Design av Grid-tilkoblet Omformer for Energilagringssystemer

Abstract

I Norge har vi et veldig høyt elektrisitetsforbruk sett i forhold til kraft per innbygger, samt at en av våre konkurransefortrinn med tanke på industri er nettopp tilgangen til billig og grønn strøm. En utfordring med dette er at behovet for strøm samtidig krever større kapasitet på strømnettet. Dette er en uttalt utfordring fra Statnett og NVE, og det er allerede påbegynt tiltak som er opprettet mot dette i form av AMS måleren og endringer i nettleien. Dette alene er ikke nok for at Norge skal kunne møte det grønne skifte uten å bygge ut nettkapasiteten betraktelig. En løsning som ikke er utbredt i Norge er batterisparingssystemer. Prinsippet er enkelt, man lader batteriet på tider det vanligvis er lite trafikk i strømnettet. Deretter brukes batteriet til å forsyne strøm når det er mye trafikk på strømnettet. I denne oppgaven er det gjennomgått flere løsninger for bidireksjonale AC/DC omformere tilknyttet et batterilagringssystem. Resulterende topologi ble en Aktiv front end omformer med spenningsorientert styring. Det er implementert et passivt LCL-filter for å redusere harmonisk forvrengning, SV-PWM for å styre svitsjingen til omformeren og en SRF-PLL for å synkronisere spenningen og strømmen mot nettet. Systemet er konstruert i MATLAB Simulink hvor det har blitt utført simuleringer for å teste responsen til DC-spenningen når omformeren opererer som likeretter, vekselretter og ved bidireksjonal drift under ulike lastforhold. Det har blitt konstruert en fysisk modell av systemet for å verifisere målingene samt implementert smeltesikringer for å beskytte systemet mot kortslutning og overstrømmer. Komponenter for LCL-filteret er dimensjonert og bestilt i henhold til funnene gjort i oppgaven. Det er benyttet IGBT-moduler og IGBT drivere som Høgskolen på Vestlandet hadde tilgjengelig, samt et kontrollpanel som har blitt designet i en tidligere masteroppgave. Målinger som er gjort i simuleringsmodellen viser at systemet og tilhørende komponenter har kapasitet og er stabile for bidireksjonal AC/DC drift innenfor definerte referanseverdier. Systemet leverer en effektfaktor på 1:1 begge retninger, samt tilfredsstiller IEEE standard i henhold til harmonisk forvrenging.

In Norway, we have a very high electricity consumption per capita, and one of our competitive advantages in terms of industry is precisely access to cheap and green electricity. One challenge with this is that the demand for electricity also requires greater capacity on the power grid. This is a pronounced challenge from Statnett and NVE (Norwegian Water Resources and Energy Directorate), and measures have already been initiated to address this throught the implementation of Automatic meter reading (AMR) and changes in grid tariffs. However, these measures alone are not sufficient for Norway to meet the green transition without significantly expanding the grid capacity. One solution that is not widely adopted in Norway is battery energy storage systems. The principle is simple: the battery is charged during periods of low traffic on the power grid, and then used to supply electricity during periods of high grid traffic. In this project, several solutions for bidirectional AC/DC converters associated with battery storage system have been examined. The resulting topology is an Active front end (AFE) converter with voltage-oriented control, a passive LCL filter has been implemented to reduce harmonic distortion, Space Vector Pulse Width Modulation (SV-PWM) is used to control the switching of the converter, and a Synchronous Reference Frame Phase-Locked Loop (SRF-PLL) is used to synchronize the voltage and current with the grid. The system is designed and simulated in MATLAB Simulink, where simulations have been performed to test the response of the DC voltage when the converter operates as a rectifier, inverter, and in bidirectional mode under different load conditions. A physical model of the system has been constructed to verify the measurements, and fuse protection has been implemented to protect the system against short circuits and overcurrent. Components for the LCL filter have been dimensioned and ordered based on the findings of the study. IGBT modules and IGB drivers available at the Western Norway University of Applied Sciences have been used, along with a control panel that was designed in a previous master’s thesis. Measurements made in the simulation model show that the system and its associated components have the capacity and stability for bidirectional AC/DC operation within defined reference values. The system provides a unity power factor in both directions and meets IEEE standards regarding harmonic distortion.