سلول‌های سوختی یکی از فناوری‌های مهم در حوزه تولید انرژی الکتریکی پاک محسوب می‌شوند که به دلیل راندمان بالا، آلایندگی کم و قابلیت استفاده در سیستم‌های تولید پراکنده، توجه زیادی را در سال‌های اخیر به خود جلب کرده‌اند. در میان انواع مختلف سلول‌های سوختی، سلول سوختی اکسید جامد یا Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) به دلیل دمای کاری بالا، قابلیت استفاده از سوخت‌های متنوع و امکان تولید هم‌زمان انرژی الکتریکی و حرارتی، یکی از گزینه‌های مناسب برای کاربردهای نیروگاهی و سیستم‌های تولید توان کوچک مقیاس است.

در این شبیه سازی، یک مدل از سلول سوختی اکسید جامد در محیط Matlab و بخش Specialized Power Systems بررسی می‌شود. هدف اصلی این مدل، مطالعه عملکرد یک سیستم تولید توان مبتنی بر SOFC است که از طریق یک مبدل الکترونیک قدرت به یک شبکه الکتریکی سه‌فاز متصل شده است. این ساختار امکان بررسی رفتار دینامیکی سلول سوختی، کنترل توان اکتیو و نحوه تبادل انرژی بین منبع تولید پراکنده و شبکه قدرت را فراهم می‌کند.

معرفی ساختار سیستم سلول سوختی اکسید جامد

در این سیستم، یک واحد سلول سوختی اکسید جامد به وسیله یک اینورتر مبتنی بر IGBT به یک شین بی‌نهایت سه‌فاز متصل شده است. شین بی‌نهایت در سیستم‌های قدرت به عنوان شبکه‌ای با ولتاژ و فرکانس ثابت در نظر گرفته می‌شود که توانایی جذب یا تأمین توان بدون تغییر محسوس در شرایط کاری را دارد. اتصال SOFC به چنین شبکه‌ای امکان ارزیابی دقیق عملکرد کنترلی و پاسخ دینامیکی سیستم را فراهم می‌سازد.

خروجی الکتریکی سلول سوختی معمولاً به صورت جریان مستقیم تولید می‌شود، در حالی که شبکه‌های قدرت سه‌فاز بر پایه جریان متناوب کار می‌کنند. به همین دلیل، استفاده از یک مبدل الکترونیک قدرت ضروری است. در این مدل، یک اینورتر IGBT وظیفه تبدیل توان DC تولیدشده توسط سلول سوختی به توان AC سه‌فاز را بر عهده دارد. همچنین اینورتر با استفاده از الگوریتم کنترلی مناسب، مقدار توان تزریقی به شبکه را تنظیم می‌کند.

کنترل توان اکتیو و راکتیو در اینورتر

یکی از بخش‌های مهم این شبیه سازی، سیستم کنترل اینورتر است. در این مدل، اینورتر از روش کلیدزنی هیسترزیس (Hysteresis Switching) استفاده می‌کند. روش کنترل هیسترزیس یکی از روش‌های متداول در کنترل مبدل‌های قدرت است که با مقایسه جریان مرجع و جریان واقعی، سیگنال‌های کلیدزنی مناسب برای IGBTها را تولید می‌کند.

کنترل توان اکتیو در این سیستم از طریق تنظیم جریان محور مستقیم یا جریان d-axis انجام می‌شود. در سیستم‌های کنترل مبتنی بر تبدیل dq، جریان سه‌فاز به مؤلفه‌های مستقیم و عمود تبدیل می‌شود که امکان کنترل مستقل توان اکتیو و راکتیو را فراهم می‌کند. در این مدل، جریان محور مستقیم برای کنترل توان اکتیو مورد استفاده قرار گرفته و توان راکتیو در مقدار صفر VAr ثابت نگه داشته می‌شود.

هدف اصلی این کنترل‌کننده، انتقال توان تولیدی سلول سوختی به شبکه با ضریب توان مناسب است. با تنظیم توان راکتیو روی صفر، سیستم تنها توان اکتیو مورد نیاز شبکه را تأمین می‌کند و از ایجاد جریان‌های غیرضروری راکتیو جلوگیری می‌شود.

پارامترهای اندازه‌گیری و مقیاس توان سیستم

بلوک‌های اندازه‌گیری استفاده‌شده در این مدل برای توان نامی 50 کیلووات تنظیم شده‌اند. بنابراین مقدار مرجع توان اکتیو به صورت پریونیت (Per Unit) تعریف می‌شود. در این مقیاس، مقدار 1pu برابر با توان 50 کیلووات در نظر گرفته شده است.

استفاده از سیستم پریونیت در شبیه سازی سیستم‌های قدرت باعث ساده‌تر شدن تحلیل‌ها و امکان مقایسه بهتر عملکرد سیستم در شرایط مختلف می‌شود. برای مثال، زمانی که مقدار مرجع توان برابر با 0.3pu باشد، سیستم باید توان اکتیوی معادل 15 کیلووات تولید و به شبکه منتقل کند.

نتایج شبیه سازی سیستم SOFC

پس از اجرای شبیه سازی، رفتار دینامیکی سیستم در شرایط تغییر فرمان توان بررسی می‌شود. در لحظه اولیه یعنی زمان t=0 ثانیه، مقدار مرجع توان اکتیو برابر با 0.3pu تنظیم می‌شود. مشاهده نتایج نشان می‌دهد که کنترل‌کننده اینورتر قادر است مقدار توان خروجی را در مدت زمانی کمتر از 0.2 ثانیه به مقدار مرجع برساند.

این پاسخ سریع نشان‌دهنده عملکرد مناسب سیستم کنترل جریان و اینورتر در دنبال کردن فرمان توان است. توانایی دنبال کردن سریع تغییرات مرجع، یکی از ویژگی‌های مهم سیستم‌های تولید پراکنده متصل به شبکه محسوب می‌شود، زیرا این سیستم‌ها باید بتوانند در برابر تغییرات بار یا درخواست شبکه واکنش مناسبی نشان دهند.

در زمان t=0.4 ثانیه، مقدار مرجع توان اکتیو به 1pu تغییر داده می‌شود. با توجه به مقدار نامی سیستم، این فرمان معادل تولید 50 کیلووات توان اکتیو است. نتایج شبیه سازی نشان می‌دهد که سیستم مجدداً قادر است مقدار جدید توان را در کمتر از 0.2 ثانیه دنبال کند.

این عملکرد نشان می‌دهد که ساختار کنترلی طراحی‌شده برای اینورتر می‌تواند تغییرات توان را با سرعت مناسب مدیریت کرده و اتصال پایدار سلول سوختی به شبکه سه‌فاز را تضمین کند.

بررسی رفتار شیمیایی سلول سوختی

یکی از بخش‌های مهم مدل SOFC، بررسی متغیرهای مربوط به واکنش شیمیایی داخل سلول است. در این شبیه سازی، فشار گازهای هیدروژن (H2)، بخار آب (H2O) و اکسیژن (O2) بررسی می‌شوند. این پارامترها نشان‌دهنده فرآیندهای داخلی واکنش الکتروشیمیایی سلول سوختی هستند.

نتایج نشان می‌دهد که در بازه زمانی یک ثانیه، سلول سوختی هنوز به تعادل جدید شیمیایی نمی‌رسد. دلیل این موضوع، سرعت نسبتاً پایین تغییرات فرآیندهای شیمیایی در مقایسه با پاسخ الکتریکی اینورتر است. در واقع، بخش الکتریکی سیستم می‌تواند در مدت کوتاهی تغییرات توان را دنبال کند، اما فرآیندهای مربوط به مصرف سوخت و تغییر فشار گازها نیازمند زمان بیشتری هستند.

برای مشاهده کامل دینامیک واکنش شیمیایی سلول سوختی، لازم است مدت زمان شبیه سازی افزایش یابد. با افزایش زمان شبیه سازی، رفتار واقعی‌تر تغییرات فشار گازها و رسیدن سیستم به شرایط پایدار قابل مشاهده خواهد بود.

فرضیات مدل سازی سلول سوختی

مدل استفاده‌شده برای سلول سوختی اکسید جامد بر اساس چند فرض ساده‌کننده توسعه داده شده است. این فرضیات باعث کاهش پیچیدگی محاسباتی مدل شده و امکان اجرای شبیه سازی سیستم قدرت را فراهم می‌کنند.

اولین فرض این است که گازهای موجود در سلول سوختی ایده‌آل در نظر گرفته شده‌اند. در این حالت، رفتار ترمودینامیکی گازها مطابق قوانین گاز ایده‌آل مدل می‌شود و اثرات پیچیده مربوط به رفتار واقعی گازها حذف می‌شود.

فرض دوم مربوط به فشار داخلی الکترودها است. در این مدل تنها یک فشار داخلی برای الکترودها تعریف شده است و تغییرات جزئی فشار در نقاط مختلف سلول در نظر گرفته نمی‌شود.

فرض سوم این است که دمای سلول سوختی ثابت باقی می‌ماند. در سیستم‌های واقعی SOFC، تغییرات دما تأثیر زیادی بر عملکرد الکتروشیمیایی دارند، اما در این مدل برای ساده‌سازی تحلیل، دما ثابت فرض شده است.

همچنین در این مدل از معادله نرنست (Nernst Equation) برای محاسبه ولتاژ تولیدی سلول سوختی استفاده شده است. این معادله ارتباط بین ولتاژ الکتریکی سلول و شرایط ترمودینامیکی واکنش شیمیایی را بیان می‌کند.

کاربرد شبیه سازی SOFC در Matlab

شبیه سازی سلول سوختی اکسید جامد در Matlab امکان بررسی هم‌زمان جنبه‌های الکتریکی، کنترلی و شیمیایی سیستم را فراهم می‌کند. مهندسان می‌توانند قبل از پیاده‌سازی عملی سیستم، عملکرد کنترل‌کننده‌ها، رفتار گذرا، تغییرات توان و تأثیر پارامترهای مختلف را بررسی کنند.

این نوع مدل‌ها در طراحی نیروگاه‌های تولید پراکنده، سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر ترکیبی، ریزشبکه‌ها و سیستم‌های ذخیره انرژی کاربرد گسترده‌ای دارند. همچنین با استفاده از محیط Simulink و Specialized Power Systems می‌توان ساختارهای پیچیده‌تر شامل چندین منبع تولید، بارهای مختلف و کنترل‌کننده‌های پیشرفته را نیز توسعه داد.

جمع‌بندی

در این شبیه سازی، عملکرد یک سلول سوختی اکسید جامد متصل به شبکه قدرت سه‌فاز از طریق یک اینورتر IGBT بررسی شد. نتایج نشان داد که سیستم کنترل قادر است تغییرات توان اکتیو را با سرعت مناسب دنبال کند و توان تولیدی سلول سوختی را با توان راکتیو صفر به شبکه منتقل نماید.

همچنین بررسی رفتار گازهای داخلی سلول نشان داد که دینامیک شیمیایی SOFC نسبت به پاسخ الکتریکی سیستم کندتر است و برای مشاهده کامل فرآیندهای داخلی، زمان شبیه سازی طولانی‌تری مورد نیاز خواهد بود. این مدل می‌تواند به عنوان یک ابزار آموزشی و تحقیقاتی برای تحلیل سیستم‌های تولید انرژی مبتنی بر سلول‌های سوختی در Matlab مورد استفاده قرار گیرد.