Dinamik ve statik yük altındaki PEM yakıt pillerinde PSO tabanlı PI ve FOPI performansların karşılaştırılması
Comparison of PSO-based PI and FOPI performances in PEM fuel cells under dynamic and static load
Yazar: BÜŞRA NUR UÇMAZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ YURDAGÜL BENTEŞEN YAKUT
Dicle Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Tesisleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Yakıt pilleri temiz, çevreyi kirleten atık madde ürünleri çıkarmayan yüksek verime sahip enerji teknolojisidir. Sıklıkla yakıt olarak Hidrojen'in kullanıldığı yakıt pillerinin çeşitli türleri geliştirilmektedir. Bunlardan bir tanesi Proton değişim membranlı yakıt hücreleri (PEMFC - Proton Exchange Membrane Fuel Cells) olup, tespit edilen önemli özellikleri; kompakt ve hafif oluşu, düşük sıcaklıklarda yüksek çıkış güç yoğunluğu, düşük çevresel etkisi ve iyi bir başlama/kapama performansının olmasıdır. Ancak standardın altında görülen performans, sabit tutulamayan (kontrolsüz) gerilim ve yakıt tüketimindeki yüksek oran gibi sorunlar PEMFC'lerin ticari uygulamalarda yaygın olarak kullanılmasını engelleyen parametrelerdir. Dolayısıyla PEMFC'lerde uygun bir kontrol tasarımının gerektiği görülmektedir. Bu motivasyonla bu tez çalışmasında, dinamik ve sabit yük olmak üzere iki farklı PEMFC tasarımı kapsamında yer alan DC-DC dönüştürücülerde geleneksel PI / PSO tabanlı PI / PSO tabanlı FOPI kontrolörleri kullanılarak sistem performansının iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Hem dinamik ve hem de statik yük altında çalışan PEMFC sisteminde 6 kW'lık yakıt pili kullanılmış ve Hidrojen tüketimi [L/dak] ile birlikte oksijen hava akışı [m3/s] sistemin giriş parametreleri olarak alınmıştır. 
Dinamik yük altında bulunan PEMFC modelinin performansını iyileştirmek amacıyla geleneksel PI ve PSO tabanlı PI olmak üzere 2 farklı uygulama gerçeklenmiştir. PSO uygulamasında parçacık sayısı 50 alınmış ve sonuçlar 10 kez tekrar edilerek elde edilmiştir. Buna göre; en düşük maliyete sahip uygulamada elde edilen optimum değerlerin Kp=0.0084 ve Ki=0.5 olduğu tespit edilmiştir. Varyans ve standart sapma değerlerine bakıldığında, en düşük salınımın Kp=0.00815 ve Ki=0.4623 değerleri ile elde edildiği görülmüştür ve PSO yöntemiyle belirlenen optimum değerlerin, referans değişime göre daha kararlı olduğu gözlemlenmiştir. 
Statik yük altında bulunan PEMFC modelinin performansını iyileştirmek amacıyla geleneksel PI, PSO tabanlı PI ve PSO tabanlı FOPI olmak üzere 3 farklı uygulama gerçeklenmiştir. Yöntemlere ilişkin performansların karşılaştırılmasında; en büyük aşım, yükselme süresi ve yerleşme süresi ölçüt olarak alınmıştır. Geleneksel PI modelinde, ampirik yaklaşımla PI değerleri Kp=0.001 ve Ki=0.15 olarak elde edilmiştir. PSO tabanlı PI modelinde ise katsayılar (Kp=0.2042, Ki=1) olarak belirlenmiştir. PSO için farklı parçacık sayıları ile model denenmiş ve en iyi sonucun 20 parçacıkla elde edildiği tespit edilmiştir. Son olarak PSO tabanlı FOPI uygulamasında ise PIλ kontrolör katsayıları (Kp=0.7753, Ki=0.3650 ve λ=0.2050) olarak belirlenmiştir. Bulgulara göre, önerilen PSO tabanlı PI ve PSO tabanlı FOPI yaklaşımları ile elde edilen performans, geleneksel PI yaklaşımı ile elde edilen performanstan daha iyi olduğu gözlemlenmiştir. 

Anahtar Kelimeler: Hidrojen enerjisi, PEM yakıt pili, Dinamik/Statik yük; PSO, PI kontrolör, FOPI

Abstract:
Fuel cells are clean, highly efficient energy technologies that do not produce waste products that pollute the environment. Many kinds of fuel cells are being researched, and hydrogen is frequently used as the fuel. One of these is Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) and its important features are; It is compact and lightweight, has high output power density at low temperatures, low environmental impact and good start-up/shutdown performance. However, problems such as substandard performance, uncontrolled voltage and high fuel consumption are parameters that prevent the widespread use of PEMFCs in commercial applications. Therefore, it seems that an appropriate control design is required in PEMFCs. With this motivation, in this thesis study, it is aimed to improve the system performance by using traditional PI / PSO based PI / PSO based FOPI controllers in DC-DC converters within the scope of two different PEMFC designs: dynamic and constant load. In the PEMFC system, which works under both dynamic and static load, a 6 kW fuel cell was used and Hydrogen consumption [L/min] and oxygen air flow [m3/s] were taken as the input parameters of the system. 
In order to improve the performance of the PEMFC model under static load, three different applications were implemented: traditional PI, PSO-based PI and PSO-based FOPI. PSO application: 50 particles were used, and after ten repetitions, the desired results were attained. Based on this, it was found that Kp = 0.0084 and Ki = 0.5 were the optimal values produced in the application with the lowest cost. Looking at the variance and standard deviation values, it was observed that the lowest oscillation was obtained with the values of Kp = 0.00815 and Ki = 0.4623, and the optimum values determined by the PSO method were observed to be more stable than the reference change.
Three distinct applications—traditional PI, PSO-based PI, and PSO-based FOPI—were implemented in order to enhance the PEMFC model's performance under static load. In comparing the performances of the methods; The largest overshoot, rise time and settling time were taken as criteria. In the traditional PI model, PI values were obtained as Kp = 0.001 and Ki = 0.15 with the empirical approach. In the PSO-based PI model, the coefficients are determined as (Kp = 0.2042, Ki = 1). For PSO, the model was tested with different particle numbers and it was determined that the best result was obtained with 20 particles. Finally, in the PSO-based FOPI application, PIλ controller coefficients were determined as (Kp = 0.7753, Ki = 0.3650 and λ = 0.2050).  According to the findings, it has been observed that the performance obtained with the proposed PSO-based PI and PSO-based FOPI approaches is better than the performance obtained with the traditional PI approach.

Keywords: Hydrogen energy, PEM fuel cell, Dynamic/Static load; PSO, PI controller,FOPI