Modeling, optimization and control of an integrated PEM fuel cell system
Authors: Ζιώγου Χρυσοβαλάντου 
Published: August 2021

Τα συστήματα κυψελών καυσίμου (ΚΚ) έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον τόσο της βιομηχανικής όσο και της βασικής έρευνας τα τελευταία χρόνια, καθώς αποτελούν μέρος μιας φιλικής προς το περιβάλλον τεχνολογίας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Κατά τη διάρκεια της λειτουργίας των ΚΚ εξελίσσονται διάφορα φαινόμενα και η συμπεριφορά τους επηρεάζεται από ένα πλήθος μεταβλητών που σχετίζονται με την θερμοκρασία, τις μερικές πιέσεις των αερίων, τη χρησιμοποίηση των αντιδρώντων και την υγρασία. Σε αυτά τα πλαίσια η ανάπτυξη κατάλληλων μεθόδων ελέγχου κρίνεται επιτακτική καθώς είναι σημαντικό το σύστημα ΚΚ να καθοδηγείται στην κατάλληλη περιοχή λειτουργίας ώστε να επιτυγχάνεται η βέλτιστη απόδοση και να διασφαλίζεται η εύρυθμη λειτουργία του ενώ ταυτόχρονα να διασφαλίζεται η μακροβιότητα του. Η παρούσα διατριβή έχει διττό αντικείμενο ενασχόλησης. Το πρώτο αφορά στην αντιμετώπιση θεμάτων διαχείρισης ενός ολοκληρωμένου συστήματος ΚΚ μέσω της μοντελοποίησης και της βέλτιστης λειτουργίας του. Ενώ το δεύτερο σχετίζεται με την ανάλυση, διερεύνηση και ανάπτυξη μεθόδων προηγμένης ρύθμισης που βασίζονται σε μαθηματικά μοντέλα χρησιμοποιώντας αλγόριθμους προρρητικού ή προβλεπτικού ελέγχου (model predictive control - MPC). Σε αυτό το πλαίσιο το σύστημα ΚΚ αποτελεί το πεδίο πειραματικής εφαρμογής, επιβεβαίωσης και αποτίμησης των αναλυόμενων και προτεινόμενων μεθόδων. Αρχικά αναπτύσσεται ένα μαθηματικό μη-γραμμικό δυναμικό μοντέλο για συστήματα ΚΚ τύπου πολυμερικής μεμβράνης (Polymer Electrolyte Membrane - ΡΕΜ) το οποίο αποτελείται από ένα σύνολο διαφορικών και αλγεβρικών εξισώσεων (ΔΑΕ) που περιγράφουν τα βασικά ισοζύγια μάζας και ενέργειας καθώς και την ηλεκτροχημική συμπεριφορά του συστήματος. Σε αυτές τις εξισώσεις εμφανίζονται κάποιες εμπειρικές παράμετροι, οι βέλτιστες τιμές των οποίων προσδιορίζονται από μια γενικευμένη συστηματική μεθοδολογία εκτίμησης. Ο στόχος της μεθοδολογίας αυτής είναι να προσδώσει πειραματικά επιβεβαιωμένη εγκυρότητα στο μοντέλο που λαμβάνει υπόψη τις αλληλεπιδράσεις των υποσυστημάτων που επηρεάζουν την ΚΚ. Στη συνέχεια παρατίθεται μια εμπεριστατωμένη ανάλυση μεθόδων προηγμένης ρύθμισης που αποτελούν μια ανερχόμενη στρατηγική καθώς μπορούν να αντιμετωπίσουν ταυτόχρονα μη-γραμμικά συστήματα, πολλαπλά κριτήρια βελτιστοποίησης υπό περιορισμούς και να οδηγήσουν το σύστημα στην επιθυμητή κατάσταση μέσω της βέλτιστης λήψης αποφάσεων. Η μελέτη εστιάζει σε δύο μεθόδους προρρητικού ελέγχου, το μη-γραμμικό MPC (NMPC) και το πολυπαραμετρικό MPC (mpMPC). Η πρώτη βασίζεται στην online επίλυση ενός δυναμικού προβλήματος βελτιστοποίησης μη-γραμμικού προγραμματισμού (Nonlinear Programming - NLP), ενώ η δεύτερη βασίζεται στην offline επίλυση ενός προβλήματος πολυπαραμετρικού τετραγωνικού προγραμματισμού (multi-parametric Quadratic Programming - mpQP). Τέλος προτείνεται μία νέα μέθοδος που συνδυάζει τα πλεονεκτήματα των δύο προηγούμενων (mpMPC, NMPC) τροποποιώντας κατάλληλα τον χώρο αναζήτησης των μεταβλητών μέσω της δυναμικής προσαρμογής του, σε ένα υποσύνολο του εφικτού με βάση την πολυεδρική καταμέρισή του. Η συνέργεια αυτή συμβάλει καταλυτικά στην βελτίωση της απόδοσης του βελτιστοποιητή που χρησιμοποιείται για την online επίλυση ενός NLP προβλήματος καιαποτελεί νευραλγική συνιστώσα του προρρητικού ελέγχου. Ακολουθεί η σχεδίαση και ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου πλαισίου ελέγχου το οποίο ενσωματώνει ένα πλήθος πολυμεταβλητών ελεγκτών που βασίζονται στις μεθόδους προηγμένης ρύθμισης που σχεδιάζονται για το πειραματικό σύστημα ΚΚ. Επιπρόσθετα παρουσιάζεται η αρχιτεκτονική του βιομηχανικού συστήματος εποπτικού ελέγχου και της διεπαφής που επιτρέπει τη διασύνδεση των αλγόριθμων προηγμένης ρύθμισης με το σύστημα αυτοματισμού. Το πακέτο λογισμικού που σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε, αναλαμβάνει τη διασύνδεση και το συγχρονισμό της επικοινωνίας μεταξύ των ελεγκτών τύπου MPC και του εποπτικού συστήματος της μονάδας, καθιστώντας με αυτό τον τρόπο εφικτή τη μετάβαση από την θεωρητική μελέτη στην πρακτική εφαρμογή των στρατηγικών προρρητικού ελέγχου. Η μελέτη της απόκρισης των ελεγκτών και της συμπεριφοράς της μονάδας αναλύεται μέσα από ένα πλήθος πειραμάτων (σε επίπεδο προσομοίωσης και online), που παρουσιάζουν τα χαρακτηριστικά της κάθε μεθόδου σε σχέση με τους επιδιωκόμενους στόχους βέλτιστης λειτουργίας που τίθενται για το σύστημα. Για το σκοπό αυτό η μελέτη καλύπτει ένα μεγάλο εύρος λειτουργικών συνθηκών, την ύπαρξη διαταραχών και την έναρξη της λειτουργίας της μονάδας.