Investigation of the behaviour of a high step-up DC/DC converter used in a Waste Heat Recovery System for marine applications

Zarkadis, N. A.; Zogogianni, Charoula G.; Tatakis, Emmanuel C.

doi:10.1109/epe.2016.7695624

Cited by 6 publications

(4 citation statements)

References 4 publications

Supporting

Mentioning

Contrasting

Unclassified

Order By: Relevance

“…The power converter topology that may be employed to control the electrical power from a TEG is dictated by the output voltage of the TEG, which in turn is a function of the available heat power and connections of the TEMs. Generally, different types of buck-boost converters are proposed to be suitable for TEGs [22]- [24]. In [39] a SEPIC converter was proposed as the power conditioning system for a TEG to charge a 6 V battery.…”

Section: B Power Convertermentioning

confidence: 99%

“…In order to completely utilize the advantages of a TEG, the design of the electrical power conditioning system is extremely important. N. A. Zarkadis et al performed a study on the electrical system of a TEG for marine applications, where a high-ratio step-up converter was proposed and simulated [22]. In [23] and [24] extensive studies have been conducted on the control system of a converter connected to an emulated TEG.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

See 1 more Smart Citation

Electrical Power Conditioning System for Thermoelectric Waste Heat Recovery in Commercial Vehicles

Risseh

Nee

Goupil

2018

IEEE Trans. Transp. Electrific.

View full text Add to dashboard Cite

A considerable part of the fuel energy in vehicles never reaches the wheels and entirely converts to waste heat. In a heavy duty vehicle (HDV) the heat power that escapes from the exhaust system may reach 170 kW. The waste heat can be converted into useful electrical power using thermoelectric generator (TEG). During the last decades, many studies on the electrical power conditioning system of TEGs have been conducted. However, there is a lack of studies evaluating the electrical instrumentation, the impact of the converter-efficiency, and the TEG arrangement on a real large-scale TEG on-board a drivable vehicle. In this study, the most important parameters for designing electrical power conditioning systems for two TEGs, developed for a real-scale HDV as well as experimental results demonstrating the recovered electrical power, are presented. Eight synchronous inter-leaved step-down converters with 98 % efficiency with perturb and observe maximum power point tracker was developed and tested for this purpose. The power conditioning system was communicating with the on-board computers through the controller area network and reported the status of the TEGs and the recovered electrical power. The maximum recovered electrical power from the TEGs reached 1 kW which was transmitted to the electrical system of the vehicle, relieving the internal combustion engine.

show abstract

Section: B Power Convertermentioning

confidence: 99%

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Electrical Power Conditioning System for Thermoelectric Waste Heat Recovery in Commercial Vehicles

Risseh

Nee

Goupil

2018

IEEE Trans. Transp. Electrific.

View full text Add to dashboard Cite

show abstract

“…In dc ships, only an inverter stage is required to generate the required variable voltage variable frequency output [10]. In addition to their use in propulsion and thruster drive systems, power electronics enable matching new technologies, such as modern solutions for energy storage and generation, with older technologies, such as waste heat recovery systems or conventional drives [11]- [17]. Thus, solutions can be developed for pressing problems of energy efficiency and harmful emissions onboard, concurrently with safety in navigation, cargo, and human life on sea that can be solved with the aid of power electronics.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Review of Power Quality Issues in Maritime Microgrids

et al. 2021

View full text Add to dashboard Cite

This paper discusses contemporary problems concerning ship microgrids. It focuses on the role of power electronics and power quality issues, both conventional, such as voltage and frequency variations, and new issues, such as waveform distortions ensuing from the wide proliferation of power electronics in ship microgrids. The paper also contains a discussion on the provisions of the Unified Requirements of International Association of Classification Societies and other leading power quality standards in the industry, with an emphasis on Total Harmonic Distortion (THD) definition. An overview of power converters for high power applications in ships and their impact on ship networks is also given. Next, original results of various power quality phenomena recorded in ship microgrids are presented and commented on, followed by a review and recommendations for maritime microgrid modeling and signal processing methods for power quality assessment in the discussed systems. Finally, preliminary proposals for power quality control are presented.

show abstract

“…Ωστόσο, η απουσία της δεύτερης διόδου και του πυκνωτή C1 έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση ταλαντώσεων και υπερτάσεων στα στοιχεία αυτής της τοπολογίας κατά τη λειτουργία της. Τα φαινόμενα αυτά εντείνονται σε εφαρμογές υψηλής ισχύος, γεγονός που οφείλεται κατά κύριο λόγο στη διαφοροποίηση των τιμών των πηνίων στην πράξη και στη λειτουργία του κυκλώματος, όπως αποδεικνύεται μέσω πειραματικών αποτελεσμάτων στην εργασία [136]. Συνεπώς, η τοπολογία αυτή μπορεί να θεωρηθεί ως ένας εκφυλισμένος μετατροπέας R2P2, ο οποίος, όμως, υπό τη δομή που εμφανίζεται στην εργασία [135], είναι ακατάλληλος για εφαρμογές υψηλού λόγου τάσεων και υψηλής ισχύος.…”

Section: λειτουργία του μετατροπέα I-iib Bb+/ Bt+ με ιδανικά στοιχείαunclassified

Διερεύνηση Λειτουργίας Μετατροπέων Μείωσης Της Περιττής Επεξεργάσιμης Ισχύος (R2P2) Για Εξοικονόμηση Ενέργειας Σε Μέσα Μεταφοράς

Ζωγόγιαννη-Βέκιτς¹

View full text Add to dashboard Cite

Λόγω της μείωσης των ενεργειακών πόρων από ορυκτά καύσιμα, αναζητούνται συνεχώς μέθοδοι εξοικονόμησης ενέργειας για τα μέσα μεταφοράς. Ειδικότερα, στα πλωτά μέσα, η ανάγκη για εξοικονόμηση είναι επιτακτική, λόγω της βραδείας εξέλιξης του πλήρους εξηλεκτρισμού τους και της υποχρεωτικής συμμόρφωσης σε κανονισμούς που αφορούν τη μείωση των εκπομπών ρύπων. Μία από τις μεθόδους εξοικονόμησης αποτελεί ένα σύστημα ανάκτησης της θερμικής ενέργειας των καυσαερίων (waste heat recovery system -WHRS) και της μετατροπής της σε ηλεκτρική με τη χρήση θερμοηλεκτρικών μονάδων (thermoelectric generators- TEGs). Η παραγόμενη ισχύς μπορεί να διοχετευθεί στο σύστημα παροχής του πλοίου, αυξάνοντας το βαθμό απόδοσής του και μειώνοντας το περιβαλλοντικό του αποτύπωμα.Βασικός σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη ενός τέτοιου συστήματος. Πιο συγκεκριμένα, αναζητούνται οι κατάλληλοι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος τύπου ανύψωσης τάσης προκειμένου να προσαρμοστεί το επίπεδο τάσης των TEGs στο επίπεδο τάσης του ζυγού διασύνδεσης, δεδομένου ότι οι TEGs παράγουν σχετικά χαμηλή τάση. Για το σκοπό αυτό, μελετάται μια οικογένεια μετατροπέων που σχηματίζονται βάσει της λογικής της μείωσης της περιττής επεξεργάσιμης ισχύος (reduced redundant power processing- R2P2). Επιπρόσθετα, αναζητείται και μία κατάλληλη στρατηγική ελέγχου προκειμένου να ρυθμίζεται η διοχέτευση της παραγόμενης ισχύος από τις TEGs στο δίκτυο του πλοίου.Αρχικά, διερευνώνται διάφορες περιπτώσεις συνδέσεων και διαμορφώσεων των επιμέρους μετατροπέων που αποτελούν τους μη-απομονωμένους μετατροπείς R2P2. Συνεπώς, η διερεύνηση αφορά μετατροπείς R2P2, οι οποίοι συμπεριλαμβάνουν ως εσωτερικούς μετατροπείς χωρίς απομόνωση τις τρεις κλασσικές τοπολογίες μετατροπέων συνεχούς τάσης σε συνεχή τάση, δηλαδή τους μετατροπείς Buck, Boost και Buck-Boost. Με βάση αυτές τις περιπτώσεις, προτείνεται ένα σύνολο κανόνων για την εύρεση όλων των υλοποιήσιμων/εφικτών τοπολογιών.Σε επόμενο βήμα, εξάγονται θεωρητικές σχέσεις του κέρδους τάσης και της απόδοσης των υλοποιήσιμων διαμορφώσεων/τοπολογιών R2P2, με βάση τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά (κέρδος τάσης και απόδοση) των επιμέρους μετατροπέων που τις αποτελούν. Οι σχέσεις αυτές ισχύουν για όλες τις περιοχές λειτουργίας ενός μετατροπέα R2P2. Επιπλέον, μέσω αυτών των σχέσεων, οι τοπολογίες R2P2 είναι δυνατόν να συγκριθούν ως προς το λόγο ανύψωσης τάσης και το βαθμό απόδοσής τους, ώστε να επιλέγεται κάθε φορά ο συνδυασμός (ή οι συνδυασμοί) που είναι κατάλληλοι για μια δεδομένη εφαρμογή.Κατόπιν, αναδεικνύεται η ύπαρξη τεσσάρων περιοχών λειτουργίας στην οικογένεια των μετατροπέων R2P2. Αναλύεται η λειτουργία του μετατροπέα R2P2 I-IIA Buck-Boost+/Boost-, ο οποίος εμφανίζει ένα από τα υψηλότερα κέρδη τάσης μεταξύ όλων των διαμορφώσεων R2P2. Εξάγονται θεωρητικές σχέσεις και για τις τέσσερεις περιοχές λειτουργίας του, με βάση τις εξισώσεις που διέπουν τη λειτουργία των επιμέρους μετατροπέων που τον αποτελούν. Με αυτόν τον τρόπο, αποδεικνύεται ότι οι γενικές σχέσεις που εξάγονται για μια τοπολογία R2P2 ισχύουν για όλες τις περιοχές λειτουργίας της. Η ανάλυση αυτή μπορεί να επεκταθεί σε όλους τους μετατροπείς R2P2. Επιπρόσθετα, αποδεικνύεται ότι ο μετατροπέας R2P2 I-IIA Buck-Boost + / Boost-, παρά το υψηλό κέρδος τάσης του, εντούτοις παρουσιάζει χαμηλή απόδοση, συνεπώς κρίνεται τελικά ακατάλληλος για εφαρμογές υψηλού λόγου ανύψωσης τάσης και υψηλής ισχύος. Κατόπιν, εξετάζεται η δυνατότητα βελτιστοποίησης της απόδοσης των τοπολογιών R2P2.Αφού αναπτυχθεί ένα μοντέλο απωλειών για τους επιμέρους μετατροπείς, εφαρμόζεται ένας αλγόριθμος βελτιστοποίησης, ώστε να ευρεθεί ο συνδυασμός των λόγων ανύψωσης τάσης των επιμέρους μετατροπέων μέσω του οποίου επιτυγχάνεται η βέλτιστη απόδοση. Η μεθοδολογία αυτή εφαρμόζεται στο μετατροπέα R2P2 I-IIB Buck-Boost+/Boost+ (χωρίς να μειώνεται η γενικότητά της), ο οποίος χαρακτηρίζεται από το βέλτιστο συνδυασμό υψηλού λόγου ανύψωσης τάσης και υψηλής απόδοσης και συνεπώς κρίνεται ο καταλληλότερος για το προτεινόμενο WHRS. Έπειτα, διερευνάται η επίδραση της μη ιδανικότητας των στοιχείων στο κέρδoς τάσης των μετατροπέων R2P2. Η ανάλυση αυτή διεξάγεται για το μετατροπέα R2P2 I-IIB Buck-Boost+/Boost+ για ιδανικά και μη ιδανικά στοιχεία, εξάγοντας αναλυτικές σχέσεις του κέρδους τάσης του και για τις δύο περιοχές λειτουργίας του.Τέλος, προτείνεται, αναλύεται, και προσομοιώνεται ένα σύστημα εξοικονόμησης ενέργειας για εφαρμογή σε πλοίο με DC ζυγό. Το προτεινόμενο σύστημα περιλαμβάνει θερμοηλεκτρικές γεννήτριες και τον επιλεγμένο μετατροπέα R2P2 I-IIB Buck-Boost+/Boost+ και διερευνάται η συμπεριφορά του υπό διάφορες συνθήκες λειτουργίας. Στα πλαίσια αυτού του συστήματος,προτείνεται ένας αλγόριθμος προσδιορισμού της ισχύος που απομαστεύεται από τις θερμοηλεκτρικές γεννήτριες. Ο αλγόριθμος αυτός καλύπτει τόσο την περίπτωση μέγιστης απομάστευσης ισχύος, όσο και τη λειτουργία αυτών σε σημείο διάφορο του μεγίστου, ώστε η παραγωγή ενέργειας να ανταποκρίνεται πλήρως κάθε φορά στις απαιτήσεις των εκάστοτε φορτίων που είναι συνδεμένα στο DC ζυγό ενός μέσου μεταφοράς. Η προτεινόμενη στρατηγική ελέγχου μπορεί να επεκταθεί και σε AC συστήματα με ικανότητα αδιάλειπτης παροχής ενέργειας κατά τη διάρκεια βύθισης τάσης του δικτύου (fault ride through capability), όπου απαιτείται ταυτόχρονος έλεγχος της ενεργού και αέργου ισχύος.

show abstract

Investigation of the behaviour of a high step-up DC/DC converter used in a Waste Heat Recovery System for marine applications

Cited by 6 publications

References 4 publications

Electrical Power Conditioning System for Thermoelectric Waste Heat Recovery in Commercial Vehicles

Electrical Power Conditioning System for Thermoelectric Waste Heat Recovery in Commercial Vehicles

Review of Power Quality Issues in Maritime Microgrids

Διερεύνηση Λειτουργίας Μετατροπέων Μείωσης Της Περιττής Επεξεργάσιμης Ισχύος (R2P2) Για Εξοικονόμηση Ενέργειας Σε Μέσα Μεταφοράς

Contact Info

Product

Resources

About