SUPERVISOR
Mehdi Moallem,Ahmadreza Tabesh
مهدی معلم (استاد راهنما) احمدرضا تابش (استاد راهنما)
STUDENT
Afshin Bagheri Vandaei
افشین باقری وندائی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
TITLE
Battery Balancing using Half-bridge Multi-terminal Converter for Power Peak Shaving Application
Batteries are among the promising electrical energy storage technologies for industrial and commercial applications. These energy storages have been used for making intermittent renewable resources dispatchable and controllable. They also used in various applications such as uninterruptable power supply and power peak shaving. The power peak shaving process shifts a power demand from peak time to a low demand time via using the stored energy in batteries. In this process, the batteries store energy during off-peak times when the power demand and generation cost is low. The peak shaving process increases the transmission line capacity at peak-time which in turn increases flexibilities in management of transmission line capacities. Thus, peak shaving can potentially defer the reinforcement of a line and/or postpone the establishment of a new line in the power system. It also postpones the immediate needs for development of new power plants to meet ever-increasing demand in a power system. Economically, the main challenge in proliferations of battery energy storage systems is the high investment cost which necessitates advance charge/discharge control methods to increase the lifetime of the batteries. Battery balancing which equalizes the state-of-charge of the batteries is among the key control methods to increase the lifetime of the batteries. Battery balancing needs dc/ac power converters with multi-terminal at dc-side. Thus, the main technological challenge in the implementation of high power converter for energy storage system is introducing suitable topologies for megawatts power exchanges at high voltage level with multiple dc terminals. This thesis investigates the battery energy storage systems for power peak shaving applications and presents a multi-terminal power converter topology based on a half-bridge switch configuration. In the first part of the thesis various energy storage systems and their applications in transmission and distribution systems are investigated. Then, by focusing on the peak shaving application and its requirements (such as energy density, life time/cycles, and charging/discharging capacities) the suitable storages including lead-acid and sodium sulfide batteries are introduced and investigated in more details. The second part of the thesis briefly investigates various power converter topologies for high-power and medium voltage applications. Then, a multi-terminal topology is proposed based on half-bridge switch cells as a suitable converter topology for energy storage applications. Compare with conventional cascade full-bridge topologies, the proposed half-bridge topology provides twice dc-terminals with the same number of switches which are used in full-bridge topologies. Thus, the suggested half-bridge topology can potentially enhance the lifetime of the energy storage system via battery balancing among more battery modules. The performance of the proposed topology and the validity of its control method have been verified via the time domain simulation of a three-phase study system with four cells in each phase. Furthermore, a grid-connected single-phase prototype with four 12-V/6-Ah leads-acid batteries are implemented to practically test the suggested power flow and battery balancing control systems. Keywords: Battery Energy Storage System, Multi-level converter, Power Peak shaving, Real/Reactive Power Control, State-Of-Charge (SOC)-Balancing, Voltage Balancing
در حال حاضر باتری ها از مطرح ترین و آینده دارترین فناوری های ذخیره ساز انرژی الکتریکی در کاربردهای تجاری و صنعتی به شمار می آیند. طرح های ذخیره ساز مورد استفاده در سیستم قدرت تا به امروز بیشتر جنبه تحقیقاتی داشته اند که دلیل آن هزینه سرمایه گذاری بالا و محدودیت توان مبدل های الکترونیک قدرت توان بالا به عنوان واسط میان باتری و شبکه می باشد. نمونه های عملی از سیستم های ذخیره ساز برای کاربردهای مختلفی نظیر فرمان پذیرکردن منابع انرژی تجدیدپذیر با تولید ناپیوسته، تأمین توان بدون وقفه و پیک سایی نصب شده اند. هدف اصلی از پیک سایی کاهش بار پیک از طریق تأمین انرژی مورد نیاز شبکه از زمان های کم باری است. بدین ترتیب ظرفیت خطوط انتقال تا حد زیادی آزاد شده، سرمایه گذاری های مورد نیاز جهت ارتقاء شبکه انتقال به تعویق افتاده و با خارج شدن نیروگاه های زمان پیک بر مبنای سوخت های فسیلی از میزان تولید آلاینده ها تا حد مطلوبی کاسته می شود. اما در حال حاضر چالش های اصلی در بکارگیری وسیع سیستم های ذخیره ساز انرژی در سطح شبکه، هزینه سرمایه گذاری بالای آن ها و محدودیت در ساختارهای مبدل های مناسب جهت تبادل توان بالا با شبکه (در محدوده چند ده مگاوات) و در سطح ولتاژ بالا (در محدوده چند ده کیلوولت) می باشند. این پایان نامه در دو بخش کلی به بررسی ذخیره سازها و ارائه یک ساختار مناسب برای مبدل های الکترونیکی جهت استفاده از باتری ها به عنوان گزینه مناسب برای کاربرد پیک سایی می پردازد. بخش اول انواع سیستم های ذخیره ساز انرژی و کاربردهای مختلف آن ها را در شبکه های توزیع و انتقال مورد بررسی قرار می دهد. سپس با معرفی کاربرد پیک سایی و ویژگی های ذخیره سازی مورد نیاز آن مانند چگالی انرژی، طول عمر و تعداد چرخه های شارژ و دشارژ، مدت زمان و ظرفیت شارژ و دشارژ، ذخیره سازهای مناسب برای این کاربرد نظیر باتری های سولفید سدیم و سرب اسید بررسی می شوند. در بخش دوم با معرفی انواع مبدل ها، مبدل تک ستاره تمام پل با ویژگی هایی چون امکان کاربرد در سطوح ولتاژ بالا، کاهش فرکانس کلیدزنی و بهبود کیفیت توان در سمت شبکه به عنوان یک گزینه مناسب برای تبادل توان میان باتری ها و شبکه مطرح شده و در قیاس با آن یک ساختار جدید در کنار نحوه کنترل آن ارائه می شود. ویژگی های اصلی ساختار پیشنهادی استفاده از ماژول های نیم پل، امکان کنترل مستقل توان اکتیو و راکتیو و حفظ تعادل شارژ مجموعه باتری ها می باشد. طرح پیشنهادی علاوه بر کاهش تعداد کلیدهای مورد نیاز نسبت به طرح های موجود، به دلیل حفظ تعادل شارژ باتری ها همزمان با تبادل توان با شبکه موجب طولانی تر شدن عمر مفید باتری ها می گردد. راست آزمایی مبدل پیشنهادی از طریق شبیه سازی یک سیستم مطالعاتی سه فاز با چهار سلول در هر فاز و پیاده سازی عملی یک نمونه تک فاز آن انجام می پذیرد. به منظور برقرار نمودن تعادل شارژ باتری ها از دو مدار کنترل تعادل و کنترل مجزای واحدهای باتری استفاده شده است. نتایج بدست آمده از شبیه سازی ها و مدار عملی نشان می دهد که ساختار پیشنهادی و شیوه کنترل آن قابلیت دنبال نمودن فرمان توان اکتیو مرجع را حتی در زمان عدم وجود تعادل شارژ در باتری ها داشته و جریان سینوسی تزریقی به شبکه نیز به دلیل استفاده از ولتاژ چند سطحی نزدیک به سینوسی دارای اعوجاج هارمونیکی کل کمتر از دو درصد می باشد. واژه های کلیدی: پیک سایی؛ مبدل چندسطحی؛ کنترل توان اکتیو؛ باتری؛ متعادل سازی حالت شارژ؛ متعادل سازی ولتاژ؛ مدولاسیون پهنای پالس. فصل