PSO ELFOR Ansøgning Modulær opbygning af effektelektroniske konverterer i effektområdet 1-10 kw

Transkript

1 PSO ELFOR Ansøgning 2006 Modulær opbygning af effektelektroniske konverterer i effektområdet 1-10 kw Indsatsområde 5b: Effekt- og styringselektronik, Apparater Projektnummer Connection to source + Vdc1 - Connection to load + Vdc2 - Connection to source + Vdc1 - Connection to load + Vdc2 - ection to ource + Vdc1 - Connection to load + Vdc2 - Hovedansøger: MScEE, PhD, Lektor Stig Munk-Nielsen Institute of Energy Technology Aalborg Universitet

2 Dok ansvarlig: JBJ Sekretær: mmh Sagsnr: 05/197 Doknr: 4 Ansøgningsskema PSO - F&U Ansøgning sendt til: Ansøgers referencer: Jørn Borup Jensen, ELFOR, Rosenørns Allé 9, 1970 Frederiksberg C Dato for eventuel revision: 1 Projekttitel på dansk: Modulær opbygning af effektelektroniske konverterer i effektområdet 1-10 kw Projekttitel på engelsk: Modular power electronic converters in the power range 1 to 10 kw Indsatsområde: 5b: Effekt- og styringselektronik, Apparater 2 Kort beskrivelse af projektets formål: Dansk: Formålet med projektet er at øge energivirkningsgraden for jævnspænding til vekselspænding konvertere, hvor lav spænding og høj strøm skal omformes til høj spænding og lav strøm Anvendelsesområder er nødstrømsanlæg, el-trucks og solcelleapparater, som får lav spænding fra batterier, brændselsceller eller solceller Brændselscelle konvertere benyttes som eksempel, og målet er at øge konverterens state-of-the-art dc-ac virkningsgrad fra omkring 90 % til 96% Indsatsen, der skal til for at få en høj virkningsgrad, stiger når spændingen falder Ved en indgangsspænding på 17 V dc er nævnte mål på 96 % svært opnåeligt, men ved 400 V dc indgangsspænding er det standard eller tæt på For hele brændselscelle anlægget giver virkningsgradsforbedringen en forventet besparelse på 4000 kwh pr 10 kw anlæg med en levetid på 5000 timer Der er en brændselscellestak besparelse på 3100 kr for en 10 kw stak med en anslået stakpris på kr Der igangsættes to PhD studier, som skaber ny viden ved systematisk at kortlægge fordele og ulemper ved modulær opbygning To demonstrator konvertere opbygges, en med galvaniskadskillelse og en uden galvaniskadskillelse Der skal skabes en patent portefølje og et grundlag for anvendelse af principperne for modulær opbygning i de deltagende virksomheders produkter Engelsk: In this project the goal is to increase the dc to ac power converter efficiency Focus is on low input voltage and high current converted to high voltage and low current Applications are UPS, electrical forklift truck and solar cell devices connected to low a voltage from batteries, fuel cell stacks or solar cells Fuel cell converters are used as an eample, and the goal is to increase the state-of-the-art efficiency from 90 % to 96 % The effort obtaining 96 % is increased when the input voltage decreases, and with an input voltage of 17 V the goal is difficult to obtain, but with an input voltage of 400 V the efficiency is close to standard The fuel cell system efficiency is dependent on the converter, and with the epected efficiency of 96 %, there is a saving of 4000 kwh pr 10 kw system, with an epected life time of 5000 h There is an epected saving of 3,100 kr for the 10 kw fuel cell stack, with an estimated total price of 40,000 kr Two PhD projects are initiated, and they will contribute with new knowledge by a systematic approach where advantage and disadvantages of modular converter design are investigated Two demonstrator converters are realized, one with galvanic isolation and one without A patent portfolio is epected and a basis for the participating companies to implement the project results

3 3 Dato: Underskriftansvarlig: Oplysninger om projektansvarlig og andre deltagere Projektansvarlig (virksomhed/institution): Aalborg Universitet Adresse: Pontoppidanstræde 101, 9220 Aalborg Øst CVR-nr: Tlf: Fa: Inst-sekr@ietaaudk Underskrift-ansvarlig: John K Pedersen Tlf: Fa: jkp@ietaaudk Projektleder: Stig Munk-Nielsen Tlf: Fa: Øvrige projektdeltagere smn@ietaaudk Nøglemedarbejdere: Tlf: Fa: Navn og CVR-nr på virksomhed eller institution: Ørsted DTU, Automation, CVR nr DK Professor Michael A E Andersen ma@oersteddtudk KK-Electronic A/S, CVR nr DK Udviklingschef, Henrik Simonsen hs@kk-electronicdk Ingeniør, Rasmus Nielsen Grundfos Management, CVR nr Afd leder Poul Toft Frederiksen ptfrederiksen@grundfoscom Senior ingeniør Henrik Kragh hkragh@grundfoscom APC Denmark A/S, CVR nr Udviklingschef Klaus Moth KlausMoth@apcccom Chef ingeniør Henning Roar Nielsen PowerLyn A/S Udviklingschef Uffe Borup ub@powerlyncom 5 Finansiering og timeforbrug: Hvis der ønskes et højere omkostningstillæg end beskrevet i regelsættet, skal der anføres en særskilt begrundelse herfor Virksomhed/institution (Øvrig finansiering skal specificeres) PSO-tilskud Egenfinansiering Alle beløb i 1000 DKK Øvrig finansiering Total Heraf løn Timer Aalborg Universitet 1422,00 552, , DTU 1422,00 552,0 1974, , KK-elektronic a/s 0 379,5 379,50 379, Grundfos Management A/S ,8 1000, , APC Denmark ApS 0 487, ,62 487, Power Lyn A/S 0 427,0 427,00 370, Total 2844, , , ,

4 PSO-tilskud i % af totalbudget: 45% Bemærkninger: 6 Projektbeskrivelse (Maks en side) Ud fra beskrivelsen skal en fagkyndig kunne bedømme projektets målsætning, indhold og metode Der vil ofte være behov for en uddybende projektbeskrivelse til brug for den faglige vurdering Supplerende materiale vedlægges elektronisk om muligt Målsætning: At øge energieffektiviteten for effektelektroniske dc-ac konvertere med stor spændingsforstærkning, målet er 96% ved en lav dc indgangsspænding og en udgangsspænding på mindst 230 Vac Anvendelsesområdet af sådanne konvertere er stort, alene i Danmark er der fabrikanter af el-truck drevsystemer, brændselscelle- og solcelleapparater Indhold: State-of-the art analyse Analytiske modeller af konverter topologier til beregning af strøm og spændingsstress samt effekttab Kortlægning af konverters egenskaber ved parallelkobling/seriekobling Udvælgelse af konvertere Optimering af konvertere mht virkningsgrad og effekttæthed ved inddragelse af komponentegenskaber Styrestrategier og regulering af konverterne og dets enkelte moduler Realisering af effektelektronik og regulering Test af konvertere Metode: Der opslås to PhD projekter med samme målsætning, et på DTU og et på AAU Der vil være krav om galvanisk adskillelse mellem dc og ac delen i det ene projekt på DTU, og krav om ikke-galvanisk adskillelse i det andet projekt på AAU Standard dc-ac konverteren er sammensat af en dc-dc og en dc-ac del, hvor dc-dc konverteren øger indgangsspændingen til eksempelvis 400V I dette projekt vil muligheden for en direkte konvertering fra dc til ac blive medtaget Forbedrede effekthalvledere som har mindre effekttab ved tænding og slukning åbner op for nye praktiske kredsløbsmuligheder De bedre egenskaber skyldes anvendelse af SiC halvleder materiale og forbedrede produktionsprocesser For at realisere en høj virkningsgrad opbygges dc-dc konverteren i moduler som parallel eller seriekobles og hvert enkelt modul er optimeret til højest mulige virkningsgrad Parallel eller seriekobling betyder at virkningsgraden bibeholdes I et forprojekt er der opnået resultater med virkningsgrader på 96 % for en 1 kw dc-dc konverter med ti konverter moduler i parallel Virkningsgraden på 96 % blev opnået ved en indgangsspænding på 17 V og udgangsspænding på 384 V Med 40 V indgangsspænding øges virkningsgraden til 975 % I projektet vil resultatet af hver PhD projekt være rapporter og artikler, men det er af stor betydning at der hver i hvert PhD projekt opbygges en konverter som testes Som nævnt i vedlagte appendiks 1 er der udvikling lavet en demonstrator konverter, og dette projekt vil muliggøre at der udføres endnu to demonstratorer inden for det første år af projektet

5 7 Projektets relevans: (Maks en side) Der kan argumenteres for projektets energipolitiske, samfundsmæssige og internationale relevans Der skal redegøres for projektets relevans i forhold til PSO-udbuddet for 2005 Ansøger skal kunne placere projektet i en større sammenhæng Det kan være i forhold til publicerede strategier på området, eller til eksempelvis nationale målsætninger Ansøger skal redegøre for hvorledes projektet bygger på tidligere resultater Jævnspændingsproducerende enheder, herunder brændselsceller og solceller har en betydelig kostpris, hvilket gør det interessant at omformningen fra jævnspændingen til vekselspænding gøres energieffektivt En øget energivirkningsgrad for den effektelektroniske konverter betyder en økonomisk besparelse, fordi der eksempelvis skal færre brændselsceller til at yde en given effekt Dernæst vil den høje virkningsgrad give en el-besparelse I et tidligere PSO projekt 5134 har der været anvendt solcelle konvertere med galvanisk adskillelse og i igangværende PSO projekt 5780 anvendes en solcelle konverter uden galvanisk adskillelse Inden for brændselscelle og batteri anvendelsesområderne har man i årevis benyttet konvertere med og uden galvanisk adskillelse Modulær opbygning benyttes i danske virksomheder, som laver effeffektelektroniske konvertere og derfor vil en forskningsindsats være interessant I Energistyrelsens regi findes en række projekter ENS-1443/ og ENS-14443/ samt ELTRA-4524, hvor modularisering af invertere indgår I dette nye projekt deltager virksomheder fra nævnte projekter, således at der bygges videre på hidtil opnåede erkendelser og erfaringer I dette projekt, som er anvendelsesorienteret forskning, kortlægges systematisk hvorledes man ved modulær opbygning af effektelektronikken opnår høj virkningsgrad På denne måde opnår man ikke den mest simple konverter, men en øget pålidelighed, levetid og jævn fordeling af tabseffekt på mange komponenter Der er vækst inden for solcelleanlægsmarkedet, og der forskes og udvikles inden for brændselscelleanlæg Høje energipriser øger interessen for denne type enheder, og der er store vækstpotentialer men der er også hård international konkurrence I eksempelvis USA, Tyskland og Canada er der en betydelige aktivitet inden for brændselscelle anlæg Hos US Department of Energy støttes brændselscelle konverter projekter, og et af deres projekter [1] har realiseret en state-of-the-art transformerbaseret dc-dc konverter med tre parallelkoblede moduler med en virkningsgrad på % I dette projekt er besparelsesformålet at omsætte mest muligt elektricitet fra brændselsceller og solceller til salgbar elektricitet ved at fokusere på den effektelektroniske konverter Nationalt udvikler virksomhederne APC Denmark og PowerLyn konverterer til brændselsceller og solceller Som nævnt i den korte projektbeskrivelse giver en virkningsgradsforbedringen fra 90 % til 96 % en forventet besparelse på 4000 kwh pr 10 kw anlæg med en levetid på 5000 timer Der er en brændselscellestak besparelse på 3100 kr for en 10 kw stak med en anslået stakpris på kr Den samlede el-besparelsen ved at hæve konverter virkningsgraden fra 90 % til 96 % afhænger af antallet af apparater der sælges, og antallet af apparater kendes ikke Men det vides at adskillige danske virksomheder har brug for at øge deres effektelektroniske konverteres virkningsgrad Det vil gavne deres evne til at konkurrer på det internationale marked [1] A novel three-phase high-power soft switched DC/DC converter for low voltage fuel cell applications, Liu, C; Johnson, A; Lai, J-S; Applied Power Electronics Conference and Eposition, 2004 Nineteenth Annual IEEE APEC '04 Volume 3, 2004 Page(s): Vol3

6 8 Projektansvarliges F&U-strategi: Beskriv sammenhængen med den projektansvarlige virksomheds øvrige projekter med relevans for den foreliggende ansøgning, gerne i form af en F&U-plan eller strategi I det omfang ansøger er bekendt med beslægtede projekter skal disse oplyses At Aalborg University, Institute of Energy technology the Fuel Cell Systems and the Green Power Converter group work with relevant projects This project will be connected to the Green Power Converter group Since there is a environment with presently four PhD students and it is headed by Remus Teodorescu, being very active in this field of research The mission of the Green Power Conversion research program is to conduct leading edge research at internationally ecellent level in the field of the power converters connected to the grid, to improve reliability, energy efficiency and cost reduction for future green power converters and to support the development of the PV inverter technology for Danish companies The main applicant has developed a fuel cell converter for a Fuel Cell systems group project The converter is described in appendi 1 Green Power Converter group research projects: Reliable Grid Condition Detection (STVF, Risø, ELTRA) High frequency analysis and modeling of transformerless PV inverter systems (AAU, Powerlyn,PSO, ) Control Development for Residential PV Inverters with Software Anti-Aliasing Feature (AAU, Powerlyn A/S)) New control algorithms and more energy from PV-systems in Residential Applications (AAU, PSO/ELTRA) Reliable Grid Condition Detection and Control of Single-phase DGPS (AAU, STVF) Monitoring and Advanced Control of Three-Phase Distributed Power Generation System (AAU, Risø, Eltra) Inverter for Photovoltaic Applications (AAU, Teknologisk Institut, RISØ, ) At DTU the power electronics group is located at Ørsted DTU and headed by Professor Michael A E Andersen, further members include 2 associate professors, a research assistant, 2 PhD students, and a project secretary Yearly around 10 candidates with specials within power electronics are educated For more than a decade, work at Ørsted DTU has been carried out in the field of switchmode audio power amplifiers, which has now become today's standard in this field and has made Ørsted DTU the world research leader In addition to numerous research results as papers, publications, patents, and candidates this work has resulted in 2 Danish spin-off companies: Toccata (now Teas Instruments Denmark) and Bang & Olufsen ICEpower The power electronics group at Ørsted DTU has done research in power converters ranging from mega-watt power electronics in the electricity supply (eg dynamic phase compensators for wind turbines) through kilo-watt energy efficient rectifiers (for telecommunications industry) and hundreds-of-watt high-efficiency switchmode audio power amplifiers (used by Bang & Olufsen) to milli-watt ultra-low-consuming standby power supplies for consumer applications, eg mid/high-end TV sets Energy-Saving Rectifier, , (DTU, APW, B&O, B&O ICEpower) EFP-00 Jnr 1273/ Fault Tolerant Power Systems, , (DTU, Alcatel Space/DK) funded by Alcatel Space and a DTU PhD grant SICAM - SIngle Conversion stage AMplifier, , (DTU, B&O ICEpower) EFP-02 Jnr 1273/ Ultra-fast Tracking Power Supplies, , (DTU) funded by a grant from Radio Parts Fonden Furthermore DTU has recently applied for a patent of an invention, which will be of high importance for this project

7 9 Formidlingsplan, offentliggørelse og forankring af projektets resultater: Oplys hvilke formidlingsaktiviteter der er planlagt i projektet, for eksempel artikler eller konferenceindlæg Beskriv hvorledes projektets resultater tænkes anvendt efter projektets afslutning Resultater og rapportering af projektet vil som hovedregel være offentligt tilgængeligt Deltagelse i messer nationalt og internationalt Der er bestilt messeplads på Elektronik 06 og her vil dette projekt være relevant - særligt demonstrator hardwaren og resultater er egnet til messer Der bliver udarbejdet en række artikler som bliver præsenteret på internationale konferencer APEC, IAS, PESC, EPE hvilket er af stor vigtighed for de deltagende universiteter Der skal publiceres i journals Der laves to projektrapporter, og der foretages en offentlig præsentation af projekterne i forbindelse med de to PhD forsvar i projektet Til sådanne præsentationer deltager virksomheder, studerende og forskere fra ind og udland Løbende i projektet vil resultater bliver præsenteret i nationale netværk, og i danske fagblade som Elteknik og Ingeniøren Det er ambitionen at projektet vil bidrage løsninger som har stor industrielle interesse og er patenterbare, på denne måde sikres i størst muligt omfang at resultaterne vil blive anvendt 10 Samlet budget: Skemaet udfyldes, så det viser de totale faktiske omkostninger i projektet Hvis der for private indregnes et højere omkostningstillæg på bruttolønnen end 50 %, skal der anføres en særskilt begrundelse herfor For statslige forskningsinstitutioner, der udfører ikke-kommercielle aktiviteter, som er helt eller delvist finansieret af statslige fonds- og programmidler, kan der lægges overhead på op til 20 % af de direkte udgifter, det vil sige såvel løn som alle andre dokumenterede udgifter Budget, beløb i 1000 DKK Omkostningsart År 2006 År 2007 År 2008 År 2009 Total Lønomkostninger 673, , ,12 661, ,05 134,79 274,02 281,22 132,36 822,39 Rejse- og opholdsudgifter 16,67 33,33 33,33 16,67 100,00 Eksterne ydelser Apparater, udstyr, materialer 177,84 355,66 355,66 197, ,00 Andet (specificeres) 21,26 42,89 42,89 14,44 121,48 Sum pr år/total 1,024, , , , ,92 Eventuelle indtægter og restanlægsværdi ved projektafslutning Sum netto Eventuelle kommentarer til budgettet: Andet: 20% overhead af rest ud over løn 111/6 Arbejdsdeling og projektorganisation for samtlige projektdeltagere: Skemaets pkt 11 kopieres og udfyldes for hver deltagende virksomhed eller institution Hvis der kun er en deltager, springes punktet over Budgettet specificeres for hver deltagende institution/virksomhed på bilag 1 til ansøgningsskemaet Navn på virksomhed eller institution: Aalborg Universitet Kvalifikation i relation til projektet: Udfører forskning i effektelektronik inden for områderne nødstrømsanlæg, brændselscelle konvertere og solcelle konvertere Arbejdsopgaver: Phd vejledning og forskning Dokumentation og publicering af artikler til konferencer og journals Deltagelse i konferencer og messer Udvikling af demonstrator 1 Budget, beløb i 1000 DKK Omkostningsart År 2006 År 2007 År 2008 År 2009 Total Lønomkostninger 171,00 354,00 372,00 183, ,00 34,20 70,80 74,40 36,60 216,00 Rejse- og opholdsudgifter 5,84 11,66 11,66 5,84 35,00

8 Eksterne ydelser Apparater, udstyr, materialer 86,67 173,33 173,33 96,67 530,00 Andet 18,50 37,00 37,00 20,50 113,00 Sum pr år/total 316,20 646,79 668,39 342, ,00 Bemærkninger: Andet: 20% overhead på andet end løn 112/6 Arbejdsdeling og projektorganisation for samtlige projektdeltagere: Skemaets pkt 11 kopieres og udfyldes for hver deltagende virksomhed eller institution Hvis der kun er en deltager, springes punktet over Budgettet specificeres for hver deltagende institution/virksomhed på bilag 1 til ansøgningsskemaet Navn på virksomhed eller institution: DTU Kvalifikation i relation til projektet: Udfører forskning i effektelektronik inden for områderne strømforsyninger, lav energi strømforsyning, switch mode audio forstærkere og nødstrømsanlæg Arbejdsopgaver: Phd vejledning og forskning Dokumentation og publicering af artikler til konferencer og journals Deltagelse i konferencer og messer Udvikling af demonstrator 2 Budget, beløb i 1000 DKK Omkostningsart År 2006 År 2007 År 2008 År 2009 Total Lønomkostninger 171,00 354,00 372,00 183, ,00 34,20 70,80 74,40 36,60 216,00 Rejse- og opholdsudgifter 5,84 11,66 11,66 5,84 35,00 Eksterne ydelser Apparater, udstyr, materialer 86,67 173,33 173,33 96,67 530,00 Andet 18,50 37,00 37,00 20,50 113,00 Sum pr år/total 316,20 646,79 668,39 342, ,00 Bemærkninger: Andet: 20% overhead på andet end løn 113/6 Arbejdsdeling og projektorganisation for samtlige projektdeltagere: Skemaets pkt 11 kopieres og udfyldes for hver deltagende virksomhed eller institution Hvis der kun er en deltager, springes punktet over Budgettet specificeres for hver deltagende institution/virksomhed på bilag 1 til ansøgningsskemaet Navn på virksomhed eller institution: Grundfos A/S Kvalifikation i relation til projektet: Cirkulationspumper til små kedelanlæg udgør en ikke ubetydelig del af Grundfos forretning Grundfos har derfor til stadighed en interesse i at undersøge og præge udviklingen på dette område Fremtidige kedelanlæg i småhuse kunne tænkes at blive små kraftvarmeværker baseret på feks Stirling motorer eller brændselsceller Derfor er det meget relevant at undersøge nærmere, hvilke problemstillinger og muligheder disse teknologier bibringer Arbejdsopgaver: Følgegruppe Budget, beløb i 1000 DKK Omkostningsart År 2006 År 2007 År 2008 År 2009 Total Lønomkostninger 167,40 333,00 333,00 167, ,80 Rejse- og opholdsudgifter Eksterne ydelser Apparater, udstyr, materialer Andet Sum pr år/total 167,40 333,00 333,00 167, ,80 Bemærkninger:

9 114/6 Arbejdsdeling og projektorganisation for samtlige projektdeltagere: Skemaets pkt 11 kopieres og udfyldes for hver deltagende virksomhed eller institution Hvis der kun er en deltager, springes punktet over Budgettet specificeres for hver deltagende institution/virksomhed på bilag 1 til ansøgningsskemaet Navn på virksomhed eller institution: KK-electronic A/S Kvalifikation i relation til projektet: Energi og Miljø divisionen, arbejder som leverandør af komplette styringssystemer målrettet mod alternativ energi, herunder, vindmøllestyringer, bølgeanlæg, brændselsceller mm Tabseffektive og konstruktionsoptimerede løsninger til energikonvertering vil være afgørende for konkurrencedygtige og optimerede løsninger til vore kunder Arbejdsopgaver: Følgegruppe Budget, beløb i 1000 DKK Omkostningsart År 2006 År 2007 År 2008 År 2009 Total Lønomkostninger 63,25 126,50 126,50 63,25 379,50 Rejse- og opholdsudgifter Eksterne ydelser Apparater, udstyr, materialer Andet Sum pr år/total 63,25 126,50 126,50 63,25 379,50 Bemærkninger: 115/6 Arbejdsdeling og projektorganisation for samtlige projektdeltagere: Skemaets pkt 11 kopieres og udfyldes for hver deltagende virksomhed eller institution Hvis der kun er en deltager, springes punktet over Budgettet specificeres for hver deltagende institution/virksomhed på bilag 1 til ansøgningsskemaet Navn på virksomhed eller institution: PowerLyn a/s Kvalifikation i relation til projektet: Invertere er et kerneområde for PowerLyn PowerLyn udvikler og producerer invertere til de førende producenter af solceller til anvendelse i nettilsluttede anlæg Invertere til brændselsceller vil være en del af virksomhedens arbejdsområde i fremtiden Derfor er det meget relevant at undersøge nye teknologier til højeffektiv konvertering Arbejdsopgaver: Følgegruppe Budget, beløb i 1000 DKK Omkostningsart År 2006 År 2007 År 2008 År 2009 Total Lønomkostninger 41,11 82,22 82,22 41,11 246,67 20,55 41,11 41,11 20,56 123,33 Rejse- og opholdsudgifter 5,00 10,00 10,00 5,00 30,00 Eksterne ydelser 0 Apparater, udstyr, materialer 4,50 9,00 9,00 4,50 27,00 Andet Sum pr år/total 71,16 142,34 142,34 71,17 427,00 Bemærkninger:

10 116/6 Arbejdsdeling og projektorganisation for samtlige projektdeltagere: Skemaets pkt 11 kopieres og udfyldes for hver deltagende virksomhed eller institution Hvis der kun er en deltager, springes punktet over Budgettet specificeres for hver deltagende institution/virksomhed på bilag 1 til ansøgningsskemaet Navn på virksomhed eller institution: APC Denmark A/S Kvalifikation i relation til projektet: APC udvikler og laver nødstrømsanlæg i effektområdet 500 W op til flere MW I den forbindelse er brændselscelle systemer ved at bliver udviklet Effektelektroniske konvertere er et kerneområde og af største vigtighed Derfor er meget vigtigt at initiere projekter som kan lede til nye løsninger og give en platform for fremtidig udvikling af effektelektronik Arbejdsopgaver: Følgegruppe Budget, beløb i 1000 DKK Omkostningsart År 2006 År 2007 År 2008 År 2009 Total Lønomkostninger 60,20 120,40 120,40 24,08 325,08 30,10 60,20 60,20 12,04 162,54 Rejse- og opholdsudgifter Eksterne ydelser Apparater, udstyr, materialer Andet Sum pr år/total 90,30 180,60 180,60 36,12 487,62 Bemærkninger:

11 13 Tidsplan (vedlæg gerne mere udførlig tidsplan) År 2006 År 2007 År 2008 År 2009 Startdato: juni 2006 Slutdato: juni Fase 1 Analyse State-of-the art analyse Analytiske modeller af konverter topologier til beregning af strøm og spændingsstress samt effekttab Kortlægning af konverters egenskaber ved parallelkobling/seriekobling Milepæl 1: Udvælgelse af konvertere Fase 2 Optimering Optimering af konvertere mht virkningsgrad og effekttæthed ved inddragelse af komponentegenskaber Styrestrategier og regulering af konverterne og dets enkelte moduler Milepæl 2: Modulariseringsgrad Fase 3 Realisering Realisering af effektelektronik Realisering af styring og regulering Test af konvertere Milepæl 3: Virkningsgrad - status Dokumentation

12 Appendi 1: Projektbeskrivelse Den effektelektronisk konvertering mellem to spændingsniveauer giver effekttab For at mindske effekttabet er der to muligheder, enten fordeles spændingsniveauet eller strømmen ud på flere mindre effektenheder, som så enten serie- eller parallelkobles Hver effektenhed skal designes til at opnå optimal virkningsgrad og stress Parallelkobles effektenhederne eksempelvis bliver konverterens samlede virkningsgrad identisk med den enkelte effektenheds virkningsgrad Herved kan opnås høj virkningsgrad og mindre stress af komponenter [2],[3],[4],[5] Som eksempel på en topologi som kan parallelkobles anvendes boost konverteren, da den på simpel vis kan øge udgangsspændingen i forhold til indgangsspændingen Den øvre grænse for forstærkningen ligger i praksis på 2-4 gange [1] Ideelt set kan man dog lave en uendelig høj forstærkning, men de virkelige komponenters egenskaber sætter grænsen for forstærkningen Hvorfor ligger der en grænse på 2-4 gange i praksis? Det kan som nævnt skyldes komponenter der ved store forstærkninger har store effekttab og dermed giver konverteren en lav virkningsgrad, men selve styringen af konverteren kan også være årsag til problemer Først ses på virkningsgraden for boost konverteren, lidt forsimplet er virkningsgraden beskrevet ved følgende ligning: Hvor: R L R DS R O V ON D f s P O V O E s P R + DR V f E η = 1 = 1 Pin R V O O PO loss L DS ON s s = resistans af boost inductor = lede resistans for power mosfet = last resistans = ledespændingsfald for diode = duty-cycle for power mosfet = switchfrekvens = udgangseffekt = V 2 O /R O = udgangsspænding = switch energi for power mosfet 2 ( 1 D) { { led1 led 2 led 3 I ligningen kan ses bort fra led 2 og led 3 når udgangsspændingen (V O ) er høj og switch energitabet (E S ) er lavt Switchtabet er lavt, når der anvendes SiC dioder Med en lav R L og R DS og høj R O vil virkningsgraden blive høj, for D nær 1 falder virkningsgraden For power mosfet stiger R DS når V O øges, med cool mos transistor er R DS imidlertid lav (eksempelvis 40mΩ) og den vil være egnet til at nå høj virkningsgrad ved udgangsspændinger V O på 400 V Ulempen er en dårlig udnyttelse af transistoren ved lave indgangsspændinger En måde at håndtere situationen er at serie-koble brændselsceller/batterier til en spænding på V, dette giver imidlertid også ulemper Denne løsning er velkendt og er ikke en del af dette projekt

13 Nu vises effekten af at parallel koble boost konvertere Der parallelkobles 5 stk, 10 stk og 20 stk konvertere De anvendte data som benyttes i virkningsgradsligningen er: R L = 50 mohm R DS = 50 mohm R O = V 2 O /(P O /N p ) V ON = 2 V D = 1-Vin/V O Vind = 17 V V O = 400 V f s E s = 15 W N p angiver hvor mange boost konvertere som er parallel koblede Ovennævnte teoretiske figur for virkningsgrad viser, at der ved parallelkobling af 10 boostkonvertere kan opnås en virkningsgrad på 96 % ved en boostkonverter udgangseffekt på 1 kw Det ses af at den vandrette linie som indikerer en virkningsgrad på 96 %, skærer linien for Np=10 ved 1 kw Hovedansøger har realiseret en boostkonverter, som øger indgangsspændingen på 17 V til en udgangsspænding på 385 V Bla for at eftervise, at det kan lade sig gøre at lave en boostkonverter med en forstærkning på 22 gange, som har en virkningsgrad på 96 % Den opbyggede konverter er vist på nedenstående figur

14 Konverteren booster spænding fra 17 V til 385 V med en målt virkningsgrad på 96 % I den viste version er det kun 800 W, da der mangler to spoler som på daværende tidspunkt ikke var lavet Der er lavet flere forskellige bread-board versioner på 100 W, 200 W og 700 W inden konverteren blev lagt ud på print Øges indgangsspændingen kan virkningsgraden øges ved en passende justering af switchfrekvensen, og der er opnået en virkningsgrad ved 40 V på 97 % Som en detalje kan nævnes, at der også er en buck-boost konverter, som laver en negativ dc-spænding og de to udgangsspændinger af konverteren er reguleret til +350V og -350V, således at der kan kobles inverter på Inverteren frembringer 230 V ac ved 50 Hz Den viste konverter er en af flere topologier af interesse, og ikke den konverter med den forventede bedste ydelse I første omgang er det er blevet vurderet vigtigt at realisere en demonstrator med en høj forstærkning, med så få ubekendte som muligt Normalt vil man ikke forvente en forstærkning på 22 gange i en boostkonverter, men demonstratoren har vist det er muligt Konverteren har en høj virkningsgrad, den mangler dog noget i effekttæthed og der vil den have det svært i konkurrencen med en konverter, som har en indgangsspænding på V Effekttætheden bør være to til tre gange så høj Yderligere styres hele konverteren fra en dsp (Teas TMS2812), hvori der er implementeret regulering af indgangsstrømmen og de ± 350 V udgangsspænding Indgangsstrømmen til konverteren udmærker sig ved at have en lav ripple, dette skyldes at de 10 boostkonvertere arbejder forskudt inden for switch perioden Switchningerne er tidsmæssigt jævnt fordelt og det gøres med en simpel ringtæller [Kilde] Ved en indgangsspænding på 17 V er switch frekvensen 20 khz for den enkelte boostkonverter, og dette betyder at indgangsstrømmen har en ripplefrekvens på 200 khz Forskydningen af switchtiderne giver også en meget lav strømstress af dc-kondensatoren Ved en indgangsstrøm på 60 A ser kondensatoren kun en amplitude på 6 A ved en frekvens på 200 khz Den viste demonstrator viser, at parallekobling kan give høj virkningsgrad, og her vil det være interessant at få kortlagt hvilke konvertertyper/topologier der vil være egnet til parallelkobling Det skal kombineres med en undersøgelse af hvorledes antallet af parallelkoblede konvertere vil give højere virkningsgrad Det kræver en detaljeret viden om de komponenter som indgår i konverteren samt kendskab til styring af konverterene, og det kan udmærket være, at der kræves en bestemt drift form af konverteren for at få den til at giver den højeste virkningsgrad ved forskellige indgangsspændinger Man kan forestille sig at en 1kW konverter kan laves helt uden køleplade, ved at parallelkoble nok konvertere Antallet af halvledere vil være stort, men de magnetiske kredsløb vil blive små, og konverteren vil blive kompakt

15 I den forbindelse giver anvendelsen af DSP og FPGA særdeles gode muligheder for at udfolde fantasien Det bør være muligt for to PhD studerende, ved en passende sparring med følgegruppen og vejledere, at frembringe konvertere der formår at udnytte mulighederne ved anvendelse af Cool-mos power transistorer og SiC dioder/transistorer til nytænkning og patentbare ideer References [1] Modeling and performance studies of a fuel-cell powered boost converter, Yu, D; Yuvarajan, S;Telecommunications Energy Conference, 2004 INTELEC Sept 2004 Page(s): [2] Modelling and control of interleaved parallel converters with nonidentical parameters, Sivakumar, SC; Sivakumar, S; Tran, HP; Telecommunications Energy Conference, 2001 INTELEC 2001 Twenty-Third International, Oct 2001 Page(s): [3] Series-parallel connection of DC-DC converter modules with active sharing of input voltage and load current, Bhinge, A; Mohan, N; Giri, R; Ayyanar, R; Applied Power Electronics Conference and Eposition, 2002 APEC 2002 Seventeenth Annual IEEE, Volume 2, March 2002 Page(s): vol2 [4] Parallel converter systems with maimum current limit control scheme for reliability improvement Wu, T-F; Hung, C-Y; Lee, CQ; ISCAS '93, 1993 IEEE International Symposium on Circuits and systems, May 1993 Page(s): vol4 [5] New synchronizing circuit for switching power module with automatic interleaving operation, Kohama, T; Minoda, Y; Ninomiya, T; INTELEC 24th Annual International Telecommunications Energy Conference, 2002, 29 Sept-3 Oct 2002 Page(s):

16 Appendi 2 Fuel Cell Systems: Fuel Cell Systems har følgende forskningsprojekter: Design and Control of Household CHP Fuel Cell System DMFC fuel cell system with battery-like characteristics Development of integrated DMFC and PEM fuel cell units 3kW DMFC fuel cell generator Development and demonstration of 1-2 kwe natural gas fired fuel cell CHP unit Fuel Cell Shaft Power Pack (FC-SPP) Development of fuel cell power unit based on propane reforming Development of high-temperature PEM fuel cell system based on ethanol reforming

17 Appendi 3, CV for Stig Munk-Nielsen Name Stig Munk-Nielsen Born in Copenhagen Education and professional carrier 1991 M Sc Obtained from Institute of Energy Technology, Aalborg University Echange student IAESTE in São Paulo Brazil (6 ½ mdr) 1992 Teaching assistant at Aalborg University (11 mdr) 1993 Starting PhD at Aalborg University Visiting RWTH in Aachen Germany (4 mdr) 1996 Employed as assistant professor at Aalborg University PhD (European Doctorate) obtained Employed as associate professor at Aalborg University Industry projects/res earch projects 1998 Deskline power supply, In 1998 develop a 250 W SMPS for a company (LINAK A/S) EFP project: Resonance inverter with high efficiency, budget 15 Mdkr 2003 Project with Migatronic, model of transformer and cable 2005 Project with Garre/Vestas Wind Systems A/S, measuring on current transformers Awards 1998 Receive A R Angelo s award of kr doing research within the area of power electronics Patents Paper reviewer A method and a circuit for resonance conversion Patent number: WO Resonant converter Patent number: WO IEEE Transactions on Power Electronics and EPE Selected papers, patents and reports 1 Munk-Nielsen S, Blaabjerg F, Pedersen JK; Link voltage Peak Control of Parallel Resonant Converter by Control of the Converter Switching Instant Proceed of PESC '95, Vol 2, 1995, pp Blaabjerg F, Jaeger U, Munk-Nielsen S, Pedersen JK; Power Losses in PWM-VSI Inverter Using NPT or PT IGBT Devices IEEE Trans On Power Electronics, Vol 10, No 3, May 1995, pp Munk-Nielsen S, Blaabjerg F, Pedersen JK, Protiwa FF, Apeldorn O; A new Parallel Converter Link voltage Control Proceed of PEDES '96Vol 1, 1996, pp Munk-Nielsen S; Three Phase Resonant DC Link Converters - Analysis and Simulation Part one of PhD thesis ISBN (kpl) Juni Munk-Nielsen S; Three Phase Resonant DC Link Converters- Analysis, Realization and Test Part two of PhD thesis ISBN (kpl) Juni 1997

18 6 Munk-Nielsen S, Blaabjerg F, Pedersen JK Ny frekvensomformer reducerer stress på motoren Elteknik nr 8, 1996, pp Munk-Nielsen S, Blaabjerg F, Pedersen JK A Link voltage Peak Control of Parallel Resonant Converter by Control of the Converter Switching Instant IEEE Trans On Power Electronics, September Munk-Nielsen S, Blaabjerg F, Pedersen JK; An Efficiency Study of a Robust and Simple Three Phase Resonant Converter Proceed of EPE 1997, Vol 1, pp Munk-Nielsen S, Blaabjerg F, Pedersen JK A New Robust and Simple Three Phase Resonant Converter Proceed of IAS Munk-Nielsen S;A method and a circuit for resonance conversion PCT International Application Patent Application No 583/97 Submitted 19 Maj Munk-Nielsen S; A simple resonant converter circuit DK patent application submitted Munk-Nielsen S; A Three Level Natural Clamped Converter (NCC) Maintaining Resonance Using the Non-short Circuit Method, Proceed of IPEC 2000 pp April Lau M, Sørensen PF, Jensen P, Munk-Nielsen S ;Comparison of Sigma Delta Modulators used in multilevel converters Proceed of NORPIE 2000 pp June Munk-Nielsen S, Tutelea LN, Jæger U; Simulation with Ideal Switch Models Combined with Measured Loss Data Provides a Good Estimate of Power Loss, IAS 2000, October 15 Munk-Nielsen, S; Resonant dc Link Converters In Control in Power Electronics : selected problems / Kazmierkowski, Marian P : Krishnan, R : Blaabjerg, Frede California, USA : Academic Press, 2002 (Academic Press Series in Engineering) 16 Munk-Nielsen S, Bech M M, Teodorescu R, Pedersen J K; Simulink model of a three level converter leg including device losses In IEEE Power Conversion Conference (PCC) 2002, Osaka, Japan, 2-5 April, pp pp Munk-Nielsen S, Bech M M; Teodorescu, R, Pedersen, J K; A three level Natural Clamped Inverter (NCI) In IPEC Sevilla, Spain, 5-8 November pp 6 p CD-Rom 18 Munk-Nielsen, S, Bech M M ; Teodorescu R; Tre-niveau resonanskonverter anvendt i UPS-anlæg In Elteknik : 2003 ; vol 20, No 10 pp Munk-Nielsen S, Teodorescu R Bech, M M,Pedersen J K; Comparison of soft and hard-switching effiency in a three-level single phase 60kW dc-ac converter, In EPE 2003, 2-4 september Munk-Nielsen S, Christiansen, H C; A simple and accurate non-linear transformer model including hysteresis implemented in Matlab In CIRCUITS, SIGNALS, AND SYSTEMS, IASTED 2004, Florida, USA, 28 november 1 December pp artikel nr

19 Bilag 1 til ansøgningsskema Dato: Budgetspecifikation af lønomkostninger til punkt 11 af ansøgningsskema For organisation/virksomhed: Grundfos Management A/S Medarbejderkategori Timer Kostpris kr/time kr/time Total timepris kr/time Totalpris kr Forsker/projektleder A 0 forsker B 0 Total Ingeniør ,400 Ingeniør ,000 Ingeniør ,000 Ingeniør ,400 Total 1,668 1,000,800 Teknisk/administrativt personale 0 Total Andre kategorier 0 Total Projektsum total 1,668 1,000,800

20 Bilag 1 til ansøgningsskema Dato: Budgetspecifikation af lønomkostninger til punkt 11 af ansøgningsskema For organisation/virksomhed: APC Denmark A/S Medarbejderkategori Timer Kostpris kr/time kr/time Total timepris kr/time Totalpris kr Forsker/projektleder A 0 forsker B 0 Total Ingeniør ,800 Total ,800 Teknisk/administrativt personale 0 Total Andre kategorier 0 Total Projektsum total ,800

21 Bilag 1 til ansøgningsskema Dato: Budgetspecifikation af lønomkostninger til punkt 11 af ansøgningsskema For organisation/virksomhed: kk-electronic a/s Medarbejderkategori Timer Kostpris kr/time kr/time Total timepris kr/time Totalpris kr Forsker/projektleder A 0 forsker B 0 Total Projekt og resultat opfølgning, læring ,000 Modellering, protyping og evaluering på kk platform ,500 Total ,500 Teknisk/administrativt personale 0 Total Andre kategorier 0 Total Projektsum total ,500

22 Bilag 1 til ansøgningsskema Dato: Budgetspecifikation af lønomkostninger til punkt 11 af ansøgningsskema For organisation/virksomhed: Aalborg Universitet Medarbejderkategori Timer Kostpris kr/time kr/time Total timepris kr/time Totalpris kr Forsker/projektleder A forsker B 0 Total Ingeniører Total Teknisk/administrativt personale Total Andre kategorier 0 Total Projektsum total ,295,935

23 Bilag 1 til ansøgningsskema Dato: Budgetspecifikation af lønomkostninger til punkt 11 af ansøgningsskema For organisation/virksomhed: DTU Medarbejderkategori Timer Kostpris kr/time kr/time Total timepris kr/time Totalpris kr Forsker/projektleder A 0000 forsker B Total 0000 Ingeniører 5, ,295, Total 5, ,295,93520 Teknisk/administrativt personale Total 0000 Andre kategorier Total 0000 Projektsum total 5, ,295,93520

24 Bilag 1 til ansøgningsskema Dato: Budgetspecifikation af lønomkostninger til punkt 11 af ansøgningsskema For organisation/virksomhed: PowerLyn A/S Medarbejderkategori Timer Kostpris kr/time kr/time Total timepris kr/time Totalpris kr Forsker ,500 Total Ingeniører 0 Total Teknisk/administrativt personale 0 Total Andre kategorier 0 Total Projektsum total ,500