Control no-lineal de un sistema de conversión eléctrica basado en una celda de combustible

Abstract

"Las celdas de combustible de hidrógeno son dispositivos capaces de transformar la energía producida por una reacción electro-química entre hidrógeno y oxígeno en energía eléctrica, debido a ello, se han convertido en una alternativa interesante en la industria eléctrica y de transporte por ser una fuente de energía renovable, que no sufre de intermitencia como la energía solar o eólica. Por otro lado, la celda de combustible sufre de una dependencia no-lineal con respecto a la corriente demandada, sensibilidad a la temperatura, presión y humedad de operación, así como la generación de un voltaje bajo y no regulado. Otro problema asociado a su operación es el que la membrana de la celda se degrada o daña si los cambios en la corriente demandada suelen ser significativamente altos en intervalos de tiempo cortos. Debido al voltaje bajo y no regulado a la salida de la celda de combustible, se requiere el uso de convertidores electrónicos de potencia para elevar dicho voltaje; y por otro lado, se requieren sistemas de control donde el objetivo sea ajustar de manera efectiva el voltaje de salida de los convertidores, esto con la intención de alimentar cargas eléctricas tanto de corriente alterna como de corriente directa en aplicaciones industriales o de transportación. En este trabajo de tesis se presenta el análisis y modelado para un sistema de generación eléctrica basado en una celda de combustible, así como el diseño de controladores no lineales con el fin de mantener un voltaje de salida constante a pesar de presentar variaciones en la carga eléctrica y tener además incertidumbre en los parámetros del sistema. Para hallar una solución de los problemas asociados a la celda de combustible, esta tesis se encuentra dividida en dos partes, la primera se enfoca en resolver el problema de la no-linealidad de la celda estudiando el sistema combinado de celda de combustible conectada a un convertidor elevador. En este caso se diseña un estrategia de control adaptable no-lineal basado en la técnica por retroceso para la regulación de voltaje del bus de CD que considera la dinámica de la celda de combustible. Por otro lado, para la segunda parte de esta tesis, se considera la adición de un dispositivo de almacenamiento de energía al sistema mediante un convertidor bidireccional, para contrarrestar la degradación de la celda de combustible ante los cambios rápidos de la corriente demandada en cortos intervalos de tiempo. Para este caso, se diseña una estrategia no lineal de regulación de voltaje de salida basada en la teoría de estabilidad en el sentido de Lyapunov así como un esquema adaptable para compensar no idealidades del sistema."

"Hydrogen fuel-cells are devices capable to transform the energy produced by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen into electrical energy, for this reason, they have become an interesting alternative in the electric and transport industry for being a renewable energy source, that do not suffer from intermittency like solar or wind energy. On the other hand, fuel-cells have a no-lineal dependence on electric current, temperature, pressure and operating humidity, as well as low and un-regulated voltage generation. Additionally the fuel-cell membrane can be degraded or damaged if the demanded current slope is significantly high in shorts periods of time. Due to the low and un-regulated voltage at the output of the fuel-cell, the use of electronic power converters is required to raise this voltage, consequently, a control system is required to effectively adjust the converter output voltage to feed electrics loads of both alternating and direct current in industrial or transportation applications. In this work the analysis, modeling and design of a electric generation system based on a fuel cell is presented, as well as the design of non-linear controllers in order to maintain a constant output voltage despite having variations in the electrical load and also having uncertainty in system parameters. To find a solution to theses problems associated with the fuel-cell, this work is divided into two parts, the first one is focused on solving the fuel-cell non-linearity problem by studying the combined fuel cell system connected to a boost converter. In this case a non-linear adaptive control strategy based on Backstepping is designed for the regulation of the DC bus voltage considering the fuel-cell dynamics. For the second part of this work, the addition of an energy storage device to the system through a bidirectional converter is considered, to counteract the fuel-cell degradation under rapid changes in the demand current in short time intervals. In this case, a non-linear voltage regulation strategy is designed based on Lyapunov’s stability theory as well as an adaptation scheme to compensate non-idealities of the system. "