Thiết kế hệ thống cung cấp điện sử dụng fuel cell cung cấp cho tải địa phương, điều khiển nguồn phát thông qua điều khiển nhiên liệu đầu vào

Fuel Cell (hay pin nhiên liệu) là loại pin biến đổi năng lượng hóa học của nhiên liệu, thí dụ như là hiđrô, trực tiếp thành năng lượng điện. Không giống như pin hoặc ắc quy, tế bào nhiên liệu không bị mất điện và cũng không có khả năng tích điện, hoạt động liên tục khi nhiên liệu và chất oxy hóa được đưa từ ngoài vào. Pin nhiên liệu là loại thiết bị năng lượng có mức thải ô nhiễm gần như bằng 0, thân thiện với môi trường tuy nhiên giá thành của nó không hề nhỏ.

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trường Điện – Điện tử Đề tài Thiết kế hệ thống cung cấp điện sử dụng fuel cell cung cấp cho tải địa phương, điều khiển nguồn phát thông qua điều khiển nhiên liệu đầu vào Giáo viên hướng dẫn: TS Nhóm Hà Nội, 08/2023 MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ FUEL CELL 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Cấu tạo 1.3 Nguyên lý hoạt động 1.4 Phân loại .7 1.5 Ưu, nhược điểm 1.6 Ứng dụng CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH BÀI TỐN ĐIỀU KHIỂN 2.1 Bài toán điều khiển 2.2 Điều khiển lưu lượng vào Fuel Cell .8 2.3 Điều khiển mạch Boost 2.4 Tạo tín hiệu điều khiển cho Inverter .10 2.4.1 Phương pháp điều chế SINPWM 10 CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH TỐN HỌC 13 3.1 Mô hình toán học Fuel Cell 13 3.2 Mơ hình toán học mạch Boost Converter 14 3.2.1 Mô tả mạch 14 3.2.2 Tính toán mạch lực 14 3.2.3 Mơ hình hóa biến đổi Boost converter 15 3.3 Mạch điều khiển Inverter .17 3.3.1 Thiết kế mạch lực 17 a, Tính chọn van IGBT 17 b, Thiết kế mạch lọc LCL giảm cộng hưởng 18 3.3.2 Mơ hình hóa 21 3.3.2.1 Phương pháp mơ hình trung bình tổng quát 21 3.3.2.2 Mơ hình đóng cắt .21 3.3.2.3 Mơ hình trung bình tín hiệu lớn 22 3.3.2.4 Mơ hình trung bình tín hiệu nhỏ 22 3.3.2.5 Đới tượng điều khiển mạch vịng dịng điện .22 3.3.2.6 Đối tượng điều khiển mạch vòng điện áp 23 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 24 4.1 Thiết kế cấu trúc và tính toán tham sớ điều khiển 24 4.2 Thiết kế mạch tạo tín hiệu điều khiển Inverter 27 4.2.1 Thiết kế mạch vòng dòng điện cảm ứng 27 4.2.2 Thiết kế điều khiển mạch vòng điện áp .28 CHƯƠNG 5: Mô 31 5.1 Sơ đồ mô 31 5.2 kết quả mô 31 a, Fuel cell 31 b, Boots converter 32 c, Inverter .35 Tài Liệu Tham Khảo: .38 LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại công nghệ phát triển nay, người dần nhận thức việc các nguồn lượng khai thác từ thiên nhiên phổ biến than đá, dầu mỏ, … dần cạn kiệt Khác với ng̀n lượng dần cạn kiệt gió, ánh sáng mặt trời,… là nguồn lượng vô tận nếu biết cách khai thác chúng Nhận thức điều này, ngành công nghệ đời và dần trở nên phát triển mang tên “Ngành công nghiệp lượng tái tạo” Một ứng dụng phổ biến nhất lượng tái tạo là pin nhiên liệu Fuel Cell Trên sở đó, chúng em xin trình bày đề tài: “Thiết kế hệ thống cung cấp điện sử dụng fuel cell cung cấp cho tải địa phương, điều khiển nguồn phát thông qua điều khiển nhiên liệu đầu vào” Nội dung gờm có chương: Chương 1: Tổng quan Fuel Cell Chương 2: Phân tích bài toán điều khiển Chương 3: Mơ hình hóa Chương 4: Thiết kế điều khiển Chương 5: Mơ Trong quá trình nghiên cứu đề tài, chúng em củng cố và tiếp thu thêm các kiến thức các thuật toán điều khiển cho đối tượng và ứng dụng lượng tái tạo Hơn thế chúng em học tập và rèn luyện phương pháp làm việc, nghiên cứu cách chủ động hơn, linh hoạt hơn, và đặc biệt là phương pháp làm việc theo nhóm Chúng em xin chân thành cảm ơn TS hướng dẫn chúng em śt quá trình xây dựng và hoàn thành đề tài này Do thời gian thực ngắn và kiến thức bản thân hạn chế nội dung đề tài khơng tránh khỏi thiếu sót Chúng em rất mong nhận đóng góp thầy cô Chúng em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 08 năm 2023 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ FUEL CELL 1.1 Giới thiệu chung Fuel Cell (hay pin nhiên liệu) là loại pin biến đổi lượng hóa học nhiên liệu, thí dụ là hiđrơ, trực tiếp thành lượng điện Không giống pin ắc quy, tế bào nhiên liệu không bị mất điện và khơng có khả tích điện, hoạt động liên tục nhiên liệu và chất oxy hóa đưa từ ngoài vào Pin nhiên liệu là loại thiết bị lượng có mức thải nhiễm gần 0, thân thiện với môi trường nhiên giá thành khơng nhỏ 1.2 Cấu tạo Một Fuel Cell có cấu tạo đơn giản bao gờm ba lớp: - Lớp thứ nhất là điện cực nhiên liệu (cực dương) - Lớp thứ hai là chất điện phân dẫn ion - Lớp thứ ba là điện cực khí oxy (cực âm) Hai điện cực làm chất dẫn điện (kim loại than chì ) Ngoài ra, hệ thớng đầy đủ cần có các thiết bị phụ trợ máy nén, máy bơm, để cung cấp các khí đầu vào, máy trao đổi nhiệt, hệ thống kiểm tra các yêu cầu, chắn vận hành máy, hệ thống dự trữ và điều chế nhiên liệu 1.3 Nguyên lý hoạt động Về phương diện hóa học Fuel Cell là phản ứng ngược lại điện phân Trong quá trình điện phân nước bị tách thành khí hiđrơ và khí oxy nhờ vào lượng điện, Fuel Cell lấy hai chất này biến đổi chúng thành nước Qua đó, lý thút, phần lượng điện đưa vào giải phóng thật thất thoát qua các quá trình hóa học và vật lý lượng thu Các loại tế bào nhiên liệu chung nguyên tắc mô tả sau: Ở bề mặt cực dương khí hiđrơ bị oxy hóa hóa điện: 2H 2 4H   4e Các điện tử giải phóng từ cực dương qua mạch điện bên ngoài cực âm Các proton H+ di chuyển chất điện phân xuyên qua màng có khả cho proton qua cực âm kết hợp với khí oxy có sẵn khơng khí (nờng độ 21%) và các điện tử tạo thành nước: O  4H   4e  H O Tổng hợp lại: 2 2H2  O2  2H2O  lượng (điện, nhiệt) 1.4 Phân loại Các hệ thống tế bào nhiên liệu phân loại theo nhiều cách khác tùy theo cách nhìn: - Phân loại theo nhiệt độ hoạt động - Phân theo loại các chất tham gia phản ứng - Phân loại theo điện cực - Phân theo loại các chất điện phân là cách phân loại thông dụng ngày 1.5 Ưu, nhược điểm Ưu điểm Hiệu suất cao: 40~60% nếu tính cả hiệu suất nhiệt lên đến 85% (wind turbine: 20~40%, Solar cells : 5~15%) Sử dụng nhiều loại khí: Natural gas, Methanol, Coal gas, etc Khí thải: NOx, SOx và rác gần không, CO2 thải 20~40% so với nhiệt điện than Khơng gây tiếng ờn Ít tổn thất điện có thể lắp đặt gần khu cư Phản ứng nhanh với thay đổi tải 1.6 Nhược điểm Giá thành cao Cần công nghệ cao để đảm bảo độ tin cậy và tuổi thọ thiết bị Ứng dụng Fuel Cell sử dụng lĩnh vực mà phí tổn khơng đóng vai trị quan trọng Fuel Cell nhẹ và hiệu quả ắc quy đờng thời đáng tin cậy và ờn ào động Diesel Những điều này giải thích giới quân và ngành du hành vũ trụ quan tâm đến công nghệ này rất sớm Một số tàu thuyền biển dùng Fuel Cell Các Fuel Cell sử dụng khí đớt chuẩn bị đẩy lùi các thiết bị kết hợp phát điện và sưởi (combined heat and power plant) Ở hệ thớng này khí đớt biến đổi thành hiđrô đưa vào Fuel Cell Một số vật dụng cầm tay điện thoại di động, máy vi tính xách tay, máy quay phim, vật liệu cắm trại hay quân tiến tới ứng dụng loại nguồn cung cấp lượng này CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH BÀI TỐN ĐIỀU KHIỂN 2.1 Bài toán điều khiển Chúng ta sử dụng mơ hình Fuel khơng sử dụng Pin ( no Battery ) và đầu nối với tải địa phương ( local load) mà không đấu lên lưới Hình 2.1: cấu trúc hệ thớng fuel cell cung cấp cho tải địa phương ( loacal load ) Vì đầu Fuel Cell có điện áp khơng ổn định nên hệ thớng cần có lọc điện áp sau Fuel Cell để đảm bảo điện áp đầu ổn định đồng thời cần có them Boots để khuếch đại điện áp đáp ứng cho inverter Ở cần hai điều khiển : cho Boots và cho Inverter 2.2 Điều khiển lưu lượng vào Fuel Cell Một biến trung gian quan trọng quyết định đến điện áp và cơng śt đầu Fuel Cell là hệ số sử dụng nhiên liệu u : cho thấy mối quan hệ lưu lượng H2 f Cell và lưu lượng H2 đưa vào, thể công thức: q in  q o q r 2K I uf  H2 H2 qH Trong dó in  H  in qH 2 f fc qH in q in ,q out ,q r H làH lưu lượng dòng chảy vào, và phản ứng Dựa vào lượng nhiên liệu đầu vào khác cung cấp công suất, điện áp và hệ sớ sử dụng nhiên liệu u thể tính phi tún hệ thớng Với u f >0.9, có thể rơi vào f trạng thai nguy hiểm, điện áp và cơng śt giảm x́ng đáng kể Cịn u f