Power quality requirements for DC microgrid with fuel cell

Abstract

Merenkulkualan siirtyessä kohti päästöttömiä energianlähteitä, kuten polttokennoja, niiden toiminnallinen käyttöikä on kriittisen tärkeää. Polttokennot ovat herkkiä tehonlaadun häiriöille, erityisesti tehonmuuntimien aiheuttamalle virran särölle, joka voi nopeuttaa niiden ikääntymistä. Tässä opinnäytetyössä määritellään PEM-polttokennojen keskeiset tehonlaatuvaatimukset DC-mikroverkossa ja validoidaan käytännön tehonmuuntojärjestelmä.

Teoreettinen viitekehys luodaan polttokennojen ikääntymismekanismeja käsittelevällä kirjallisuuskatsauksella. Tutkimusmenetelmä yhdistää tieteellisiin artikkeleihin perustuvan kirjallisuuskatsauksen simulaatiotapaustutkimukseen, jossa hyödynnetään Danfoss iC7-Hybrid-tehonmuunnin tuoteperheeseen perustuvan järjestelmän MATLAB/Simulink-mallia.

Tutkimus tunnistaa matalataajuisen (<200 Hz) virran särön merkittävimmäksi uhaksi, ja sen haitalliseksi kynnysarvoksi määritellään alle 5 % nimellisestä tasavirrasta. Simulaatiotulokset osoittavat, että tutkittu järjestelmäarkkitehtuuri pitää särön alle 0,5 %:ssa, mikä alittaa vaatimuksen merkittävästi. Opinnäytetyö osoittaa, että vaikka kirjallisuudessa esitetty 5%:n raja-arvo toimii perustasona, se ei välttämättä edusta suuritehoisten kaupallisten järjestelmien vaatimuksia. Siksi tämän työn keskeinen suositus on suunnitteluperiaate: virran särö on minimoitava teknisesti niin alhaiselle tasolle kuin mahdollista, eikä tyytyä vain julkisten lähteiden yleisiin raja-arvoihin. Tutkitun järjestelmän saavuttama alle 0,5%:n särötaso on osoitus onnistuneesta suunnittelusta, joka takaa yhteensopivuuden myös tiukimpien vaatimusten kanssa.

As the maritime industry transitions towards zero-emission energy sources such as fuel cells, their operational lifespan is of critical importance. Fuel cells are sensitive to power quality disturbances, particularly current ripple from power converters, which can accelerate degradation. This thesis defines the key power quality requirements for PEM fuel cells within a DC microgrid and validates a practical power conversion system.

The theoretical framework is established through a literature review covering the aging mechanisms of fuel cells. The research methodology combines a literature review based on scientific articles with a simulation case study that utilizes a MATLAB/Simulink model of a system based on the Danfoss iC7-Hybrid power converter family.

The research identifies low-frequency (<200 Hz) current ripple as the most significant threat and defines its detrimental threshold as less than 5% of the nominal DC current. The simulation results demonstrate that the studied system architecture maintains the ripple below 0.5%, significantly undercutting this requirement. The thesis shows that while the 5% threshold found in literature serves as a baseline, it may not represent the requirements of high-power commercial systems. Therefore, the key recommendation of this work is a design principle: current ripple must be technically minimized to the lowest possible level, instead of merely satisfying generic limits from public sources. The sub-0.5% ripple level achieved by the studied system is a testament to a successful design that ensures compatibility even with the strictest requirements.