Aplicação de enxame de partículas para otimização do controle da tensão gerada por células de combustível a hidrogênio do Tipo PEM

Abstract

A atualidade é marcada por uma crescente demanda por tecnologias voltadas ao fornecimento de energia elétrica, impulsionada pelos avanços em veículos eletrificados, no surgimento de data centers voltados para inteligência artificial e na expansão da infraestrutura digital. Em paralelo, cresce a preocupação com os impactos ambientais decorrentes do aumento do consumo energético proveniente das matrizes convencionais, que ainda dependem de fontes poluentes. Dessa forma, a necessidade de diversificação do sistema energético torna-se evidente, com o objetivo de mitigar esses impactos enquanto se busca atender à crescente demanda. Nesse contexto, o hidrogênio verde, produzido a partir de fontes de energia renovável, surge como uma alternativa promissora para suprir as novas necessidades do setor energético. Para a conversão de hidrogênio em energia elétrica, utilizam-se as células a combustível, dispositivos que geram corrente elétrica a partir de reações eletroquímicas. No entanto, para viabilizar o fornecimento energético adequado, é comum integrar esses sistemas a dispositivos suplementares, como conversores de corrente contínua (CC) que elevam a tensão fornecida e inversores de frequência, responsáveis pela conversão para corrente alternada (CA). Toda essa gama de sistemas, também somados a natural complexidade da dinâmica de funcionamento de uma célula a combustível, exige a adoção metodologias bem estruturadas de projeto e de controle. Esses desafios são, em grande parte, ocasionados pela necessidade de integração eficaz e pela demanda por alto desempenho dos sistemas envolvidos. Este trabalho, portanto, propõe uma solução de alimentação de carga trifásica, utilizando uma célula a combustível de membrana de troca de prótons (PEM), integrada a um conversor Boost em cascata e a um inversor de frequência trifásico. O sistema completo foi modelado e simulado no software MATLAB/Simulink, com a implementação de controle PID aplicado ao ciclo de trabalho do sinal PWM do comutador do conversor Boost. Além disso, para otimizar o desempenho do sistema, os ganhos do controlador PID foram ajustados por meio do método de Otimização por Enxame de Partículas (PSO). Os resultados obtidos demonstraram a eficácia do PSO, destacando-se a aceleração da resposta da célula, além da mitigação de sobressinais que poderiam prejudicar tanto a carga quanto o sistema.