Multilineární prediktivní řízení palivových článků s pevným oxidickým elektrolytem

Ing. Radek Horálek

Doctoral thesis

Multilinear model predictive control of solid oxide fuel cells

Abstract:

Palivové články představují čistý zdroj elektrické energie s vysokou účinností. Jedním z nejpoužívanějších typů jsou v současnosti palivové články s pevným oxidickým elektrolytem (SOFC), jejichž oblasti využití zahrnují stacionární i mobilní energetické zdroje různého výkonu. Aby mohlo dojít k jejich skutečně širokému uplatnění, je ovšem třeba vyřešit některá současná technologická omezení, především je nezbytné zvýšení schopnosti provozu při častých změnách zátěže. To je předmětem současného intenzivního výzkumu v různých technických oblastech a nezbytnou součástí tohoto výzkumu je i návrh vhodného řídicího systému. Cílem této disertační práce je přispět k vývoji v oblasti řízení SOFC palivových článků. Je provedena podrobná rešerše současného stavu problematiky řízení SOFC článků včetně stanovení klíčových faktorů ovlivňujících životnost článku. Ukazuje se, že většina dosud publikovaných prací využívajících pokročilé metody řízení se zaměřuje na řízení založené na nelineárním prediktivním modelu (nelineární MPC). Tato metoda ovšem vykazuje i v současnosti řadu problémů souvisejících s nelineární optimalizací znesnadňujících jeho praktické využití. Vhodným řešením proto může být MPC založené sadě lineárních modelů (multilineární MPC). V práci je navržen postup návrhu multilineárního MPC regulátoru pro provoz SOFC palivových článků v širokém rozsahu výkonů. Pro volbu vhodných lineárních modelů je využito metody gap metriky a linearizace na různých úrovních proudového zatížení článku. Lineární modely jsou upraveny tak, aby zohledňovaly výpočetní zpoždění regulátoru přítomné v reálných aplikacích. Pro omezení tepelného namáhání během změn zátěže je navržen způsob omezení rychlosti změny teploty článku. Metody návrhu multilineárního MPC regulátoru jsou ověřeny simulačně v širokém rozsahu zátěže spolu s celým řídicím systémem. Za tímto účelem je implementován model planárního SOFC článku publikovaný v literatuře a ten je rozšířen o vnitřní reformování paliva, kterým je zemní plyn. Pro tento konkrétní palivový článek jsou pak nastaveny parametry regulátoru a celého řídicího systému pro dva odlišné provozní režimy (regulace výstupního výkonu a regulace na konstantní výstupní napětí). Výsledky v případě regulace výkonu dodávaného do elektrické sítě ukazují velmi dobrou schopnost řídicího systému reagovat v širokém pracovním rozsahu na skokové změny požadovaného výkonu. Přestože omezení rychlosti změny teploty článku má vliv na dobu regulace výkonu, je možný dobrý kompromis mezi výkonem regulátoru a snížením tepelného namáhání článku. Při regulaci napětí článku přímo připojeného k zátěži jsou ukázány obecné limity kvality regulace napětí a omezení rychlosti změny teploty při rychlých změnách odebíraného proudu, nevyhnutelných v tomto provozním režimu. Je proto též ukázáno, že dalšího zlepšení kvality regulace může být v tomto režimu dosaženo za použití superkondenzátorů.

Abstract:

Fuel cells are relatively clean, high efficiency technology for electricity generation. Several fuel cell technologies exist. Solid oxide fuel c ells (SOFC) nowadays rank as one of the most important fuel cell types. SOFC systems can be built as both stationary and mobile energy sources with wide range of nominal output power. However, SOFC cells still have some technological limitations that must be overcome in order to enable their extensive commercial applications. One of such limitations is their limited load following capability. It is caused by the sensitivity of the cell to fast changes of temperature and other variables that result from load changes. For this reason, constant load operation is now recommended for SOFC cells in order to avoid significant lifetime reduction. Control is a key enabling technology for removing this limitation. This thesis is focused on control of SOFC based electricity generation that is conceived in such a way that lifetime related constraints are always considered together with the main control objective. In the first part of the thesis, a detailed SOFC control system literature review is done including cell lifetime key factors as well. It is shown that most of the current research papers dealing with the advanced control of SOFC use nonlinear model predictive control (MPC). However, as nonlinear MPC still has many issues limiting its practical applicability in control systems of SOFC based electricity generators, the approach preferred in this thesis is to use MPC based on multiple linear models (multilinear MPC). Thereafter methods of multilinear MPC controller design methods suitable for wide range operation are developed. It is shown that cell current load can be used as the only scheduling variable to switch between different linearized models. Gap metric based method is used to analyze cell nonlinearity and to select an appropriate model bank. Linearized models are modified to take into account controller computational delay existing in real applications. To restrict cell thermal stress related to load changes, rapid thermal changes restriction method is introduced. Performance of multilinear MPC controller and other components of the control system is tested by simulations in wide operational range. For this purpose dynamic model of planar SOFC published in the literature is implemented and this model is extended to include direct internal reforming of fuel (natural gas). Guidelines for tuning the multilinear MPC controller are developed. Two different operation modes are considered: AC grid connected application where tracking the changing power requirement is the main control objective and standalone application with DC output where the main control objective is to maintain constant DC output voltage despite load changes. In the case of grid connected fuel cell power control, demand power step changes in a wide operational range were realized during simulation. Simulation results show successful restriction of rapid thermal changes while high control system performance can be kept. In the case of voltage control of cell directly connected to the load, some general limitations of voltage control are shown that relate to fast load changes in this operation mode. For this reason there is also shown that another improvement of control performance can be obtained by adding supercapacitor to the fuel cell.

Keywords

multilineární regulátor, prediktivní řízení, palivový článek s pevným oxidickým elektrolytem

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 26. 6. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 16. 2. 2016
• Supervisor: doc. Dr. Ing. Jaroslav Hlava

Technical University of Liberec

Faculty of Mechatronics, Informatics and Interdisciplinary Studies

Doctoral programme / field:
Electrical Engineering and Informatics / Technical cybernetics