[论文解读] Thermal Modelling and Controller Design of an Alkaline Electrolysis System under Dynamic Operating Conditions

Ruomei Qi, Jiarong Li+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2022

Fuel Cells and Related Materials被引用 4

一句话总结

本文提出了一种面向动态工况下碱性电解水系统的控制导向型三阶时滞热模型，支持设计两种先进控制器——电流前馈PID（PID-I）与模型预测控制（MPC），以抑制温度超调。实验结果表明，PID-I使超调降低2.2 °C，MPC实现近乎零超调；仿真结果表明，在兆瓦级系统中提高设定温度点可实现1%的效率提升。

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%.

研究动机与目标

• 解决碱性电解水堆在动态运行过程中因负载波动导致的温度超调这一关键挑战。
• 开发一种简化但精确的控制导向型热模型，适用于瞬态条件下的控制器设计。
• 设计并验证新型温度控制器，相比传统PID，提升热稳定性和系统安全性。
• 评估热控制性能在兆瓦级碱性电解水系统中的可扩展性。
• 通过先进控制实现更高的温度设定点，提升系统效率，同时不损害安全性。

提出的方法

• 建立了三阶时滞过程模型，以表征碱性电解水堆的热动态特性，捕捉关键热惯性和时滞效应。
• 提出了基于实时电流测量、可预见负载引起的热扰动的电流前馈PID控制器（PID-I）。
• 基于热模型设计了模型预测控制器（MPC），在预测时域内优化控制动作，最小化超调。
• 利用不同负载条件下的实验数据，在实验规模电解水系统上验证了控制器性能。
• 通过仿真将分析扩展至兆瓦级系统，评估动态运行下热性能与效率潜力。
• 利用热模型模拟温度响应，量化不同系统规模下的超调行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在动态运行过程中，负载波动如何导致碱性电解水堆的温度超调？
• RQ2 简化后的三阶时滞热模型能否准确表征控制器设计所需的热动态特性？
• RQ3 与标准PID相比，电流前馈PID控制器在多大程度上可减少温度超调？
• RQ4 与基于PID的方法相比，模型预测控制（MPC）能否更有效地消除温度超调？
• RQ5 在采用先进热控制的兆瓦级碱性电解水系统中，通过提高温度设定点可实现多大的效率提升？

主要发现

• 所提出的三阶时滞热模型在瞬态条件下能准确捕捉碱性电解水堆的热动态特性。
• 在实验规模系统中，与传统PID控制相比，电流前馈PID（PID-I）控制器将温度超调降低了2.2 °C。
• 基于模型预测控制（MPC）的控制器在动态负载变化期间成功消除了可观测的温度超调。
• 对兆瓦级系统的仿真结果表明，在动态运行下，大系统中的温度超调现象更为显著。
• 通过先进控制实现更高的温度设定点，可使系统效率提升约1%。
• 与PID-I和标准PID相比，MPC控制器在处理复杂热动态特性方面展现出更优的鲁棒性与性能。