nhóm em sẽ nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển một nguồn SolidOxide Fuel Cell nối lưới, có battery. Sử dụng các bộ điều khiển PID và các phương trình toán học liên quan để đi đến kết quả mô phỏng. Nhiệm vụ chính là điều khiển sao cho fuelcell có thể hòa được lưới
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ KHOA TỰ ĐỘNG HÓA 🙥 🙥 🙥 ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Đề tài: Solid-Oxide Fuel Cell nối lưới, có battery GVHD : Ts Nhóm : Hà Nội, 2023 MỤC LỤC MỤC LỤC i Danh mục hình ảnh iii Danh mục bảng biểu Error! Bookmark not defined Lời mở đầu .iv YÊU CẦU BÀI TOÁN v Chương 1: Solid- Oxide Fuel Cell (SOFC) .1 1.1 Giới thiệu 1.2 Cấu tạo 1.3 Nguyên lý hoạt động Chương 2: Mơ hình tốn học hệ thống điều khiển fuel cell .5 2.1 Mô tả hệ thống SOFC 2.2 Bộ biến đổi DC/DC Boost converter 2.3 Bộ biến đổi DC/AC inverter với mạch lọc LCL 2.4 Mơ hình pin a Mô hình hóa đối tượng b Mạch biến đổi điện áp buck-boost điều khiển pin .11 Chương 3: Thiết lập toán điều khiển nối tải 12 3.1 Tính tốn lọc LCL 13 3.2 Thiết kế điều khiển dòng điện .15 3.3 Thiết kế điều khiển điện áp 16 3.4 Thuật tốn vịng khóa pha 18 Chương 4: Mô hệ thống với MatLab-Simulink 21 4.1 Mô hệ thống Fuel Cell Stack 21 4.2 Chất lượng điện áp trước chỉnh lưu 25 4.3 Cấp điện cho tải 26 4.4 Cấp điện hòa lưới .27 4.5 Quan sát pin axis sạc xả điện 28 i Tài liệu tham khảo 29 ii Danh mục hình ảnh Hình 1: Cấu tạo sơ đồ nguyên lý pin nhiên liệu Hình 2: Mơ hình động học SOFC stack Hình 3: Mạch boost converter Hình 4: Mạch lực cấu trúc nghịch lưu T-type pha mức Hình 5:Sơ đồ tương đương pin 10 Hình 6:Bộ chuyển đổi non-isolated bidirectional buck-boost .11 Hình 7: Mạch lọc LCL 13 Hình 8: Mạch vịng dòng điện .15 Hình 9: Mạch vịng điện áp 17 Hình 10: Vịng điều chỉnh góc pha PLL 19 Hình 11: Sơ đồ mơ hệ thống SOFC nối tải pin 21 Hình 12: Mơ hình hóa Fuel Cell Stack 21 Hình 13: Thơng số mơ hình SOFC stack 24 Hình 14: Kết điện áp trước mạch inverter 26 Hình 15: Kết điện áp fuelcell 26 Hình 16: Kết điện áp dịng điện ứng với lưới 27 Hình 17: Biểu đồ phần trăm pin đo 28 Lời mở đầu Hiện nay, nguồn nhiên liệu hóa thạch than đá, dầu mỏ, khí đốt đáp ứng phần lớn nhu cầu lượng đất nước Tuy nhiên, nguồn lượng hóa thạch có hạn, việc nghiên cứu sử dụng nguồn lượng xanh, lượng tái tạo (NLTT) điện gió, mặt trời, địa nhiệt, lượng sinh khối nhu cầu tất yếu Phát triển lượng xanh ngày xu hướng giới, làm thay đổi nhanh chóng cấu ngành lượng Nhiều quốc gia khẩn trương xây dựng thực thi chiến lược, sách phát triển lượng xanh với tầm nhìn dài hạn, tập trung nguồn lực người, khoa học – cơng nghệ tài – tín dụng… hướng tới việc phát triển kinh tế các-bon thấp, bền vững thân thiện với môi trường Các tế bào nhiên liệu (tiếng Anh: fuel cell), hay gọi "pin nhiên liệu", biến đổi lượng hóa học nhiên liệu, thí dụ hiđrơ, trực tiếp thành lượng điện Không giống pin ắc quy, tế bào nhiên liệu không bị điện khả tích điện Tế bào nhiên liệu hoạt động liên tục nhiên liệu (hiđrô) chất oxy hóa (oxy) đưa từ ngồi vào Pin nhiên liệu loại thiết bị lượng có mức thải nhiễm gần "bằng 0", thân thiện với môi trường nhiên giá thành khơng nhỏ Trong đồ án này, nhóm em nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển nguồn Solid-Oxide Fuel Cell nối lưới, có battery Sử dụng điều khiển PID phương trình tốn học liên quan để đến kết mơ Nhiệm vụ điều khiển cho fuel-cell hịa lưới Lời cuối chúng em xin chân thành cảm ơn bảo giúp đỡ tận tình để nhóm em hồn thành báo cáo đồ án mơn học này! U CẦU BÀI TỐN Sử dụng pin nhiên liệu SOFC Hòa đồng hệ thống fuelcell với lưới điện Có battery dự phịng có khả sạc xả Chương 1: Solid- Oxide Fuel Cell (SOFC) Chương 1: Solid- Oxide Fuel Cell (SOFC) 1.1 Giới thiệu Bên cạnh nguồn lượng tái tạo phát triển mạnh (như lượng gió, lượng mặt trời), pin nhiên liệu hướng nghiên cứu đầy triển vọng Khác với nguồn lượng tái tạo, khơng có khả tích trữ phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên, pin nhiên liệu cho phép cung cấp lượng ổn định, liên tục theo yêu cầu có khả tàng trữ dạng nhiên liệu Pin nhiên liệu thiết bị điện hóa có khả biến đổi trực tiếp lượng hóa học thành lượng điện nhờ q trình oxy hóa khử, nhiên liệu thường khí hydro khí oxy khơng khí phản ứng điện hóa Đây loại máy phát điện tĩnh, chạy êm, không gây tiếng động, không tạo loại chất thải độc hại gây ô nhiễm môi trường có hiệu suất cao (có thể đạt hiệu suất 90% sử dụng điện nhiệt) Với ưu vượt trội đó, pin nhiên liệu dự báo trở thành nguồn nhiên liệu đầy triển vọng áp dụng rộng rãi tương lai Hình 1: Cấu tạo sơ đồ nguyên lý pin nhiên liệu 1.2 Cấu tạo Một tế bào nhiên liệu có cấu tạo đơn giản bao gồm ba lớp nằm Lớp thứ điện cực nhiên liệu (cực dương), lớp thứ hai chất điện phân dẫn ion lớp thứ ba điện cực khí oxy (cực âm) Hai điện cực làm chất dẫn điện (kim loại, than chì, ) Chất điện phân dùng nhiều chất khác tùy thuộc vào loại tế bào nhiên liệu, có loại thể rắn, có loại thể lỏng có cấu trúc màng Vì tế bào riêng lẻ tạo điện thấp tùy theo điện cần dùng nhiều tế bào riêng lẻ nối vào nhau, tức chồng lên Người ta thường gọi lớp chồng lên stack Ngoài ra, hệ thống đầy đủ cần có thiết bị phụ trợ máy nén, máy bơm, để cung cấp khí đầu vào, máy trao đổi nhiệt, hệ thống kiểm tra yêu cầu, chắn vận hành máy, hệ thống dự trữ điều chế nhiên liệu 1.3 Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động pin nhiên liệu đơn giản trình ngược phản ứng điện phân nước Pin nhiên liệu hoạt động nguyên tắc tổ hợp oxy hydro để tạo thành nước, cung cấp điện nhiệt mà khơng thải chất gây nhiễm Khí hydro cấp vào khoang cực âm (anode), xảy q trình oxy hóa theo phản ứng: 2H 2 2O2 2H O 4e Các ion 𝐻+ tạo thành khuếch tán qua dung dịch điện ly tới bề mặt cực dương (cathode), nơi xảy phản ứng khử oxy theo phương trình giải phóng nước tinh khiết: O2 4e 2O2 Phương trình tổng 2H O2 2H2 O Khi nối tế bào pin nhiên liệu với mạch ngoài, điện tử chuyển từ anode qua mạch sang cathode, dòng điện chuyển dịch theo chiều ngược lại cung cấp cho mạch ngồi tạo mạch điện khép kín hình Để tạo lượng điện, ta có REFORMER : thiết bị tạo điện từ phản ứng điện hóa oxi hidro 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 chất tham gia phản ứng - Phân loại theo điện cực - Phân theo loại chất điện phân cách phân loại thông dụng ngày Các loại pin nhiên liệu : Dung dịch điện ly định phản ứng diễn bề mặt điện cực loại ion dẫn điện pin nhiên liệu Dựa vào dung dịch điện ly phân loại pin nhiên liệu sau - Pin kiềm (AFC) - Pin màng điện ly polymer (PEMFC) - Pin methanol (DMFC) - Pin acid phosphoric (PAFC) - Pin carbonate nóng chảy (MCFC) - Pin oxide rắn (SOFC) Nhiệt độ thời gian vận hành định yêu cầu tính chất hóa lý nhiệt vật liệu sử dụng phận cấu thành pin Trong loại PEMFC có nhiều triển vọng dùng loại xe cộ SOFC APU có khả ứng dụng tơ PEMFC, MCFD SOFC có tương lai ứng dụng trạm phát điện PAFC cơng nghệ nghiên cứu nhiên cịn nhiều vấn đề kĩ thuật DMFC