Solid oxide fuel cell nối lưới, có battery

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 : 2

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
1.2. Cấu tạo....................................................................................................2
1.3. Nguyên lý hoạt động..............................................................................2
Chương 2: Mơ hình tốn học của hệ thống điều khiển fuel cell.......................5
2.1. Mô tả hệ thống SOFC.............................................................................5
2.2. Bộ biến đổi DC/DC Boost converter......................................................6
2.3. Bộ biến đổi DC/AC inverter với mạch lọc LCL....................................8
2.4. Mơ hình pin............................................................................................9
a. Mơ hình hóa đối tượng..........................................................................9
b. Mạch biến đổi điện áp buck-boost điều khiển pin...............................11
Chương 3: Thiết lập bài tốn điều khiển nối tải..............................................12

3.1. Tính tốn bộ lọc LCL...........................................................................13
3.2. Thiết kế bộ điều khiển dịng điện.........................................................15
3.3. Thiết kế bộ điều khiển điện áp.............................................................16
3.4. Thuật toán vịng khóa pha....................................................................18
Chương 4: Mơ phỏng hệ thống với MatLab-Simulink....................................21
4.1. Mô phỏng 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 và xả điện...........................................................28
i


Tài liệu tham khảo...........................................................................................29

ii


Danh mục hình ảnh
Hình 1: Cấu tạo và sơ đồ ngun lý của pin nhiên liệu.....................................1
Hình 2: Mơ hình động học của SOFC stack......................................................5
Hình 3: Mạch boost converter...........................................................................7
Hình 4: Mạch lực cấu trúc nghịch lưu T-type 3 pha 3 mức..............................8
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 dịng điện.........................................................................15
Hình 9: Mạch vịng điện áp.............................................................................17
Hình 10: Vịng điều chỉnh góc pha PLL..........................................................19
Hình 11: Sơ đồ mơ phỏng hệ thống SOFC nối tải và pin................................21

Hình 12: Mơ hình hóa Fuel Cell Stack............................................................21
Hình 13: Thơng số mơ hình SOFC stack........................................................24
Hình 14: Kết quả điện áp trước mạch inverter................................................26
Hình 15: Kết quả điện áp fuelcell....................................................................26
Hình 16: Kết quả điện áp và dịng điện ứng với lưới......................................27
Hình 17: Biểu đồ phần trăm pin đo được........................................................28


Lời mở đầu
Hiện nay, các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt đã và
đang đáp ứng phần lớn nhu cầu năng lượng của đất nước. Tuy nhiên, nguồn năng
lượng hóa thạch có hạn, vì vậy việc nghiên cứu và sử dụng nguồn năng lượng
xanh, năng lượng tái tạo (NLTT) như điện gió, mặt trời, địa nhiệt, năng lượng sinh
khối là một nhu cầu tất yếu.
Phát triển năng lượng xanh ngày nay đang là xu hướng của thế giới, làm
thay đổi nhanh chóng cơ cấu ngành năng lượng. Nhiều quốc gia đã khẩn trương
xây dựng và thực thi các chiến lược, chính sách phát triển năng lượng xanh với tầm
nhìn dài hạn, tập trung các nguồn lực con người, khoa học – công nghệ và tài chính
– tín dụng… hướng tới việc phát triển nền kinh tế các-bon thấp, bền vững và thân
thiện với môi trường
Các tế bào nhiên liệu (tiếng Anh: fuel cell), hay còn gọi là "pin nhiên liệu",
biến đổi năng lượng hóa học của nhiên liệu, thí dụ như là hiđrơ, 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. Tế bào nhiên liệu hoạt động liên tục khi
nhiên liệu (hiđrơ) và chất oxy hóa (oxy) được đưa từ ngoài vào.
Pin nhiên liệu là loại thiết bị năng lượng có mức thải ơ nhiễm gần như "bằng
0", thân thiện với môi trường tuy nhiên giá thành của nó khơng hề nhỏ
Trong đồ án này, nhóm em sẽ nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển
một nguồn Solid-Oxide Fuel Cell nối lưới, có battery. Sử dụng các bộ điều khiển
PID và các phương trình tốn học liên quan để đi đến kết quả mô phỏng. Nhiệm vụ

chính là điều khiển sao cho fuel-cell có thể hòa được lưới.
Lời cuối cùng chúng em xin chân thành cảm ơn cô bởi sự chỉ bảo và giúp đỡ
tận tình để nhóm em hồn thành bản báo cáo đồ án môn học này!


YÊU CẦU BÀI TOÁN

 Sử dụng pin nhiên liệu SOFC
 Hịa đồng bộ hệ thống fuelcell với lưới điện
 Có battery dự phịng có khả năng sạc xả


Chương 1: Solid- Oxide Fuel Cell (SOFC)

Chương 1: Solid- Oxide Fuel Cell (SOFC)
1.1. Giới thiệu
Bên cạnh các nguồn năng lượng tái tạo đang được phát triển mạnh (như năng
lượng gió, năng lượng mặt trời), pin nhiên liệu đang là hướng nghiên cứu đầy triển
vọng. Khác với các nguồn năng lượng tái tạo, khơng có khả năng tích trữ và phụ
thuộc vào điều kiện tự nhiên, pin nhiên liệu cho phép cung cấp năng lượng ổn
định, liên tục theo yêu cầu và có khả năng tàng trữ dưới dạng nhiên liệu.
Pin nhiên liệu là thiết bị điện hóa có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng
hóa học thành năng lượng điện nhờ q trình oxy hóa khử, nhiên liệu thường là khí
hydro và khí oxy hoặc khơng khí bằng phản ứng điện hóa.
Đây là loại máy phát điện tĩnh, chạy rất êm, không gây tiếng động, không tạo
các loại chất thải độc hại gây ơ nhiễm mơi trường và có hiệu suất rất cao (có thể
đạt được hiệu suất 90% nếu sử dụng cả điện và nhiệt). Với ưu thế vượt trội đó, pin
nhiên liệu được dự báo sẽ trở thành nguồn nhiên liệu sạch đầy triển vọng và được
áp dụng rộng rãi trong tương lai.

Hình 1: Cấu tạo và sơ đồ nguyên lý của pin nhiên liệu

1


1.2. Cấu tạo
Một tế bào nhiên liệu có cấu tạo đơn giản bao gồm ba lớp nằm trên nhau. Lớp
thứ nhất là điện cực nhiên liệu (cực dương), lớp thứ hai là chất điện phân dẫn ion
và lớp thứ ba là điện cực khí oxy (cực âm). Hai điện cực được làm bằng chất dẫn
điện (kim loại, than chì,...). Chất điện phân được dùng là nhiều chất khác nhau tùy
thuộc vào loại của tế bào nhiên liệu, có loại ở thể rắn, có loại ở thể lỏng và có cấu
trúc màng. Vì một tế bào riêng lẻ chỉ tạo được một điện thế rất thấp cho nên tùy
theo điện thế cần dùng nhiều tế bào riêng lẻ được nối kế tiếp vào nhau, tức là
chồng lên nhau. Người ta thường gọi một lớp chồng lên nhau như vậy là stack.
Ngoài ra, hệ thống đầy đủ cần có các thiết bị phụ trợ như máy nén, máy bơm, để
cung cấp các khí đầu vào, máy trao đổi nhiệt, hệ thống kiểm tra các yêu cầu, sự
chắc chắn của sự vận hành máy, hệ thống dự trữ và điều chế nhiên liệu.
1.3. Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu rất đơn giản là quá trình ngược của
phản ứng điện phân nước. Pin nhiên liệu hoạt động trên nguyên tắc tổ hợp oxy và
hydro để tạo thành nước, cung cấp điện và nhiệt mà không thải ra các chất gây ơ
nhiễm.
Khí hydro được cấp vào khoang cực âm (anode), tại đó xảy ra q trình oxy
hóa theo phản ứng:


2H 2 2O2  2H O
 4e
2

Các ion 𝐻+ tạo thành khuếch tán qua dung dịch điện ly tới bề mặt cực dương
(cathode), nơi xảy ra phản ứng khử oxy theo phương trình dưới đây và giải phóng
ra nước tinh khiết:
O2  4e  2O2
Phương trình tổng
2H 2  O2  2H2 O

Khi nối tế bào pin nhiên liệu với mạch ngoài, các điện tử sẽ chuyển từ anode
qua mạch ngồi sang cathode, dịng điện sẽ chuyển dịch theo chiều ngược lại cung
cấp cho mạch ngoài tạo mạch điện khép kín như hình 1
Để tạo ra năng lượng điện, ta sẽ có một bộ REFORMER : thiết bị tạo ra điện
từ phản ứng điện hóa giữa oxi và hidro .
Các hệ thống tế bào nhiên liệu được phân loại theo nhiều cách khác nhau 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 nay
Các loại pin nhiên liệu : Dung dịch điện ly quyết định phản ứng diễn ra trên
bề
mặt điện cực cũng như các loại ion dẫn điện trong pin nhiên liệu. Dựa vào dung dịch
điện ly có thể phân loại pin nhiên liệu như 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 và thời gian vận hành quyết định yêu cầu đối với các tính chất hóa lý

và cơ nhiệt của vật liệu sử dụng trong các bộ phận cấu thành pin.
Trong các loại trên thì PEMFC có nhiều triển vọng dùng trong các loại xe cộ.
SOFC và APU cũng đều có khả năng trong ứng dụng trên ơ tơ. PEMFC, MCFD và
SOFC cùng có trong tương lai trong ứng dụng trên các trạm phát điện. PAFC là


cơng nghệ mới được nghiên cứu tuy nhiên vẫn cịn nhiều vấn đề kĩ thuật. DMFC
có thể


tạo bước đột phá trong lĩnh vực thiết bị di động. AFC được có thể được ứng dụng
trong ngành hàng không vũ trụ.


Chương 2: Mơ hình tốn học của hệ thống điều khiển fuel cell

Chương 2: Mơ hình tốn học của hệ thống điều
khiển fuel cell
2.1. Mơ tả hệ thống SOFC
Mơ hình hóa của SOFC sẽ được thể hiện dưới những cơng thức tốn học sau :

Ta có cơng thức Vcell như sau:

Từ đó thì ta có mơ hình động học của phương án SOFC stack :

Hình 2: Mô hình động học của SOFC stack

5

Bên cạnh đầu ra
, dông điện Idc và công suất thì ta cịn một biến quan trọng
Vdc
ta tạm gọi là yếu tố quyết định u f :

Trong đó

qinH2, qoutH2, qr H2 là lưu lượng dòng chảy vào, ra và phản ứng .

- Từ mơ hình động học ta thấy tham số (tham số biểu thị cho lưu lượng
dòng chảy của chất đốt tự nhiên ) rất quan trọng, nó ảnh hưởng trực tiếp
tới các
biến
,
, qO ,... và đặc biệt ảnh hưởng trực tiếp tới tham số u f .
pH
qH
2

2

2

- Với mỗi lượng nhiên liệu cấp khác nhau, thì đã chỉ ra được là công suất,
điện áp và hệ số sử dụng nhiên liệu u f xác nhận tinh phi tuyến của hệ
thống. Với u >0.9, có thể rơi vào trạng thai nguy hiểm, vì điện áp và cơng
f

suất giảm xuống đáng kể. Cịn khi u <0.7 , có thể dẫn đến điện áp cao
f

không mong muốn và sản lượng điện thấp. Vì vậy theo hình 3 bài [1] đã
chỉ ra mong muốn u f = 0.8 hoặc 0.85 vì rất nhiều lợi ích của nó, nơm na
là tại giá trị đó, hệ thống coi như là tuyến tính. Từ đó ta có thể thấy tham
số uf quan trọng thế nào.
- Theo [1] đã chỉ ra được luật điều khiển phản hồi :
q IFCf
u

2K r

với u f = 0.85

f
0

2.2. Bộ biến đổi DC/DC Boost converter
Bộ biến đổi boost hoạt động theo nguyên tắc sau: khi khóa (van) đóng, điện
áp ngõ vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian.
Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dịng điện qua nó sẽ tạo
điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận. Ở điều kiện làm việc bình thường,


điện áp ngõ ra có giá trị lớn hơn điện áp ngõ vào, do đó điện áp đặt vào điện cảm
lúc này ngược dấu với với khi khóa (van) đóng, và có độ lớn bằng chênh lệch giữa
điện áp ngõ ra và điện áp ngõ vào, cộng với điện áp rơi trên diode. Dòng điện qua
điện cảm lúc này giảm dần theo thời gian. Tụ điện ngõ ra có giá trị đủ lớn để dao
động điện áp tại ngõ ra nằm trong giới hạn cho phép.


Tương tự như trường hợp của bộ biến đổi buck, dịng điện qua điện cảm sẽ

thay đổi tuần hồn và điện áp rơi trung bình trên điện cảm trong một chu kỳ sẽ
bằng 0 nếu dòng điện qua điện cảm là liên tục (nghĩa là dịng điện tải có giá trị
đủ lớn).
Ở đây, ta muốn công suất của SOFC ổn định theo cơng suất đặt. Để có thể
thiết lập điều khiển dựa trên công suất, trước hết, ta sẽ thiết lập một bộ DC-DC
Boost Converter như dưới đây:

Hình 3: Mạch boost converter

Ta mong muốn công suất đạt được là bao nhiêu, ta sẽ thiết lập một bộ điều
khiển PI để có thể điều khiển đóng cắt Mosfet sao cho cơng suất là bám theo
công suất mong muốn.
Hệ số điều chế :

Trong đó : tx là thời gian van đóng, ts là chu kỳ đóng cắt
Nên ta có điện áp ra như sau :



Cụ thể theo mạch lực như trên, ta có cơng thức liên quan đến bộ điều khiển
tăng áp DC-DC như sau :
T
U  s V ; I  1  tx  I
0
T  t dc 0 
L
s
x
 Ts 
trong đó : 0  tx : là thời gian van V mở , tx  Ts : là thời gian van V đóng trong

một chu kỳ đóng cắt.
2.3. Bộ biến đổi DC/AC inverter với mạch lọc LCL

VP

Sb

Udc o
Sc 4

VN

Sa1

Sa 4
4

Sa3
Sb3
Sc3

Sc1

Sb1

a
c

b

Sa 2

Sb 2

Sc 2

Hình 4: Mạch lực cấu trúc nghịch lưu T-type 3 pha 3 mức

Cấu trúc nghịch lưu T-type 3 pha 3 mức được phát triển từ cấu trúc nghịch
lưu nguồn áp 3 pha 2 mức thông thường. Mỗi pha bao gồm 2 van bán dẫn IGBT
thông thường (Sa1, Sa2) và 1 van RB-IGBT.
Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi là dựa vào 2 tụ DC để chia điện áp đầu
vào thành 2 thành phần điện áp 𝑉𝑑𝑐 /2 và tạo nên điểm trung tính ảo. Điều chỉnh
đóng cắt hợp lý các van bán dẫn sẽ cho ra điện áp dây có dạng 5 mức: −𝑉𝑑𝑐 , −𝑉𝑑𝑐 /
2, 0, +𝑉𝑑𝑐 /2, +𝑉𝑑𝑐 . Vì vậy điện áp pha đầu ra có dạng 3 mức: −𝑉𝑑𝑐 /2, 0, +𝑉𝑑𝑐 /2.


Bảng 0.1 Trạng thái đóng cắt van

Trạn
g thái
P
O
N

𝑉𝑜𝑢𝑡
+𝑉𝑑𝑐 /2
0

SA1

SA2

SA3

SA4

ON
OFF
OFF

OFF
OFF
ON

ON
ON
OFF

OFF
ON
ON

−𝑉𝑑𝑐 /2
Để thấy rõ được ưu điểm về cấu trúc của nghịch lưu hình T so với cấu trúc
khác 1 cách dễ dàng nhất ta có bảng so sánh sau:
Bảng 0.2 So sánh số lượng linh liện cấu trúc T-type với các cấu trúc khác

Cấu trúc
Số van

IGBT
Số van
diode
Diode kẹp
Số tụ







Ttype

NPC

FC

CHB

24

24

24

9

24

24

0

0

36
4

0
4

0
6

0
0

Ưu điểm:
Tiết kiệm đáng kể số lượng linh kiện sử dụng mà vẫn tạo ra số mức điện áp
theo yêu cầu.
Đảm bảo chất lượng về mặt điện áp và yêu cầu công suất lớn.
Sử dụng một nguồn 1 chiều tránh được nhược điểm của cấu trúc cầu H nối
tầng.
Nhược điểm:
Tính Mơ-đun hóa chưa cao.
Vấn đề mất cân bằng điện áp giữa hai tụ gây ảnh hưởng đến chất lượng điện
áp đầu ra.

2.4. Mô hình pin

a. Mơ hình hóa đối tượng


Giả định rằng pin bao gồm một nguồn điện áp kết hợp với các điện trở như sơ
đồ mạch bên dưới:

Hình 5:Sơ đồ tương đương pin

Mơ hình pin axit-chì thường được sử dụng vì phù hợp với các hệ thống fuel
cell bởi chi phí thấp và có sẵn với kích thước lớn. Ta có thể lập được các phương
trình tốn học của quá trình sạc, xả của pin axit-chì và qua q trình mơ phỏng thì
mơ hình này hoạt động tương đối tốt và hiệu quả cho các hệ thống kiểu như pin
nhiên liệu fuel cell. Từ mơ hình mạch trên, ta có thể viết Vbat  E  Rb .i
Khi xả:

EE K

Q
Q

K

.i*  Exp t 

0

Q  i.t
Q  i.t
Q
Q

Khi sạc: E  E  K
K
0

Q  i.t

.i*  Exp t 

i.t  0.1Q

Trong đó:
Vba (V) là điện áp pin thực tế
t

E (V) là điện áp điều khiển
i (A) là dòng điện sạc hoặc xả của pin
Rb (Ω)là điện trở trong của pin)là điện trở trong của pin
E0 (V) là điện áp vịng hở khơng đổi
i * (A) là dòng điện của pin đã hiệu chỉnh
i.t  idt là dung lượng pin thực

tế K (V/Ah) là hằng số phân cực


Q (Ah) là dung lượng pin
A là biên độ vùng hàm mũ