ELEKTROLİZ İLE HİDROJEN ÜRETİMİNDE KULLANILAN TAM KÖPRÜ SERİ REZONANS DÖNÜŞTÜRÜCÜNÜN FARKLI KONTROL TEKNİKLERİ İÇİN PERFORMANSININ KARŞILAŞTIRILMASI

Abstract

ÖZET

Bu tez çalışmasında hidrojen üretim sisteminde kullanılan alkali elektrolizörün güç kontrolü için rezonans güç dönüştürücü kontrolünde kullanılan teknikler incelenmiştir. Gerçekleştirilen incelemeler sonucunda sisteminin güç katında yüksek giriş gerilim ve düşük çıkış akım uygulamaları için uygun olan seri rezonans DC-DC dönüştürücü kullanılmıştır. Seri rezonans dönüştürücünün yarım ve tam köprü uygulamaları olmakla birlikte dönüştürücünün verimini etkileyen farklı kontrol tekniklerinin uygulanabilmesi için daha elverişli olan tam köprü yapısı tercih edilmiştir.

Tam köprü seri rezonans dönüştürücünün kontrolünde kullanılan bir çok teknik bulunmaktadır. Bu teknikler arasından frekans modülasyon (FM) ve faz kaymalı modülasyon (PSM) teknikleri geleneksel yöntemlerdir. Darbe yoğunluk modülasyon (PDM) tekniği ise rezonans güç dönüştürücülerin kontrolünde kullanılmaktadır. Bu nedenle bu üç kontrol tekniğinin çalışmaları incelenmiş ve farklı yük akım değerleri için tam köprü seri rezonans dönüştürücüye ayrı ayrı uygulanarak PSIM’de simülasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir.

Gerçekleştirilen teorik analiz ve simülasyon çalışmalarını doğrulamak amacıyla; alkali elektroliz ünitesi, dönüştürücü ve kontrol devresinden oluşan 400 W’lık deney düzeneği laboratuvar ortamında kurulmuş ve deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Farklı çıkış akımları için FM, PSM ve PDM teknikleri ile ayrı ayrı kontrol edilen dönüştürücü; verim, çıkış gerilimindeki dalgalanma, yumuşak anahtarlama, anahtar stresleri, uygulama kolaylığı ve donanım yönünden karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma çalışmaları sonucunda FM tekniğinin birçok yönden diğer iki tekniğe göre daha iyi performansa sahip olduğu gözlemlenmiştir. Karşılaştırma sonuçları çizelgeler halinde ve grafiksel olarak sunulmuştur.

Doğrusal olmayan elektriksel yük karakteristiğine sahip olan alkali elektrolizörün güç kontrolü; FM, PSM ve PDM kontrollü dönüştürücüler ile ayrı ayrı gerçekleştirilmiştir. Elektroliz akımı farklı referans değerlere oransal kontrol kullanılarak sabitlenmiştir. Elektrolizörün nominal çalışma akımı ve farklı elektrolit sıcaklık değerleri için üretilen hidrojen miktarları teorik olarak hesaplanmış ve yaklaşık olarak ölçülmüştür. Nominal çalışma akımı ve 50 °C elektrolit sıcaklığı için 66,6 L/h hidrojen üretilmiş ve elektrolizör hücre veriminin %59,61 olduğu gözlemlenmiştir. Hesaplama ve ölçme sonuçları karşılaştırmalı bir şekilde sunulmuştur. ABSTRACT

In thesis study, the techniques used in the resonant power converter control for power control of alkaline electrolyser used in the hydrogen production system are investigated. As a result of the investigations, series resonant DC-DC converter which is suitable for high input voltage and low output current applications is used in the power stage of system. Although series resonant converter has the half and the full-bridge applications, the full-bridge structure is preferred which is more suitable for applying different control techniques affecting the efficiency of converter.

There are many techniques which are used in controlling the full-bridge series resonant converter. Among these techniques, frequency modulation (FM) and phase shifted modulation (PSM) techniques are conventional methods. Pulse density modulation (PDM) technique is used in the control of resonant power converters. Therefore the operate of these three control techniques are examined and the simulation studies are implemented in PSIM by applying each of these techniques to the full-bridge series resonant converter for different load current values.

In order to verify the theoretical analysis and the simulation studies; 400 W experimental setup consisting of the alkaline electrolysis unit, the converter and the control circuit is established in the laboratory and the experimental studies are carried out. The converter which is individually controlled with FM, PSM and PDM techniques for different output currents, is compared in terms of efficiency, ripple in output voltage, soft switching, switch stresses, ease of application and hardware. As a result of the comparison studies, it is observed that FM technique has better performance in many ways compared to the other two techniques. The comparison results are presented graphically and in charts.

The power control of the alkaline electrolyzer having the non-linear electrical charge characteristic is carried out individually by FM, PSM and PDM controlled converters. The electrolysis current is fixed using proportional control to the different reference values. For the nominal operating current and the different electrolyte temperatures of the electrolyser, the produced hydrogen’s amount is theoretically calculated and approximately measured. 66,6 L/h of hydrogen is produced for the nominal operating current and electrolyte temperature of 50 °C. The efficiency of the electrolyser is observed as 59,61%. The calculation and measurement results are presented comparatively.