowym. Dlatego też w telekomunikacyjnych
systemach zasilania powszechnie stosowane są zespoły prądotwórcze (generatory z silnikiem
diesel’a). W układzie takim bateria akumulatorów chemicznych zapewnia rezerwę zasilania do
chwili startu zespołu prądotwórczego.
W Zakładzie Systemów Zasilania Instytutu Łączności prowadzone są od kilku lat badania
mające na celu wykorzystanie nowych elektrochemicznych źródeł energii do celów
telekomunikacyjnych i innych [2].
W wyniku prowadzonych prac opracowany został eksperymentalny układ zasilania
gwarantowanego z zastosowaniem ogniw paliwowych z membraną wymiany protonów zasilanych
wodorem (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Rozwiązanie to pozwala zasilać napięciem
przemiennym gwarantowanym 230VAC nie tylko typową siłownię telekomunikacyjną, ale także
dowolne inne obiekty i urządzenia współpracujące z elektroenergetyczną siecią niskiego napięcia
230VAC. Do wyjściowej szyny systemu podłączono odbiornik, siłownię telekomunikacyjną prądu
stałego. W ten sposób powstał telekomunikacyjny system zasilania urządzeń gwarantowanym
napięciem stałym 48 V, w którym funkcję spalinowego zespołu prądotwórczego pełni system
zasilany ogniwami paliwowymi. Rozwiązanie to pozwala na znaczne zmniejszenie pierwotnie
wymaganej rezerwy bateryjnej w telekomunikacyjnych systemach zasilania, rezerwa ta jest
niezbędna do chwili startu ogniw paliwowych tj. ok 50 s. Po tym czasie czas rezerwy
(podtrzymania) zasilania zależny jest jedynie od ilości dysponowanego paliwa wodorowego.
Rozwiązanie to eliminuje konieczność stosowania spalinowych zespołów prądotwórczych.
W niniejszej pracy przedstawiono ogólną koncepcję systemu zasilania z ogniwami
paliwowymi oraz wyniki badań i pomiary eksperymentalnego układu modelowego oraz jego
podzespołów.
4
2. Opis koncepcji układu siłowni telekomunikacyjnej współpracującej z systemem
zasilania gwarantowanego z ogniwami paliwowymi
W zrealizowanym modelu systemu zasilania wykorzystano dwa moduły kompletnych baterii
(stosów) ogniw paliwowych Nexa. Układ współpracujący z ogniwami paliwowymi ma strukturę
zbliżoną do urządzenia typu UPS. Schemat eksperymentalnego systemu zasilania przedstawiono na
rysunku 1.
System składa się z następujących podzespołów: - stosu ogniw paliwowych zasilanych wodorem
Nexa FC, przetwornicy DC/DC, przetwornicy DC/AC, siłowni telekomunikacyjnej, baterii
akumulatorów, elektronicznego układu obejściowego. BE.
FC
H2
O2
DC
DC
DC
AC
230VAC
Sieć
elektroenergetyczna
BE
AC
DC
Robc
Układ siłowni
zasilającej urządzenia
telekomunikacyjne
Rysunek 1. Schemat blokowy eksperymentalnego systemu zasilania
współpracującego z ogniwem paliwowym PEMFC
Działanie instalacji modelowej jest następujące, Po zaniku sieciowego napięcia zasilającego
następuje przełączenie siłowni telekomunikacyjnej na wyjście przetwornicy (falownika) zasilanej z
baterii ogniw paliwowych. Jednocześnie następuje rozruch baterii ogniw paliwowych, który trwa
ok. 50 s.
W czasie rozruchu baterii ogniw paliwowych odbiorniki telekomunikacyjne zasilane są z baterii
siłowni telekomunikacyjnej. Po uruchomieniu stosu ogniw paliwowych siłownia telekomunikacyjna
zasilana jest poprzez przetwornicę DC/AC napięciem przemiennym, o parametrach takich jak w
normalnej sieci elektroenergetycznej niskiego napięcia przemiennego 230V AC. Warunkiem
koniecznym dla bezprzerwowego zasilania odbiorników telekomunikacyjnych jest założenie aby
bateria akumulatorów siłowni telekomunikacyjnej zapewniała czas podtrzymania zasilania nie
krótszy niż 5 min. Założono, że przełączenie siłowni ponownie na pracę z sieci
elektroenergetycznej następuje w czasie krótszym niż 20 ms co teoretycznie nie wpływa na pracę
siłowni telekomunikacyjnej. Na rysunku 2 przedstawiono schemat ideowy układu przetwornic
dc/dc i dc/ac zastosowanych w układzie eksperymentalnym.
Rysunek 2. Schemat ideowy części energoelektronicznej układu przetwornic DC/DC i DC/AC
5
Układ sterowania przetwornic zbudowano na bazie sterownika z mikrokontrolerem SAM7 jest to
układ z rodziny mikroprocesorów z rdzeniem ARM. W układach pomiaru napięcia i prądu
zastosowano przetworniki pomiarowe typu LEM.
3. Pomiar parametrów elektrycznych baterii ogniw paliwowych.
Schemat stanowiska pomiarowego do wyznaczania charakterystyki statycznej obciążenia
baterii ogniw paliwowych przedstawiono na rysunku 3.
A
FC
V
Rz
Rysunek 3. Schemat stanowiska pomiarowego do wyznaczania charakterystyki statycznej
obciążenia baterii ogniw paliwowych, FC- ogniwo paliwowe, Rz- rezystor nastawny
U [V]
Rysunek 4 charakterystyka obciążenia stos 1 Uwy=f(Iobc)
37,5
35
32,5
30
27,5
25
22,5
20
17,5
15
12,5
10
7,5
5
2,5
0
4,1
8,57
12,62
16,62
20,34
24,47
27,85
31,31
34,56
37,86
39,24
41,23
44,25
47,77
49,88
52,28
55,59
I [A]
Rysunek 5 charakterystyka obciążenia stos 2 Uwy=f(Iobc)
40,00
37,50
35,00
32,50
30,00
27,50
U[V]
25,00
22,50
20,00
17,50
15,00
12,50
10,00
7,50
5,00
2,50
0,00
0,00
5,40
10,07 14,41 18,35 20,05 24,22 27,60 30,84 34,18 37,82 38,48 40,25 43,70 46,63 47,38 49,01 51,20 55,46
I[A]
6
4. Pomiar parametrów elektrycznych przetwornicy DC/DC
Na rysunku 6 przedstawiono schemat ideowy energoelektronicznej części przetwornicy
DC/DC podwyższającej. Dla wykonanego modelu wyznaczono charakterystyki przejściowe
Uwy=f(Uwe) dla trzech różnych obciążeń
Rysunek 6. Schemat ideowy energoelektronicznej części podwyższającej przetwornicy DC/DC.
A
Rz
V
V
V var
A
DC
DC
Rysunek 7. Schemat stanowiska pomiarowego do wyznaczania charakterystyki statycznej
przetwornicy DC/DC
Rysunek 8 Charakterystyki wejściowe obciążenia Iwe=f(Uwe) przetwornicy DCDC
trzy różne obciążenia P
55
50
45
40
Iwe [A]
35
P1=100%
P2=60%
P3=30%
30
25
20
15
10
5
0
24
27
30
33
35
Uwe [V]
7
Uwy [V]
Rysunek 9. Charakterystyka przejściowa Uwy=f(Uwe) przetwornicy DC/DC
dla trzech róznych obciążeń P
375
350
325
300
275
250
225
200
175
150
125
100
75
50
25
0
P1=100%
P2=60%
P3=30%
24
27
30
33
35
Uwe [V]
5. Pomiar parametrów elektrycznych przetwornicy DC/AC
Na rysunku 10 przedstawiono schemat ideowy energoelektronicznej części przetwornicy
DC/AC, falownika. Dla modelowego układu wyznaczono charakterystyki przejściowe
Uwy=f(Uwe) dla trzech różnych obciążeń
Rysunek 10. Schemat ideowy części energoelektronicznej układu przetwornic DC/AC
A
V var
A
DC
V
V
Rz
AC
Rysunek 11. Schemat stanowiska pomiarowego do wyznaczania charakterystyki statycznej
przetwornicy DC/AC
8
Rysunek 12. Charakterystyka przejściowa Uwy=f(Uwe) przetwornicy DC/AC
obciążenie P=100%
250
225
Uwy [VAC]
200
175
150
125
100
75
50
25
0
24,78
30,07
50,5
79,9
100
150
200
250,5
300
350,2
354
320,3
356
Uwe [VDC]
Rysunek 13. Charakterystyka przejściowa Uwy=f(Uwy) przetwornicy DCAC
obciążenie P=60%
250
225
Uwy [VAC]
200
175
150
125
100
75
50
25
0
25,35
30,8
50,2
80
110,2
160
200
240
290,3
Uwe [VDC]
Rysunek 14. Charakterystyka przejściowa Uwy=f(Uwe) przetwornicy DCAC
obciążenie P=30%
250
225
200
Uwy [V]
175
150
125
100
75
50
25
0
26,72
49,9
90,1
140,2
190,3
240,1
280,3
320,4
343,8
355
Uwe [V]
9
Rysunek 15. Charakterystyka przejściowa Uwy=f(Uwe)
połączonych szeregowo przetwornic (jak na rysunku 2)
dla trzech róznych obciążeń
250
225
200
Uwy [V]
175
150
P1=100%
P2=60%
P3=30%
125
100
75
50
25
0
24
27
30
33
35
Uwe [V]
6. Pomiar parametrów elektrycznych układu przetwornic obciążonych prostownikiem
telekomunikacyjnym
Aby zbadać działanie układu eksperymentalnego w warunkach zbliżonych do
rzeczywistych, zastosowano jako obciążenie przetwornicy wyjściowej DC/AC zespół prostownika
telekomunikacyjnego.
Na rysunku 16 przedstawiono schemat stanowiska do pomiaru charakterystyki statycznej
układu przetwornic obciążonego telekomunikacyjnym zespołem prostownikowym
A
V var
DC
DC
A
DC
AC
V
V
DC
AC
Rz
DC
Układ prostownika
telekomunikacyjnego
Rysunek 16. Schemat stanowiska do pomiaru charakterystyki statycznej układu przetwornic
obciążonego telekomunikacyjnym zespołem prostownikowym
10
Ip
Rysunek 17. Prąd obciążenia prostownika w funkcji prądu wejściowego Ip=f(Iwe)
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
6,3
11,8
17,6
24,4
29,6
36,3
43,3
53,6
56,3
Iwe [A]
Rysunek 18. Charakterystyka wyjściowa przetwornicy DC/AC Uwy=f(Iobc),
charakterystyka sprawności n=f(Iobc)
250
225
200
Uwy [V] n[%]
175
150
125
Uwy
sprawność [%]
100
75
50
25
0
2
4
6
8,46
10
12
14
16,75
17
I obc [A]
11
Pwe [W]
Pwy [W]
Rysunek 19. Moc wejściowa i moc wyjściowa układu przetwornic
Pwe=f(Iobc), Pwy=f(Iobc)
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Pwe
Pwy
2
4
6
8,46
10
12
14
16,75
17
Iobc
7. Pomiar charakterystyki statycznej w układzie docelowym z siłownią telekomunikacyjną.
Aby zbadać i potwierdzić właściwe działanie całego systemu wykonano badanie układu
siłowni telekomunikacyjnej zasilanej z baterii ogniw paliwowych poprzez przetwornice DC/DC i
DC/AC. Schemat badanego układu przedstawiono na rysunku 18.
DC
FC
DC
DC
AC
AC
DC
Robc
Układ siłowni
zasilającej urządzenia
telekomunikacyjne
H2
O2
Rysunek 20. Schemat badanego układu siłowni telekomunikacyjnej zasilanej z baterii ogniw
paliwowych PEMFC.
Na rysunkach 19 i 20 przedstawiono charakterystyki prądowe obciążenia siłowni
telekomunikacyjnej w funkcji prądu pobieranego z baterii ogniw paliwowych Ip=f(Ifc). Napięcie
siłowni jest stałe i wynosi Uodb=53,5V
12
Rysunek 21. Moc pobierana ze stosu nr 1 ogniw paliwowych Pwe, moc odbiornika Pobc
Charakterystyka statyczna mocy Pwe=f(Iodb) Podb=f(Iodb)
1200
1100
Podb [W] Pwe [W]
1000
900
800
700
Podb
Pwe
600
500
400
300
200
100
0
2,24
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Iobc [A]
Rysunek 22. Sprawność układu przetwarzania
liczona jako moc stosu nr 1 ogniw paliwowych
do mocy odbiornika w [%] w funkcji prądu odbiornika n=f(Iobc)
90
Sprawność [%]
80
70
60
50
n [%]
40
30
20
10
0
2,24
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Iobc [A]
13
Rysunek 23. Moc pobierana ze stosu nr 2 ogniw paliwowych Pwe, moc odbiornika Pobc
Charakterystyka statyczna mocy Pwe=f(Iodb) Podb=f(Iodb)
1300
1200
Pwe [W] Pobc [W]
1100
1000
900
800
700
Pobc
Pwe
600
500
400
300
200
100
0
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
15,5
Iobc
Rysunek 24. Sprawność układu przetwarzania
liczona jako moc stosu nr 2 ogniw paliwowych
do mocy odbiornika w [%] w funkcji prądu odbiornika n=f(Iobc)
90
80
70
n [%]
60
50
40
30
20
10
0
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
15,5
Iobc
14
8. Wnioski końcowe
Przedstawione powyżej wyniki pomiarów, eksperymentalnego układu siłowni
telekomunikacyjnej zasilanej z baterii ogniw paliwowych, pokazują prawidłową realizację założeń
technicznych szczegółowo przedstawionych w [2].
Na podstawie wyników pomiarów i wyznaczonych charakterystyk stwierdzono, że praca
została wykonana prawidłowo i w całości.
W wyniku interpretacji przedstawionych wyników badań dokonano następujących
spostrzeżeń:
•
„zafalowanie” charakterystyk przedstawionych na rysunkach 4 i 5 spowodowane jest długą
(kilka, kilkanaście minut) stabilizacją parametrów pracy ogniwa paliwowego związaną ze
zmianą obciążenia. Występuje tutaj wyraźna zależność parametrów elektrycznych baterii ogniw
paliwowych od temperatury stosu i wilgotności powietrza co nie było przedmiotem badań
niniejszej pracy.
•
sprawność układu przetwarzania zależy w głównej mierze od sprawności przetwarzania układu
przetwornicy DC/DC (rysunek 6). Zmiana topologii układu tej przetwornicy umożliwi
teoretycznie zwiększenie sprawności przetwarzania całego układu szacunkowo od 3 do 6%.
•
optymalizacja sterowania układu przetwornicy DC/AC pozwoli teoretycznie na zwiększenie
sprawności układu o ok 1 do 2%.
•
zastosowanie układu zasilania rezerwowego w układzie jak na rysunku 1 umożliwia
zastosowanie tego rozwiązania nie tylko w systemach telekomunikacyjnych. Układ ma zbliżoną
strukturę do urządzeń typu UPS i w określonych przypadkach może je zastępować.
•
system umożliwia skalowanie dysponowanego czasu rezerwy zasilania poprzez ilość
zgromadzonego paliwa wodorowego. System teoretycznie umożliwia uzupełnienie paliwa
wodorowego w trakcie pracy ogniw paliwowych.
•
„zafalowanie” charakterystyk mocy przedstawionych na rysunkach 21 i 23 spowodowane jest
nadmiernymi błędami przypadkowymi pomiarów i następnie powoduje „zafalowanie”
charakterystyk sprawności z rysunków 22 i 24.
•
w badanym układzie z baterii ogniw paliwowych o mocy 1200W uzyskano moc dysponowaną
na wyjściu układu przetwarzania ok. 1000VA.
15
9. Bibliografia
1. www.worldenergylabs.com
2. R. Samborski i inni Praca statutowa „Budowa hybrydowej siłowni telekomunikacyjnej
zintegrowanej na napięciu przemiennym 230VAC wykorzystującej ogniwa paliwowe
zasilane wodorem oraz baterie sodowo-niklowe” IŁ 2006.
16