Mobilitás és Környezet Konferencia Magyar Tudományos Akadémia Budapest, 2012. január 23.
Megújuló energiaforrások hasznosítása a járműiparban Hangos Katalin, Magyar Attila, Görbe Péter, Göllei Attila Pannon Egyetem Villamosmérnöki és Információs Rendszerek Tanszék
Mobilitás és Környezet Konferencia Magyar Tudományos Akadémia Budapest, 2012. január 23.
PE 3.1. Komplex, bonyolult rendszerek irányítása és megbízhatósága két K+F projekttel
PE 3.1.2. Megújuló energiaforrások és járműipari energiatárolók hálózati integrációjának módszerei
3
8
Mobilitás és Környezet konferencia Tartalom
2012. 01. 23
Tartalom • Háttér és motiváció – Háztartási kiserőművek – Villamos járműflotta integrációja – Kisfeszültségű hálózat kapacitív nemlinearitása
• Integráció – Várható hatások
• A teljes integrációt megvalósító komplex szabályozó – Szabályozó algoritmus – Szimulációs eredmények
• Villamos jármű akkumulátorok modellezése – Kísérleti vizsgálatok – Az optimális üzemeltetés paraméterei
4
8
Mobilitás és Környezet konferencia Háttér és motiváció
2012. 01. 23
Háztartási kiserőművek
•Sziget üzem (off grid): • Tárolás: akkumulátor, H2- üzemanyagcella, sűrített levegős tároló (CAES), szupravezető mágneses tároló (SMES), víz helyezeti energia tárolás (PHS) • Fejlesztési stádiumban vannak, vagy rendkívül költségesek! •Hálózati szinkron üzem (on grid): • Költséghatékony!
5
8
Mobilitás és Környezet konferencia Háttér és motiváció
2012. 01. 23
Villamos járműflotta integrációja (EDISON Danish Proj.)
•Időben gyorsan változó, sztochasztikus energiatermelés •A csatlakoztatott villamos járművek (EV) akkumulátorai képesek elnyelni a termelés csúcsoknál keletkező többlet energiát •Betáplálnak a hálózatba lecsökkent termelési viszonyok mellett
6
8
Mobilitás és Környezet konferencia Háttér és motiváció
2012. 01. 23
Kisfeszültségű hálózatok kapacitív nemlinearitása •Kis fogyasztású kapcsoló üzemű tápegységgel ellátott berendezések • Mobiltelefon töltők • Laptop tápegységek • Kisteljesítményű motor vezérlések • Elektronikus előtéttel ellátott kompakt (CCFL) fénycsövek • LED világítási eszközök Számuk folyamatosan növekszik – kisfeszültségű hálózat viselkedése nemlineárissá válik!
7
8
Mobilitás és Környezet konferencia Integráció
Teljeskörű energia integráció - elemek Kisfeszültségű hálózat Nem szabályozható megújuló energiaforrások Szél energia Napenergia Szabályozható megújuló energiaforrások Biomassza Biodízel, bioetanol Energia tárolók Akkumulátor telep EV akkumulátorok Villamos haszongépjármű akkumulátorok Szinkron inverter Villamos fogyasztók Rezisztív terhelések Induktív lineáris terhelések Nemlineáris kapacitív terhelések
2012. 01. 23 Uncontrollable Maximum Power Control
Limited Controllability Fast Intervention
Solar PV
Wind Generator
Battery Pack
EV Battery
Grid Synchronized Inverter
Controllable Slow Intervention BioGas/Biomass BioEthanol Biodiesel Generator
Electric Machines Battery Waste Heat Greenhouse
Low Voltage Inner Grid
Switch
Low Voltage Local Grid Island Mode / Grid Synchronous Mode
Linear Ohmic Load
Linear Inductive Load
Nonlinear Load
8
Mobilitás és Környezet konferencia Integráció - várható hatások
8
2012. 01. 23
Integrált rendszer komplex szabályozásával elérhető eredmények •
Energiaáramlás irányításának költség hatékony szabályozása – Hálózati veszteségek csökkentése az elosztott termelés és tárolás miatt
•
Hálózat nemlineáris torzításának radikális csökkentése – Hálózat üzembiztonságának javítása – Hálózati veszteségek csökkentése a csökkentett torzítás miatt
•
Hálózati veszteségek csökkentése = CO2 kibocsátás csökkentése – az elosztott termelés és tárolás miatt. – a csökkentett torzítás miatt
•
Meglévő felhasznált berendezések szabályozási struktúrájának szoftveres átalakításával lehet elérni, a beruházási költség minimális!
9
Mobilitás és Környezet konferencia A teljes integrációt megvalósító komplex szabályozó
8
2012. 01. 23
Komplex szabályozóstruktúra I PhotoVoltaic
PV panel
I PV Controller
+
U PhotoVoltaic
Bridge Controller
+
Max. Max.Power PowerController Controller
S1
Li-ion Battery
Grid Synchronized Inverter I acc
S2
U Batt
S3
-
P
S5
S4
P
S6 I
I batt Controller
I
Iout
S7
+
U U U
-
Charger Battery Charger Controller Contr. U
Nonlinear Electric Network
3 5 7
U U
I
9
I1 Phase
I
shifting
0°
t
+
Intermediate Voltage Controller
I Batt charge/discharge
Phase
Current Waveform Generator I
I1
Phase
600V +
U1
UIntermediate
U connection RMS
t
I
11
(Base and upper harmonics)
-
I1
Phase I3
setpoint
RMS
Setpoint
I3 I out
U
U Intermediate
+
Phase I11
Upper Harmonic Controller
11
RMS Voltage Controller
+
230V U RMS Setpoint
1 0
8
Mobilitás és Környezet konferencia A teljes integrációt megvalósító komplex szabályozó
2012. 01. 23
Harmonikus szabályozó algoritmusa A szabályozási cél: THD csökkentése és PF javítása (Upper Harmonic Controller: THD=0 PowerFactor=1) Közbensőköri feszültség állandó szinten tartása(Intermediate Voltage Controller: U=600V) Hálózati effektív érték szinten tartása (RMS CVoltage controller V=230V) Megújuló forrásból kinyert maximális teljesítmény (Max Power Controller) Akkumulátor töltöttségi cél tartása (Battery charger Controller) Az algoritmus lépései UHC: Beinjektált felharmonikus áramkomponensek (3., 5., 7., 9., 11. felharmonikus) amplitúdó és fázis értékeinek változtatása adaptív gradiens módszerrel.
1 1
8
Mobilitás és Környezet konferencia Szimulációs eredmények
2012. 01. 23
Eredmények: Költségfüggvény, THD csökkenés
1 2
8
Mobilitás és Környezet konferencia Szimulációs eredmények
Szimulációs eredmények minőségi jellemzők
•Vizsgált üzemmódok: • Betáplálás nélkül (Inv 0) • Normál szinkron betáplálással (Inv 1 UHC 0) • Harmonikus szabályozással (Inv1 UHC 1) •Teljes harmonikus torzítás (THD) csökkenése •Áram effektív értékének (IRMS) csökkenése
2012. 01. 23
1 3
8
Mobilitás és Környezet konferencia Jármű akkumulátorok vizsgálata
2012. 01. 23
A vizsgálatok módszere • Kísérleti vizsgálatok • Járműipari LiFePo4 akkumulátor • Környezeti hőmérséklet hatása a kapocsfeszültségre és a töltöttségi állapotra • Egyéb paraméterek (felületi hőmérséklet)
•Modellépítés •Következtetések
1 4
8
Mobilitás és Környezet konferencia Villamos jármű akkumulátorok modellezése
Hőmérsékletfüggő Li akkumulátor modell
•Járműiparban használt LiFePO4 akkumulátor feszültség hőmérséklet függése •Empirikus modell
2012. 01. 23
1 5
8
Mobilitás és Környezet konferencia EV akkumulátorok modellezése
Hőmérsékletfüggő Li akkumulátor modell
•Járműiparban használt LiFePO4 akkumulátor felületi hőmérséklet függése a környezeti hőmérséklettől •Empirikus modell
2012. 01. 23
1 6
Mobilitás és Környezet konferencia Kitekintés, további munka
8
2012. 01. 23
Elért eredmények •
Energiaáramlás irányának szabályozása megvalósítható – Hálózati veszteségek csökkentése az elosztott termelés és tárolás segítségével kivitelezhető
• •
Hálózat nemlineáris torzításának radikális csökkentése CO2 kibocsátás csökkentése – az elosztott termelés és tárolás miatt (4 376 g/év) – a csökkentett torzítás miatt (73 000 g/év)
•
LiFePO4 akkumulátor hőmérsékletfüggő empirikus modell
További munka •
Komplex szabályozó rendszer továbbfejlesztése – SmartGRID interface – Költségfüggvényen alapuló optimális irányítás
TAMOP-4.2.1/B-09/1/KONV-2010-0003
Mobilitás és környezet Járműipari, energetikai és környezeti kutatások a Közép- és Nyugat-Dunántúli Régióban A projekt a Magyar Állam és az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.
Nemzeti Fejlesztési Ügynökség www.ujszechenyiterv.gov.hu 06 40 638 638
A témából készített publikációk [1] Peter Görbe, Attila Magyar, Katalin M. Hangos: Reduction of power losses with smart grids fueled with renewable sources and applying EVbatteries, Journal of Cleaner Production (2012), doi:10.1016/j.jclepro.2011.12.021 in Press Online: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652611005622?v=s5 [2] Attila Göllei, Peter Görbe, Attila Magyar: Modeling and optimization of electrical vehicle batteries in complex clean energy systems, Journal of Cleaner Production (2012), doi:10.1016/j.jclepro.2011.12.013 in Press Online: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652611005385 [3] Peter Gorbe, Attila Magyar, Katalin M. Hangos: Low Voltage Grid Optimization with Power Injection of Renewable Sources and EV batteries PRES'11 Chemical Enginnering Transactions Volume 25, 2011 pp 893-898 ISBN: 978-88-95608-16-7, ISSN: 1974-9791, DOI:10.3303/CET1125149 [4] Attila Göllei, Peter Gorbe, Attila Magyar: Model-based Investigation of Vehicle Electrical Energy Storage Systems PRES'11 Chemical Enginnering Transactions Volume 25, 2011 pp 477-482 ISBN: 978-88-95608-16-7, ISSN: 1974-9791, DOI:10.3303/CET1125080 [5] Peter Gorbe, Attila Magyar, Katalin M. Hangos: THD Reduction with Grid Synchronized Inverter’s Power Injection of Renewable Sources 20th International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion [6] Görbe Péter, Attila Magyar, Katalin M. Hangos: Power Conditioning with Electric Car Battery Charging from Renewable Sources, Proc. of PhD WorkShop 2010, Veszprém, Magyarország, ISBN: 978-615-5044-00-7 pp. 98-105 [7] P. Görbe, A. Magyar, K. M. Hangos:Power Conditioning with Electric Car Battery Charging from Renewable Sources, Mobilitás és környezet: a járműipar kihívásai az energetika, a szerkezeti anyagok és környezeti kutatások területén 2010. augusztus 23-25 Veszprém TÁMOP-4.2.1/B-09/1/KONV-2010-0003 HUNGARIAN JOURNAL OF INDUSTRIAL CHEMISTRY Vol. 38(1) pp. 27-33 (2010) HU ISSN: 0133-0276
Köszönöm megtisztelő figyelmüket!
