Nonlinear dynamic per-unit models for electrochemical energy systems : application to a hardware-in-the-loop hybrid simulation

摘要

La situación energética actual está dominada por los combustibles fósiles, especialmente por el petróleo. Esta dependencia se está conviertiendo en arriesgada debido a las decrecientes reservas, a la incertidumbre de los recursos de petróleo y a las consecuencias económicas y políticas de una concentración de reservas en países de Oriente Medio. El sector transportes tiene una particular dependencia del petróleo como combustible y es una fuente de contaminación debido a su combustión. De cara a reducir esta dependencia se están introduciendo energías renovables como fuentes alternativas de energía. Las más comunes son la eólica y la fotovoltaica, aunque existen otros tipos, como las energías mareomotriz, de gradiente térmico, biomasa o undomotriz. El principal inconveniente de estas energías es su carácter no programable, que fomenta el uso de sistemas de almacenamiento de energía. Las energías renovables mencionadas no son aplicables a vehículos, por lo que para el sector transportes es más interesantes el uso de vectores energéticos tales como el hidrógeno. El hidrógeno puede ser un sustituto del petróleo para aplicaciones vehiculares, pero primero se han de resolver ciertos problemas, como son el elevado coste, la seguridad y el establecimiento de una infraestructura de distribución de hidrógeno. Como en el caso de los sistemas estacionarios renovables, las pilas de combustible de aplicación vehicular necesitan sistemas de almacenamiento de energía que sean capaces de suministrar picos de potencia durante la aceleración o subiendo una pendiente. Esta situación energética ha provocado un incremento del desarrollo e investigación de sistemas electroquímicos, tales como las pilas de combustible, las baterías y los supercondensadores. Sobre todo, se está realizando un esfuerzo en el diseño, modelado, control y fabricación de estos sistemas, que permita su implantación tanto en aplicaciones estacionarias como vehiculares o portátiles. Esta Tesis presenta el modelado dinámico no lineal de sistemas electroquímicos tales como las pilas de combustible, las baterías y los supercondesadores a través de ensayos en el dominio de la frecuencia, además de su validación con resultados experimentales. Se propone un sistemas por unidad para aquellos sistemas electroquímicos activos (pila de combustible y batería). Estos sistemas son una herramienta útil para el diseño y comparación, debido a la gran variedad de tensiones y capacidades que pueden encontrarse, por ejemplo, en las baterías. Además, se ha propuesto un método de ensayo de espectroscopía de la impedancia para supercondensadores durante elevadas corrientes. Los resultados obtenidos y la comparación con resultados experimentales son muy positivos. Por último, se ha realizado una simulación hardware-in-the-loop de sistemas híbridos de energía. La simulación realizada presenta un coste y complejidad menor que otros tipos de simulaciones. Esto es debido a que los elementos más caros, como es la pila de combustible, son sustituidos por una fuente de potencia programable capaz de reproducir la dinámica de tensión y corriente de la pila de combustible. Además, se propone un simulador de vehículo, capaz de reproducir, tanto la potencia demandada por el vehículo como el frenado regenerativo. La pila de combustible simulada y una batería real alimentan en paralelo al vehículo simulado, permitiendo llevar a cabo una simulación por unidad del conjunto y la prueba de diferentes estrategias de control para un determinado ciclo de conducción. ___________________________________________________