References

alternative

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)

1608-8298

Международный издательский дом научной периодики "Спейс

10.15518/isjaee.2024.02.116-133

alternative-2360

Research Article

VII. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 17. Энергетика и экология

VII. ENVIRONMENTAL ASPECTS OF ENERGY.17. Energy and Ecology

Совершенствование многоуровневых инверторов с модуляцией магнитных потоков для возможности их питания от водородных топливных элементов

Improvement of multilevel inverters with magnetic flux modulation for the possibility of their power from hydrogen fuel cells

Мятеж

С. В.

Myatezh

S. V.

Мятеж Сергей Владимирович, канд. техн. наук, доцент кафедры «Электротехнических комплексов»

г. Новосибирск, 630073, ул. Карла Маркса 20

Тел. +7-923-118-75-33

Myatezh Sergey Vladimirovich, Ph.D. tech. Sciences, Associate Professor of the Department of Electrical Engineering Complexes

Novosibirsk, 630073, st. Karl Marx 20

Tel. +7-923-118-75-33

serg_y_7578@mail.ru

Лисицын

П. С.

Lisitsyn

P. S.

Лисицын Павел Сергеевич, аспирант, ассистент НГТУ, кафедры Электротехнических комплексов»

г. Новосибирск, 630073, ул. Карла Маркса 20

Тел. +7-923-150-14-46

Lisitsyn Pavel Sergeevich, graduate student, assistant at NSTU, Department of Electrical Engineering Complexes

Novosibirsk, 630073, st. Karl Marx 20

tel. +7-923-150-14-46

nik-nokia@mail.ru

Новосибирский государственный технический университетРоссияNovosibirsk State Technical UniversityRussian Federation

2024

15052024

02116133

2023

Международный издательский дом научной периодики "Спейс

https://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNotice

https://www.isjaee.com/jour/article/view/2360

В рамках решения задачи по созданию автономного источника электрической энергии переменного тока на базе водородных топливных элементов исследуются возможности предварительной коррекции форм напряжений и токов статических инверторов за счет применения силовых многообмоточных трансформаторов. Ценность такой коррекции в дальнейшем определяется существенным упрощением подбора элементов устройств фильтрации и алгоритмов широтно-импульсной модуляции, необходимых для достижения требуемых параметров качества электрической энергии и выравнивания токовой нагрузки на стеки водородных топливных элементов, использующихся в роли первичного источника электрической энергии постоянного тока. Показано преимущество многоуровневых инверторов, основанных на силовых многообмоточных трансформаторах с разветвленными магнитными цепями и целесообразность объединения трех однофазных инверторов в один трехфазный инвертор на основе трехстержневых трансформаторов с амплитудной модуляцией магнитных потоков и соединением вторичных обмоток в треугольник. Сформулирована и решена оптимизационная задача минимизации коэффициентов гармоник напряжений и предложено схемное решение многоуровневого инвертора промышленной частоты для создания источника питания в трехфазном исполнении, в котором реализовано предварительное выравнивание токовой нагрузки для сохранения расчетного срока службы водородных топливных элементов.

As part of solving the problem of creating an autonomous source of alternating current electrical energy based on hydrogen fuel cells, the possibilities of preliminary correction of voltage and current shapes of static inverters through the use of power multi-winding transformers are being explored. The value of such correction is further determined by the significant simplification of the selection of elements of filtering devices and pulse-width modulation algorithms necessary to achieve the required parameters of the quality of electrical energy and equalize the current load on stacks of hydrogen fuel cells used as the primary source of DC electrical energy. The advantage of multi-level inverters based on power multi-winding transformers with branched magnetic circuits and the feasibility of combining three singlephase inverters into one three-phase inverter based on three-rod transformers with amplitude modulation of magnetic fluxes and connection of secondary windings in a triangle are shown. An optimization problem of minimizing voltage harmonic coefficients has been formulated and solved, and a circuit solution for a multi-level power frequency inverter has been proposed to create a three-phase power source, which implements preliminary equalization of the current load to preserve the design service life of hydrogen fuel cells.

многоуровневый инверторкоррекция форм кривыхгармоникимодуляциявыравнивание нагрузкикоммутацияоптимизацияШИМфильтрация

multi-level invertercurve shape correctionharmonicsmodulationload balancingswitchingoptimizationPWMfiltering

References1

Malyshenko S. P., Borzenko V. I., Dunikov D. O., Nazarova O. V. Metal hydride technologies of hydrogenenergy storage for independent power supply systems constructed on the basis of renewable sources of energy // Thermal Engineering (English translation of Teploenergetika). – 2012. – Т. 59. – № 6. – C. 468-478.

Malyshenko S. P., Borzenko V. I., Dunikov D. O., Nazarova O. V. Metal hydride technologies of hydrogen energy storage for independent power supply systems constructed on the basis of renewable sources of energy // Thermal Engineering (English translation of Teploenergetika). – 2012. – T. 59. – № 6. – P. 468-478.

Gahleitner G. Hydrogen from renewable electricity: An international review of power-to-gas pilot plants for stationary applications // International Journal of Hydrogen Energy. – 2013. – Т. 38. – № 5. – C. 2039-2061.

Gahleitner G. Hydrogen from renewable electric power: An international review of power-to-gas pilot plants for stationary applications // International Journal of Hydrogen Energy. – 2013. – T. 38. – № 5. – Р. 2039-2061.

Aneke M., Wang M. Energy storage technologies and real life applications – A state of the art review // Applied Energy. – 2016. – Т. 179. – C. 350-377.

Aneke M., Wang M. Energy storage technologies and real life applications – A state of the art review // Applied Energy. – 2016. – T. 179. – Р. 350-377.

Zhang X., Chan S. H., Ho H. K., Tan S. -C., Li M., Li G., Li J., Feng Z. Towards a smart energy network: The roles of fuel/electrolysis cells and technological perspectives // International Journal of Hydrogen Energy. – 2015. – Т. 40. – № 21. – C. 6866-6919. 5. Emonts B., Schiebahn S., Görner K., Lindenberger D., Markewitz P., Merten F., Stolten D. Re-energizing energy supply: Electrolytically-produced hydrogen as a flexible energy storage medium and fuel for road transport // Journal of Power Sources. – 2017. – Т. 342. – C. 320-326.

Zhang X., Chan S. H., Ho H. K., Tan S. -C., Li M., Li G., Li J., Feng Z. Towards a smart energy net-work: The roles of fuel/electrolysis cells and technological perspectives // International Journal of Hydrogen Energy. – 2015. – T. 40. – № 21. – Р. 6866-6919.

Oliveira D. S. A Three-Phase High-Frequency Semicontrolled Rectifier for PM WECS / D. S. Oliveira, M. M. Reis, C. Silva, L. B. Colado, F. Antunes, B. L. Soares // IEEE Transactions on Power Electronics. – Vol. 25, no. 3. – P. 677-685.

Emonts B., Schiebahn S., Görner K., Lindenberger D., Markewitz P., Merten F., Stolten D. Re-energizing energy supply: Electrolytically-produced hydrogen as a flexible energy storage medium and fuel for road transport // Journal of Power Sources. – 2017. – T. 342.– Р. 320-326.

Ершов М. И., Прокофьев В. Е., Янович К. В. Расчет основных параметров инвертора для электроустановок на твёрдооксидных топливных элементах // ВА МТО, Санкт-Петербург, 2019. – № 3(4). – С. 110-116.

Андриянов А. И., Булохов Н. М., Михальченко Г. Я. Управление динамикой импульсных преобразователей постоянного напряжения. – Электричество, 2013. – № 8. – С. 41-49.

Ershov M. I., Prokofiev V. E., Yanovich K. V. Calculation of the main parameters of an inverter for electrical installations using solid oxide fuel cells // VA MTO, St. Petersburg, 2019. – № 3(4). – P. 110-116.

Фаддеев Н. А., Беличенко М. А., Серик А. В., Соколова В. А., Смирнова Н. В. Исследование влияния изменения профиля нагрузки на производительность стека на основе топливных элементов с протонообменной мембраной. // [https://elektromekhanika.npi-tu.ru/index.php/electromeh/article/view/2277] doi.org/10.17213/0136-3360-2022-4-25-30.

Andriyanov A. I., Bulokhov N. M., Mikhalchenko G. Ya. Control of the dynamics of pulsed constant voltage converters. – Electricity, 2013 – № 8. –Р. 41-49.

Wang Y., Diaz D. F. R., Chen K. S., Wang Z., & Adroher X. C. Materials, technological status, and fundamentals of PEM fuel cells–a review // Materials today. – 2020. – Т. 32. – С. 178-203.

Faddeev N. A., Belichenko M. A., Serik A. V., Sokolova V. A., Smirnova N. V. Study of the effect of changing the load profile on the performance of a stack based on proton exchange membrane fuel cells. // [https://elektromekhanika.npi-tu.ru/index.php/electromeh/article/view/2277] doi.org/10.17213/0136-3360-2022-4-25-30.

Васюков И. В., Павленко А. В., Батищев Д. В. Обзор и анализ топологий преобразователей систем электропитания на водородных топливных элементах для беспилотных летательных аппаратов киловаттного класса мощности // Изв. вузов. Электромеханика. – 2022. – Т. 65. – № 2. – С. 19.

Wang Y., Diaz D. F. R., Chen K. S., Wang Z., & Adroher X. C. Materials, technological status, and fundamentals of PEM fuel cells–a review // Materials today. – 2020. – T. 32. – Р. 178-203.

Vasyukov I. V., Pavlenko A. V., Batishchev D. V. Review and analysis of topologies of converters of power supply systems based on hydrogen fuel cells for unmanned aerial vehicles of the kilowatt power class. Izv. universities Electromechanics. – 2022. – T. 65. – № 2. – P. 19.

Ferreira H. L., Garde R., Fulli G., Kling W., Lopes J. P. Characterisation of electrical energy storage technologies // Energy. – 2013. – Т. 53. – C. 288-298.

Borup, R., Meyers, J., Pivovar, B., Kim, Y. S., Mukundan, R., Garland. Scientific aspects of polymer electrolyte fuel cell durability and degradation // Chemical reviews. – 2007. – T. 107. – № 10. – P. 3904-3951. 13. Ferreira H. L., Garde R., Fulli G., Kling W., Lopes J. P. Characterization of electrical energy storage technologies // Energy. – 2013. – T. 53. – Р. 288-298.

Aarhaug T. A., Svensson A. M. Degradation rates of PEM fuel cells running at open circuit voltage // ECS Transactions. – 2006. – Т. 3. – № 1. – С. 775.

Aarhaug T. A., Svensson A. M. Degradation rates of PEM fuel cells running at open circuit voltage // ECS Transactions. – 2006. – T. 3. – № 1. P. 775.

Anastasiadis A. G., Konstantinopoulos S. A., Kondylis G. P., Vokas G. A., Papageorgas P. Effect of fuel cell units in economic and environmental dispatch of a Microgrid with penetration of photovoltaic and micro turbine units // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – Т. 42. – № 5. – C. 3479-3486.

Abdelfatah Kolli, Arnaud Gaillard, Alexandre De Bernardinis, Olivier Bethoux, Daniel Hissel, Zoubir Khatir A review on DCDC converter architectures for power fuel cell applications // Energy Conversion and Management, November, 2015. – Vol. 105. – P. 716-730. DOI: 10.1016/j.enconman.2015.07.060

Abdelfatah Kolli, Arnaud Gaillard, Alexandre De Bernardinis, Olivier Betoux, Daniel Hissel, Zoubir Khatir A review on DCDC converter architectures for power fuel cell applications // Energy Conversion and Management, November, 2015. – Vol. 105. – P. 716-730. DOI: 10.1016/j.enconman.2015.07.060

Dawei Gao, Zhenhua Jin, Jiexun Liu, Minggao Ouyang. An interleaved step-up/step-down converter for fuel cell vehicle applications // International Journal of Hydrogen Energy, December, 2016. – Vol. 41. – Issue 47, 21. – P. 22422-22432. DOI: 10.1016/ j.ijhydene.2016.09.171

Dawei Gao, Zhenhua Jin, Jiexun Liu, Minggao Ouyang An interleaved step-up/step-down converter for fuel cell vehicle applications // International Journal of Hydrogen Energy, December, 2016. – Vol. 41. – Issue 47, 21. – P. 22422-22432. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.09.171

Колесников С. В., Леонов А. П. Надежность изоляции статорных обмоток частотно-управляемых электродвигателей // Электротехнические и информационные комплексы и системы. – 2022. – № 1. – Т. 18. – С. 33-62.

Kolesnikov S. V., Leonov A. P. Reliability of insulation of stator windings of frequency-controlled electric motors // Electrical engineering and information complexes and systems. – 2022. – № 1. – V. 18. – P. 33-62.

Дудкин А. Н., Леонов А. П., Супуева А. С. Влияние дефектов в межвитковой изоляции на ее стойкость к эксплуатационным нагрузкам, характерным для энергоэффективных способов управления электротехническим оборудованием. – Томск: Известия ТПУ, 2015. – Т. 326. – № 11. – C. 83-89.

Dudkin A. N., Leonov A. P., Supueva A. S. The influence of defects in interturn insulation on its resistance to operational loads, characteristic of energy-efficient methods of controlling electrical equipment. – Tomsk: Izvestia TPU, 2015. – T. 326. – № 11. – P. 83-89.

Colak I. Review of multilevel voltage source inverter topologies and control schemes / I. Colak, E. Kabalci, R. Bayindir // Energy Conversion and Management. – 2011. – Vol. 52. – P. 1114-1128.

Colak I. Review of multilevel voltage source inverter topologies and control schemes / I. Colak, E. Kabalci, R. Bayindir // Energy Conversion and Managment. –2011. – Vol. 52. – P. 1114-1128.

Panagis P. Comparison of State of the Art Multilevel Inverters / P. Panagis, F. Stergiopoulos, P. Marabeas // Power Electronics Specialists Conference, 2008. PESC 2008. IEEE Conference Publications. – P. 4296-4301.

Blaajberg F. PWM Z-source NPC inverter / P. C. Lox, F. Blaajberg, S. Y. Feng, R. N. Soon // Proc. APEC-2006. – 2006. – P. 40-46.

Blaajberg F. PWM Z-source NPC inverter / P. C. Lox, F. Blaajberg, S. Y. Feng, R. N. Soon // Proc. APEC2006. – 2006. – P. 40-46.

Li R. An active modulation technique for singlephase grid connected CSI / R. Li, H. S. Chung, T. K. M. Chan // IEEE Transitions on Power Electronic. – 2007. – Vol. 22. – P. 1373-1380.

Li R. An active modulation technique for sin-glephase grid connected CSI / R. Li, H. S. Chung, T. K. M. Chan // IEEE Transitions on Power Electronic. – 2007. – vol. 22. – P. 1373-1380.

Volkov A. G. Analysis of New Multizone Rectifier for Electric Locomotives of VI85 Type / А. П. Косарев, А. Г. Волков, Г. С. Зиновьев // International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM 2010). – Erlagol, Altai. – June 30-July 4, 2010. – P. 475-479.

Volkov A. G. Analysis of New Multizone Rectifier for Electric Locomotives of VI85 Type / A. P. Kosarev, A. G. Volkov, G. S. Zinoviev // International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM 2010). – Erlagol, Altai. – June 30-July 4, 2010. – P. 475-479.

Z. Bai, Z. Zhang, Y. Zhang A Generalized Three-Phase Multilevel Current Source Inverter with Carrier Phase-Shifted SPWM / Z. Bai, Z. Zhang, Y. Zhang // IEEE Trans. Ind. Electron. – P. 220-227.

Ивакин В. Н., Ковалев В. Д., Магницкий А. А. Нормирование энергоэффективности распределительных трансформаторов // Энергия единой сети. – 2017. – № 5 (34). – С. 20-31.

Ivakin V. N., Kovalev V. D., Magnitsky A. A. Standardization of energy efficiency of distribution transformers // Energy of a single network. – 2017. – № 5 (34). – Р. 20-31.

Белецкий А. Ф. Теория линейных электрических цепей. – СПб.: Изд-во «Лань», 2008. –544 с.

Beletsky A. F. Theory of linear electrical circuits. – St. Petersburg: Lan Publishing House, 2008. – 544 p.

The world’s first commercial fuel cell powerpack for drone DP30 Powerpack – [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.doosanmobility.com/en/products/powerpack/

The world’s first commercial fuel cell powerpack for drone DP30 Powerpack [Electronic resource]. Access mode: https://www.doosanmobility.com/en/products/powerpack/

Tao Lei, Zhou Yang, Zicun Lin, Xiaobin Zhang State of art on energy management strategy for hybridpowered unmanned aerial vehicle // Chinese Journal of Aeronautics, June 2019. – Vol. 32. – Issue 6. – P. 1488-1503. DOI: 10.1016/j.cja.2019.03.013.

Tao Lei, Zhou Yang, Zicun Lin, Xiaobin Zhang State of art on energy management strategy for hybrid-powered unmanned aerial vehicle // Chinese Journal of Aeronautics, June, 2019. – Vol. 32. – Issue 6. – P. 1488-1503. DOI: 10.1016/j.cja.2019.03.013.

Зирка С. Е., Мороз Ю. И., Мороз Е. Ю., Тарчуткин А. Л. Топологические модели трансформатора // Электричество, 2012. – № 10. – С. 33-42.

Zirka S. E., Moroz Yu. I., Moroz E. Yu., Tarchutkin A. L. Topological models of transformer // Electricity, 2012. – № 10. – P. 33-42.

Виноградов А. Б, Коротков А. А. Алгоритмы управления высоковольтным многоуровневым преобразователем частоты: монография. – Иваново: Изд-во Ивановский государственный энергетический университет, 2018. –184 с.

Vinogradov A. B., Korotkov A. A. Control algorithms for a high-voltage multilevel frequency converter: monograph. – Ivanovo: Publishing house Ivanovo State Energy University, 2018. – 184 p.

Akagi H. Active harmonic filters // Proceedings of the IEEE. – 2005. – Т. 93. – Vol. 12. – P. 2128-2141.

Akagi H. Active harmonic filters // Proceedings of the IEEE. – 2005. – T. 93. – Vol. 12. – P. 2128-2141.

Lepanov M., Rozanov Y. Multifunctional regulator based on SMES and power electronic converter for increase of power quality and power supply reliability // Power Engineering, Energy and Electrical Drives POWERENG), 2013 Fourth International Conference on. – IEEE, 2013. – P. 1387-1391.

Lepanov M., Rozanov Y. Multifunctional regulator based on SMES and power electronic converter for increasing of power quality and power supply reliability // Power Engineering, Energy and Electrical Drives POW-ERENG), 2013. Fourth International Conference on. – IEEE, 2013. – P. 1387-1391.

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебное пособие / под ред. В. В. Денисова. – Ростов н/Д: Феникс, 2015. – 382 с.

Non-traditional and renewable energy sources: textbook / ed. V. V. Denisova. – Rostov n/d: Phoenix, 2015. – 382 p.

Безруких П. П., Стребков Д. С. Возобновляемая энергетика: стратегия, ресурсы, технологии. – М.: РАСХН, 2005.

Bezrukikh P. P., Strebkov D. S. Renewable energy: strategy, resources, technologies. – M.: RASHN, 2005. 36. Gabderakhmanova T. O., Director L. B., Popel O. S., Tarasenko A. B. – № 23. Alternative energy ecology, 2015. – P. 195. / Gabderakhmanova T. S. Comparative analysis of electrical energy storage devices.

Габдерахманова T. O., Директор Л. Б., Попель О. С., Тарасенко А. Б. – №. 23. – Альтернативная энергетическая экология, 2015. – С. 195. / Габдерахманова Т. С. Сравнительный анализ электрических накопителей энергии.

Booth D. A., B. l. Alievsky, S. R. Mizjurin, P. V. Vasiukevich; Ed. Booth D.A. M.: Jeneroatomizdat, 1991. – S. 398 / Booth D. A. Nakopiteli jenergii.

Booth D. A., B. l. Alievsky, S. R. Mizjurin, P. V. Vasiukevich; Ed. Booth D. A. M.: Jeneroatomizdat, 1991. – S. 398. / Booth D. A. Nakopiteli jenergii.

Varypaev V. N. Himicheskie istochniki toka / V. N. Varypaev, Dasojan M. A., Nicholas A. M.: Vysshaja Shkola, 1990. – S. 240.

Chervonenko A. P., Kotin D. A., Rozhko A. V. Transferring the load from the main network to the backup one using a standard automatic transfer switch // News of higher educational institutions. Energy problems. – 2021. – T. 23. – № 5. – P. 160-171.

Червоненко А. П., Котин Д. А., Рожко А. В. Перевод нагрузки с основной сети на резервную с применением типового АВР // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2021. – Т. 23. – № 5. – С. 160-171.

Power semiconductor devices: Handbook / O. G. Chebovsky, L. G. Moiseev, R. P. Unfinished. – 2nd ed. Reworked and additional – M: Energoatomizdat, 1985. – 400 p.

Силовые полупроводниковые приборы: Справочник / О. Г. Чебовский, Л. Г. Моисеев, Р. П. Недошивен. – 2-е изд. перераб. и доп. – М: Энергоатомиздат, 1985. – 400 с.

Boyarskaya N. P. Synthesis of filter-compensating devices for power supply systems: monograph / N. P. Boyarskaya, V. P. Dovgun, D. E. Egorov. – Krasnoyarsk: SFU, 2014. – 192 p.

Боярская Н. П. Синтез фильтрокомпенсирующих устройств для систем электроснабжения: монография / Н. П. Боярская, В. П. Довгун, Д. Э. Егоров. – Красноярск: СФУ, 2014. – 192 с.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.