[논문 리뷰] Thermal Modelling and Controller Design of an Alkaline Electrolysis System under Dynamic Operating Conditions

Ruomei Qi, Jiarong Li외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 27.

Fuel Cells and Related Materials인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 동적 조건 하에서 알칼리성 수소분해 시스템을 위한 제어에 적합한 3차 시간지연 열모델을 제안하며, 이는 온도 과도 응답을 억제하기 위해 전류 피드포워드 PID(PID-I) 및 모델 예측 제어(MPC)의 두 가지 고급 제어기를 설계하는 데 기여한다. 실험 결과, PID-I는 과도 응답을 2.2 °C 감소시키고, MPC는 거의 0 °C의 과도 응답을 달성하였다. 시뮬레이션 결과, 대규모 MW급 시스템에서 더 높은 설정값을 적용할 경우 약 1%의 효율 향상이 가능하다.

ABSTRACT

Thermal management is vital for the efficient and safe operation of alkaline electrolysis systems. Traditional alkaline electrolysis systems use simple proportional-integral-differentiation (PID) controllers to maintain the stack temperature near the rated value. However, in renewable-to-hydrogen scenarios, the stack temperature is disturbed by load fluctuations, and the temperature overshoot phenomenon occurs which can exceed the upper limit and harm the stack. This paper focuses on the thermal modelling and controller design of an alkaline electrolysis system under dynamic operating conditions. A control-oriented thermal model is established in the form of a third-order time-delay process, which is used for simulation and controller design. Based on this model, we propose two novel controllers to reduce temperature overshoot: one is a current feed-forward PID controller (PID-I), the other is a model predictive controller (MPC). Their performances are tested on a lab-scale system and the experimental results are satisfying: the temperature overshoot is reduced by 2.2 degree with the PID-I controller, and no obvious overshoot is observed with the MPC controller. Furthermore, the thermal dynamic performance of an MW-scale alkaline electrolysis system is analyzed by simulation, which shows that the temperature overshoot phenomenon is more general in large systems. The proposed method allows for higher temperature set points which can improve system efficiency by 1%.

연구 동기 및 목표

• 부하 변동으로 인한 동적 운영 중 알칼리성 수소분해 스택의 온도 과도 응답 문제를 해결한다.
• 순순한 조건에서 제어기 설계에 적합한 단순화된 그러나 정확한 제어에 적합한 열모델을 개발한다.
• 기존 PID와 비교해 열적 안정성과 시스템 안전성을 향상시키는 새로운 온도 제어기를 설계하고 검증한다.
• MW급 알칼리성 수소분해 시스템으로의 열 제어 성능의 확장 가능성을 평가한다.
• 안전성을 해치지 않으면서도 시스템 효율을 향상시키기 위해 더 높은 온도 설정값을 가능하게 한다.

제안 방법

• 전이 상태 조건에서 열적 관성과 지연 효과를 잘 반영한 3차 시간지연 프로세스 모델을 개발하여 알칼리성 수소분해 스택의 열역학적 거동를 기술한다.
• 실시간 전류 측정을 활용해 부하 유도 열간섭을 사전에 예측하는 전류 피드포워드 PID 제어기(PID-I)를 수립한다.
• 열모델 기반으로 예측 수평선 동안 제어 조치를 최적화하여 과도 응답을 최소화하는 모델 예측 제어기(MPC)를 설계한다.
• 다양한 부하 조건 하에서 실험 데이터를 활용해 랩스케일 수소분해 시스템에서 제어기를 검증한다.
• 시뮬레이션을 통해 대규모 MW급 시스템으로의 분석을 확장하여 동적 운영 조건 하에서의 열성능과 효율 잠재력을 평가한다.
• 열모델을 사용해 다양한 시스템 규모에서의 온도 응답을 시뮬레이션하고 과도 응답 행동을 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동적 운영 중 부하 변동이 알칼리성 수소분해 스택의 온도 과도 응답을 유발하는 방식은 무엇인가?
• RQ2 단순화된 3차 시간지연 열모델이 제어기 설계를 위한 열역학적 거동을 정확하게 표현할 수 있는가?
• RQ3 기본 PID와 비교해 전류 피드포워드 PID 제어기가 온도 과도 응답을 어느 정도 감소시킬 수 있는가?
• RQ4 모델 예측 제어(MPC)가 PID 기반 접근법보다 온도 과도 응답을 더 효과적으로 제거할 수 있는가?
• RQ5 고급 열 제어를 통해 MW급 알칼리성 수소분해 시스템에서 온도 설정값을 높일 경우 효율 향상 폭은 어느 정도인가?

주요 결과

• 제안된 3차 시간지연 열모델은 순순한 조건 하에서 알칼리성 수소분해 스택의 열역학적 거동을 정확히 반영한다.
• 전류 피드포워드 PID(PID-I) 제어기는 실험실 규모 실험에서 기존 PID 제어 대비 온도 과도 응답을 2.2 °C 감소시켰다.
• 모델 예측 제어기(MPC)는 부하 변화가 발생하는 동적 조건에서도 관측 가능한 온도 과도 응답을 성공적으로 제거하였다.
• MW급 시스템에 대한 시뮬레이션 결과, 동적 운영 조건 하에서 대규모 시스템일수록 온도 과도 응답이 더 뚜렷하게 나타남을 확인하였다.
• 고급 제어를 통해 더 높은 온도 설정값을 허용함으로써 시스템 효율을 약 1% 향상시킬 수 있었다.
• MPC 제어기는 PID-I 및 기존 PID와 비교해 더 뛰어난 강건성과 성능을 보였다.