Modellbasert styring av Vanadium redoks flow batteri

Abstract

Denne bacheloroppgaven presenterer utviklingen av reguleringsstrategier for ett Vanadium redoks flow-batteri (VRFB) ved hjelp av Matlab og Simulink. Dette omfatter litteratursøk, matematisk modellering, simulering og regulering av systemet. Målet med prosjektet er å utvikle en reguleringsstrategi som Bryte kan ta utgangspunkt i og som danner et grunnlag for videreutvikling.

Et VRFB baserer seg på tilførsel av elektrolytt væske fra eksterne tanker til en cellestabel, hvor en redoks reaksjon forekommer. Her vil ett elektrokjemisk potensial omgjøres til elektrisk energi. For at et VRFB skal kunne opprettholde en spenning over tid, kreves det at ny elektrolyttvæske pumpes inn i cellestabelen. Det vil derfor være ett behov for å regulere strømningshastigheten.

Det har blitt etablert en matematisk modell basert på Grå-boks-metoden, som beskriver konsentrasjonsendringen i cellestabellen og spenningpotensialet over den. Utifra dette har det blitt gjort analyser av systemet gjennom Matlab og Simulink. Systemet har også blitt overført til en tilstandsrommodell, der stabiliteten rundt forskjellige arbeidspunkter har blitt undersøkt.

Modellen har blitt implementert i Simulink, noe som muliggjør simulering og bruk av flere nyttige verktøy. Dette utgjør grunnlaget for reguleringstrategiene, der det fokuseres på kontroll med hensyn på spenning eller strømningshastighet. Ettersom systemet er tregt og asymptotisk stabilt ble det valgt en PI-regulator siden denne klarte å regulere strømningen til en tilfredstillende grad.

Det er knyttet usikkerhet til nøyaktigheten av modellen og dermed alt som er basert på den. Modellen bør antakelig utbedres, men gruppen er selvsikre på at den er ett godt utgangspunkt for videreutvikling og forståelse av systemet.

This bachelor thesis presents the development of control strategies for a Vanadium redox flow battery (VRFB) using Matlab and Simulink. This includes literature search, mathematical modeling, simulation and control of the system. The goal of the project is to develop a control strategy that Bryte can use as a base for further development.

A VRFB is based on the supply of electrolyte liquid from external tanks to a cell stack, where a redox-reaction occurs. Here, electrochemical potential will be converted into electrical energy. In order for a VRFB to be able to maintain a voltage over time, it is required that new electrolyte liquid is pumped into to the cell stack. Therefore there is a need to control the flow.

A mathematical model has been established based on the Gray-box-method, which describes the concentration change in the cell stack, as well as the voltage potential. Based on this, an analysis of the system has been made through Matlab and Simulink. The system has also been modeled using a state-space model, where the stability around different equilibrium points has been investigated.

The model has been implemented in Simulink, which enables simulation and the use of several tools. This forms the basis for the control strategies, where the focus has been on current- and voltage based control. As the system is slow and asymptotically stable a PI-controller was chosen as this managed to control the flow to a satisfactory degree.

There is uncertainty associated with the accuracy of the model and thus everything that is based on it. The model probably needs to be improved, but the group is confident that it is a good starting point for further development and understanding of the system.