Telekomunikacyjny system zasilania gwarantowanego, zintegrowany na napięciu przemiennym 230V AC

Transkrypt

1 Zakład Systemów Zasilania (Z-5) Telekomunikacyjny system zasilania gwarantowanego, zintegrowany na napięciu przemiennym 23V AC Praca nr 5327 Warszawa grudzień 27 1

2 Telekomunikacyjny system zasilania gwarantowanego, zintegrowany na napięciu przemiennym 23V AC Praca nr 5327 Słowa kluczowe (maksimum 5 słów): ogniwa paliwowe PEM, telekomunikacyjne systemy zasilania Kierownik pracy: dr inż. Robert Samborski Wykonawcy pracy: dr inż. Robert Samborski Z5 mgr inż. Maciej Kozyra Z5 mgr inż. Edward Chrustowski Z5 adj. inż. Jan Komorowski Z5 inż. Paweł Kliś Z5 tnk. Krzysztof Kanicki Z5 Kierownik Zakładu: inż. Paweł Kliś Copyright by Instytut Łączności, Warszawa grudzień 27 2

3 Spis treści 1.Wstęp Opis koncepcji układu siłowni telekomunikacyjnej współpracującej z systemem zasilania gwarantowanego z ogniwami paliwowymi Pomiar parametrów elektrycznych baterii ogniw paliwowych Pomiar parametrów elektrycznych przetwornicy / Pomiar parametrów elektrycznych przetwornicy /AC Pomiar parametrów elektrycznych układu przetwornic obciążonych prostownikiem telekomunikacyjnym Pomiar charakterystyki statycznej w układzie docelowym z siłownią telekomunikacyjną Wnioski końcowe Bibliografia

4 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 23VAC nie tylko typową siłownię telekomunikacyjną, ale także dowolne inne obiekty i urządzenia współpracujące z elektroenergetyczną siecią niskiego napięcia 23VAC. 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 5 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

5 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 /, przetwornicy /AC, siłowni telekomunikacyjnej, baterii akumulatorów, elektronicznego układu obejściowego. BE. FC AC BE H2 O2 23VAC Sieć elektroenergetyczna AC 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. 5 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 /AC napięciem przemiennym, o parametrach takich jak w normalnej sieci elektroenergetycznej niskiego napięcia przemiennego 23V 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 2 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 / i /AC 5

6 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. FC V A Rz Rysunek 3. Schemat stanowiska pomiarowego do wyznaczania charakterystyki statycznej obciążenia baterii ogniw paliwowych, FC- ogniwo paliwowe, Rz- rezystor nastawny Rysunek 4 charakterystyka obciążenia stos 1 Uwy=f(Iobc) U [V] 37, ,5 3 27, ,5 2 17, ,5 1 7,5 5 2,5 4,1 8,57 12,62 16,62 2,34 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] U[V] Rysunek 5 charakterystyka obciążenia stos 2 Uwy=f(Iobc) 4, 37,5 35, 32,5 3, 27,5 25, 22,5 2, 17,5 15, 12,5 1, 7,5 5, 2,5,, 5,4 1,7 14,41 18,35 2,5 24,22 27,6 3,84 34,18 37,82 38,48 4,25 43,7 46,63 47,38 49,1 51,2 55,46 I[A] 6

7 4. Pomiar parametrów elektrycznych przetwornicy / Na rysunku 6 przedstawiono schemat ideowy energoelektronicznej części przetwornicy / podwyższającej. Dla wykonanego modelu wyznaczono charakterystyki przejściowe Uwy=f(Uwe) dla trzech różnych obciążeń Rysunek 6. Schemat ideowy energoelektronicznej części podwyższającej przetwornicy /. A A V var V V Rz Rysunek 7. Schemat stanowiska pomiarowego do wyznaczania charakterystyki statycznej przetwornicy / Rysunek 8 Charakterystyki wejściowe obciążenia Iwe=f(Uwe) przetwornicy trzy różne obciążenia P Iwe [A] Uwe [V] P1=1% P2=6% P3=3% 7

8 Uwy [V] Rysunek 9. Charakterystyka przejściowa Uwy=f(Uwe) przetwornicy / dla trzech róznych obciążeń P Uwe [V] P1=1% P2=6% P3=3% 5. Pomiar parametrów elektrycznych przetwornicy /AC Na rysunku 1 przedstawiono schemat ideowy energoelektronicznej części przetwornicy /AC, falownika. Dla modelowego układu wyznaczono charakterystyki przejściowe Uwy=f(Uwe) dla trzech różnych obciążeń Rysunek 1. Schemat ideowy części energoelektronicznej układu przetwornic /AC V var A V V A Rz AC Rysunek 11. Schemat stanowiska pomiarowego do wyznaczania charakterystyki statycznej przetwornicy /AC 8

9 Rysunek 12. Charakterystyka przejściowa Uwy=f(Uwe) przetwornicy /AC obciążenie P=1% Uwy [VAC] ,78 3,7 5,5 79, ,5 3 35,2 354 Uwe [V] Rysunek 13. Charakterystyka przejściowa Uwy=f(Uwy) przetwornicy AC obciążenie P=6% Uwy [VAC] ,35 3,8 5,2 8 11, ,3 32,3 356 Uwe [V] Rysunek 14. Charakterystyka przejściowa Uwy=f(Uwe) przetwornicy AC obciążenie P=3% Uwy [V] ,72 49,9 9,1 14,2 19,3 24,1 28,3 32,4 343,8 355 Uwe [V] 9

10 25 Rysunek 15. Charakterystyka przejściowa Uwy=f(Uwe) połączonych szeregowo przetwornic (jak na rysunku 2) dla trzech róznych obciążeń Uwy [V] Uwe [V] P1=1% P2=6% P3=3% 6. Pomiar parametrów elektrycznych układu przetwornic obciążonych prostownikiem telekomunikacyjnym Aby zbadać działanie układu eksperymentalnego w warunkach zbliżonych do rzeczywistych, zastosowano jako obciążenie przetwornicy wyjściowej /AC zespół prostownika telekomunikacyjnego. Na rysunku 16 przedstawiono schemat stanowiska do pomiaru charakterystyki statycznej układu przetwornic obciążonego telekomunikacyjnym zespołem prostownikowym V var A V AC V A Rz AC Układ prostownika telekomunikacyjnego Rysunek 16. Schemat stanowiska do pomiaru charakterystyki statycznej układu przetwornic obciążonego telekomunikacyjnym zespołem prostownikowym 1

11 Ip Rysunek 17. Prąd obciążenia prostownika w funkcji prądu wejściowego Ip=f(Iwe) ,3 11,8 17,6 24,4 29,6 36,3 43,3 53,6 56,3 Iwe [A] 25 Rysunek 18. Charakterystyka wyjściowa przetwornicy /AC Uwy=f(Iobc), charakterystyka sprawności n=f(iobc) Uwy [V] n[%] Uwy sprawność [%] , ,75 17 I obc [A] 11

12 Pwe [W] Pwy [W] Rysunek 19. Moc wejściowa i moc wyjściowa układu przetwornic Pwe=f(Iobc), Pwy=f(Iobc) , ,75 17 Iobc Pwe Pwy 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 / i /AC. Schemat badanego układu przedstawiono na rysunku 18. FC AC AC Robc Układ siłowni zasilającej urządzenia telekomunikacyjne H2 O2 Rysunek 2. Schemat badanego układu siłowni telekomunikacyjnej zasilanej z baterii ogniw paliwowych PEMFC. Na rysunkach 19 i 2 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

13 Podb [W] Pwe [W] Rysunek 21. Moc pobierana ze stosu nr 1 ogniw paliwowych Pwe, moc odbiornika Pobc Charakterystyka statyczna mocy Pwe=f(Iodb) Podb=f(Iodb) , Iobc [A] Podb Pwe 9 Rysunek 22. Sprawność układu przetwarzania liczona jako moc stosu nr 1 ogniw paliwowych do mocy odbiornika w [%] w funkcji prądu odbiornika n=f(iobc) 8 Sprawność [%] n [%] 2 1 2, Iobc [A] 13

14 Pwe [W] Pobc [W] Rysunek 23. Moc pobierana ze stosu nr 2 ogniw paliwowych Pwe, moc odbiornika Pobc Charakterystyka statyczna mocy Pwe=f(Iodb) Podb=f(Iodb) ,5 Iobc Pobc Pwe Rysunek 24. Sprawność układu przetwarzania liczona jako moc stosu nr 2 ogniw paliwowych do mocy odbiornika w [%] w funkcji prądu odbiornika n=f(iobc) n [%] ,5 Iobc 14

15 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 / (rysunek 6). Zmiana topologii układu tej przetwornicy umożliwi teoretycznie zwiększenie sprawności przetwarzania całego układu szacunkowo od 3 do 6%. optymalizacja sterowania układu przetwornicy /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 12W uzyskano moc dysponowaną na wyjściu układu przetwarzania ok. 1VA. 15

16 9. Bibliografia R. Samborski i inni Praca statutowa Budowa hybrydowej siłowni telekomunikacyjnej zintegrowanej na napięciu przemiennym 23VAC wykorzystującej ogniwa paliwowe zasilane wodorem oraz baterie sodowo-niklowe IŁ