Stromrichtersysteme zur Netzeinspeisung elektrischer Energie aus Brennstoffzellen

Mohr, Malte

Brennstoffzellen stellen aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades bei der Umwandlung chemischer Energie aus Brennstoffen wie z.B. Wasserstoff oder Erdgas in elektrische Energie eine Alternative zu thermisch-mechanisch-elektrischen Energiewandlungssystemen dar. Bei einer Einspeisung der elektrischen Energie in ein Verbundnetz (Netzparallelbetrieb) muss dazu ein Umrichtersystem die niedrige Gleichspannung des Brennstoffzellensystems in die im Verhältnis dazu hohe Wechselspannung passend zum Netz umwandeln. Wegen der niedrigen Spannung der Brennstoffzelle sind die Eingangsströme des Umrichtersystems verhältnismäßig hoch. Untersuchungen zu Wechselrichtersystemen für Brennstoffzellen stellen einen eigenständigen Forschungsbereich dar. Aktuelle Entwicklungen auf dem Gebiet der leistungselektronischen Schaltungstechnik im mittleren Leistungsbereich lassen sich aus anderen Bereichen nur bedingt auf die Umwandlung der Energie aus Brennstoffzellen bei geringen DC-Spannungen zum AC-Netz übertragen, da die Randbedingungen sehr unterschiedlich sind. In dieser Arbeit werden Untersuchungen und Bewertungen zu unterschiedlichen, prinzipiell geeigneten Wechselrichtertopologien für den mittleren Leistungsbereich um 20 kW und darüber, bezüglich ihrer Anwendung an Brennstozellen für den Netzparallellbetrieb vorgestellt. Neben transformatorlosen Wechselrichtern (direkte Umwandlung der DC-Größen in AC-Größen) werden auch Umrichtersysteme mit zwei gekoppelten Stromrichtern untersucht (DC/DC-Wandler und Wechselrichter). Es erfolgt zunächst eine kurze Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften der Brennstoffzelle sowie der wesentlichen Wechselrichterkomponenten (leistungselektronische Bauelemente, passive Komponenten). Dazu werden die Verlustmechanismen an Leistungshalbleitern erläutert und Berechnungsmethoden zusammengefasst. Für die Auslegung der passiven Elemente (Kondensatoren, Induktivitäten) werden die prinzipiellen Mechanismen genannt aber nicht im Detail betrachtet. Hier wird auf entsprechende Literatur verwiesen. Auf die Zusammenfassung der Anforderungen an ein Wechselrichtersystem für den Netzparallelbetrieb von Brennstoffzellen folgt die analyische Herleitung der Betriebsweise der untersuchten leistungselektronischen Schaltungen bzw. deren Beschreibung durch Gleichungen. Ebenso werden Gleichungen zur analytischen Verlustleistungsbestimmung der Wandler hergeleitet. Für eine Bewertung der Schaltungen in praktischer Hinsicht wurden die untersuchten Wandler aufgebaut und in Betrieb genommen. Die dargestellten Ergebnisse der Experimente verifzieren Teile der theoretischen Untersuchungen und ergänzen sie insbesondere in Bereichen, die durch die gewählte Modellierung nicht erfasst werden, wie z.B. das Kommutierungsverhalten der Leistungshalbleiter. Abschließend erfolgt unter Berücksichtigung der Eigenschaften von Brennstoffzellen eine Bewertung der Schaltungstopologien bezüglich des Einsatzes für den netzparallelen Betrieb in dieser Anwendung. Die Bewertung beruht dabei unter anderem auf der Berechnung der Verluste der Leistungshalbleiter, der Bestimmung des Bauaufwandes der unterschiedlichen Schaltungstopologien bezüglich der Leistungshalbleiter, den theoretisch erreichbaren Wirkungsgraden und den Erfahrungen aus dem experimentellen Betrieb.

Fuel cells represent an important potential alternative to conventional thermal-mechanical- electrical energy transformations due to their highly efficient direct conversion of chemical energy, i.e. hydrogen or natural gas into electrical energy. Inverter systems that feed electrical power from fuel cells into the grid must convert the direct current of the fuel cell into the alternating current of the grid. In addition, these inverters have to adapt the different voltages of the fuel cell system to the grid. Inverter systems for fuel cells can be seen as an own field of research. Only a few results from other fields of research in power electronic circuits in the medium power range - like converters for electrical drives or power supplies - can be applied to inverter systems for fuel cells due to the different technical constraints. In this thesis, different topologies of appropriate inverter systems in the medium power range of 20 kW and higher are analyzed and compared to each other. This study includes transformerless inverters as well as two-stage inverter systems with high frequency transformers (DC/DC converter combined with an inverter). In the beginning, this thesis shows the electrical characteristics of the fuel cell and of the main inverter components like power semiconductors and passive components. In addition, the principles of power semiconductor losses and methods of the semiconductor power loss calculation are shown. This work does not focus on the dimensioning of the passive components like capacitors, chokes and transformers. The main principles of the dimensioning of the passive components are shown but are not analyzed in detail. The summary of the demands of a fuel cell inverter system is followed by the analytical analysis of the different inverter topologies. In addition, the semiconductor loss calculations for the topologies will be derived. To gain practical experience and to verify parts of the theoretical analysis, the converters presented were built and tested in the laboratory. The characteristics of their laboratory performance are shown. Some details of the topologies could only be seen by looking at the experimental results as the semiconductor commutation behavior for example. Finally, the inverter topologies are analyzed regarding their suitability as inverter system for feeding electrical energy from fuel cells to the grid. This analysis takes the electrical characteristics of a fuel cell system into account. It is based on the inverters operating behavior, their semiconductor power rating, the inverter efficiency and experimental results from laboratory setups of the converters. The semiconductor power rating and efficiency are compared based on an analytical calculation of the semiconductor losses.

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Mohr, Malte: Stromrichtersysteme zur Netzeinspeisung elektrischer Energie aus Brennstoffzellen.

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