Control design and embedded software of fuel cell powered UPS
Pulliainen, Joel (2024)
Diplomityö
2024
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202402299213
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202402299213
Tiivistelmä
The objective of this thesis is to design a hydrogen-based fuel cell powered uninterruptable power supply. In UPS use backup sources or long-term energy storage options are almost exclusively diesel generators. This does pose a lot of problems in terms of environmental concerns. The thesis is done for the company Eaton.
A model-based design approach was used in this thesis. First a literature review of the system components was done, then controls were designed and selected. System was tested in an offline Simulink.
The designed control system was cascaded systems with parallel inner loops. Outer loop creates a power reference that is then divided between the two inner control loops. This results in the battery being used for fast transient response and the fuel cell to be used as the primary power source. PI-controllers were utilized in each loop. With the inner fuel cell loop the control of the rate of change was done with a rate limiter which calculates the derivative of the power reference and limits it to a maximum fall and rise times. Additionally, a battery charger was designed to be used with the system. Because batteries are also used for absorbing transients the batteries can never be fully charged. Thus, the battery charger generates aims to keep batteries at a specific setpoint. Fuel cell in testing was simplified model of an actual fuel cell.
The dynamic response that was observed in the literature review was simulated artificially with slowing the controller down. This resulted in a sufficient model of the fuel cell. Overall, the system performance was within acceptable limits. In Simulink DC-link voltage could be kept within 2 per cent with low rise times and negligible steady state error. The system could be running indefinitely as batteries can be charged with the fuel cell. Batteries could be used to dampen the effects of transients. Next step in research would be to create a Hardware-in-the-Loop simulation, where the system could be tested with real hardware with the other functionality of the UPS. Further research could be done with a more active use of the fuel cell to downsize the batteries. Also integrating other energy sources to the system could be done. Tämän diplomityön tavoitteena oli suunnitella vetypolttokennokäyttöisen keskeytymättömän teholähteen ohjausjärjestelmä. Yleensä UPS:ien kanssa varateholähteenä tai pitkäaikaisina energiavarastona käytetään diesel generaattoreita. Dieselgeneraattoreiden käyttö tuotaa ongelmia ympäristön kannalta. Tämä työ tehtiin Eatonille.
Mallipohjaista suunnitelu periaatetta käytettiin työn tekemiseen. Ensin toteuttiin kirjallisuuskatsaus järjestelmän eri komponenteihin, jonka jälkeen ohjaimet valittiin ja ohjausjärjestelmä suunniteltiin. Ohjausjärjestelmä testattiin Simulink simulaatiolla.
Kehitetty ohjausjärjestelmä hyödyntää kaskadisäätöä, jossa on kaksi rinnakkaista sisempää silmukkaa. Ohjausjärjestelmän ulompi silmukka tuottaa järjestelmän vaatiman kokonaisteho vertailuarvon, joka jaetaan kahden rinnakaisen sisemmän silmukan välillä. Akusto tuottaa järjestelmään nopean vasteen, jolla nopeita transientteja pystyttään tasoittamaan, kun polttokennoja käytetään pääteholähteenä, jonka vaste on huomattavasti hitaampi. PI-ohjaimia käytettiin jokaisessa silmukassa tuottamaan tarvittava käyttöjakso kytkentälaiteille. Polttokennon sisemmässä silmukassa teho-ohjeen muutosta rajoitettiin niin sanotulla ’muutoksen rajoittalla’, joka laskee teho-ohjeen derivaatan ja rajaa sen korkeimpaan nousu- ja laskuaikaan. Lisäksi akkulaturi suunniteltiin järjestelmään. Koska akkuja käytetään myös transienttien vaimentamiseen ei akkuja voida pitää täysin ladattuina. Täten akkulaturi pyrkii pitämään akkujen lataustason tietyssä asetusarvossa.
Testeissa polttokennosta käytettiin yksinkertaistettua mallia, jonka parametreja pyrittiin mallintamaan mahdollisimman lähelle oikeata polttokennoa vastaavaksi. Kirjallisuuskatsauksessa havaittua polttokennojen ominaista hitautta simuloitiin tuottamalla keinotekoinen viive ohjausjärjestelmällä. Kokonaisuudessaan järjestelmä todettiin toimivaksi. Akkujen ja polttokennojen välinen kuormasiirto toteutui. DC-linkin ylitys ja alitus oli alle 2 prosenttia simulaatioden ajan, toimintapisteen säätövirhe oli mitätön. Akkujen lataus myös onnistui suunnitellusti. Jatkokehityksenä järjestelmää tulisi testata Hardware-in-the-Loop simulaatiolla, jolla järjestelmän toimivuus voidaan todeta muun UPS:n toiminnalisuuden mukana. Jatkotutkimuksena polttokennojen käyttö aktiivisempana osana jäjestelmää tulisi tutkia. Myös muidenkin kuin polttokennojen integrointia järjestelmään tulisi tutkia.
A model-based design approach was used in this thesis. First a literature review of the system components was done, then controls were designed and selected. System was tested in an offline Simulink.
The designed control system was cascaded systems with parallel inner loops. Outer loop creates a power reference that is then divided between the two inner control loops. This results in the battery being used for fast transient response and the fuel cell to be used as the primary power source. PI-controllers were utilized in each loop. With the inner fuel cell loop the control of the rate of change was done with a rate limiter which calculates the derivative of the power reference and limits it to a maximum fall and rise times. Additionally, a battery charger was designed to be used with the system. Because batteries are also used for absorbing transients the batteries can never be fully charged. Thus, the battery charger generates aims to keep batteries at a specific setpoint. Fuel cell in testing was simplified model of an actual fuel cell.
The dynamic response that was observed in the literature review was simulated artificially with slowing the controller down. This resulted in a sufficient model of the fuel cell. Overall, the system performance was within acceptable limits. In Simulink DC-link voltage could be kept within 2 per cent with low rise times and negligible steady state error. The system could be running indefinitely as batteries can be charged with the fuel cell. Batteries could be used to dampen the effects of transients. Next step in research would be to create a Hardware-in-the-Loop simulation, where the system could be tested with real hardware with the other functionality of the UPS. Further research could be done with a more active use of the fuel cell to downsize the batteries. Also integrating other energy sources to the system could be done.
Mallipohjaista suunnitelu periaatetta käytettiin työn tekemiseen. Ensin toteuttiin kirjallisuuskatsaus järjestelmän eri komponenteihin, jonka jälkeen ohjaimet valittiin ja ohjausjärjestelmä suunniteltiin. Ohjausjärjestelmä testattiin Simulink simulaatiolla.
Kehitetty ohjausjärjestelmä hyödyntää kaskadisäätöä, jossa on kaksi rinnakkaista sisempää silmukkaa. Ohjausjärjestelmän ulompi silmukka tuottaa järjestelmän vaatiman kokonaisteho vertailuarvon, joka jaetaan kahden rinnakaisen sisemmän silmukan välillä. Akusto tuottaa järjestelmään nopean vasteen, jolla nopeita transientteja pystyttään tasoittamaan, kun polttokennoja käytetään pääteholähteenä, jonka vaste on huomattavasti hitaampi. PI-ohjaimia käytettiin jokaisessa silmukassa tuottamaan tarvittava käyttöjakso kytkentälaiteille. Polttokennon sisemmässä silmukassa teho-ohjeen muutosta rajoitettiin niin sanotulla ’muutoksen rajoittalla’, joka laskee teho-ohjeen derivaatan ja rajaa sen korkeimpaan nousu- ja laskuaikaan. Lisäksi akkulaturi suunniteltiin järjestelmään. Koska akkuja käytetään myös transienttien vaimentamiseen ei akkuja voida pitää täysin ladattuina. Täten akkulaturi pyrkii pitämään akkujen lataustason tietyssä asetusarvossa.
Testeissa polttokennosta käytettiin yksinkertaistettua mallia, jonka parametreja pyrittiin mallintamaan mahdollisimman lähelle oikeata polttokennoa vastaavaksi. Kirjallisuuskatsauksessa havaittua polttokennojen ominaista hitautta simuloitiin tuottamalla keinotekoinen viive ohjausjärjestelmällä. Kokonaisuudessaan järjestelmä todettiin toimivaksi. Akkujen ja polttokennojen välinen kuormasiirto toteutui. DC-linkin ylitys ja alitus oli alle 2 prosenttia simulaatioden ajan, toimintapisteen säätövirhe oli mitätön. Akkujen lataus myös onnistui suunnitellusti. Jatkokehityksenä järjestelmää tulisi testata Hardware-in-the-Loop simulaatiolla, jolla järjestelmän toimivuus voidaan todeta muun UPS:n toiminnalisuuden mukana. Jatkotutkimuksena polttokennojen käyttö aktiivisempana osana jäjestelmää tulisi tutkia. Myös muidenkin kuin polttokennojen integrointia järjestelmään tulisi tutkia.