北方工業大學研究者發表質子交換膜電解槽控制策略的研究成果

2024-07-21科技

目前氫能已成為支撐新型電力系統發展的潔凈能源載體，光伏電解水製氫技術是制氫的最佳方式之一。針對光伏電解水製氫系統中的關鍵裝置質子交換膜電解槽（PEMEL），結合其非線性、時變性、強耦合、多輸入多輸出的裝置特性和執行特性，北京未來電化學儲能系統整合技術創新中心（北方工業大學）、電力系統及發電裝置控制和仿真國家重點實驗室（清華大學）、青海省清潔能源高效利用重點實驗室（青海大學新能源光伏產業研究中心）的李建林、梁忠豪、李光輝、陳來軍，在2023年第17期【電工技術學報】上撰文發表相關研究成果。

他們以質子交換膜電解槽動態模型為研究物件，對其控制策略進行研究，包括比例積分微分（PID）控制、魯棒控制、模型預測控制（MPC）、容錯控制（FTC）策略，分析這四種控制策略的結構和優缺點，並從平穩性、精度、計算復雜度和響應速度四個維度對每類控制策略進行單獨評價，為質子交換膜電解槽控制技術研究及氫能領域的發展提供新的借鑒思路。

新型電力系統中可再生能源發電的間歇性、波動性及電力系統負荷需求的隨機性所引起的棄風、棄光等問題給產業規模化發展帶來一定的挑戰。同時，氫能具備能量密度大、安全性高、環境效益好等特點，在中國能源向綠色、低碳轉型的過程中迎來了快速發展。光伏電解水製氫技術作為電力行業與能源領域的交叉熱點，高度契合並銜接了光伏消納和氫能利用兩個重點領域的迫切需求。

質子交換膜電解槽（PEMEL）作為光伏電解水製氫系統（以下簡稱「制氫系統」）的關鍵裝置，其執行過程中的溫度、化學、物理特性變化等所導致的裝置高故障率、短執行壽命、低穩定性及低制氫量等缺點在很大程度上限制了質子交換膜電解槽的商業化行程。因此，針對質子交換膜電解槽選擇合適的控制策略，對於保證制氫系統安全、可靠、高效及經濟性執行尤為重要，比如：電源頻繁波動時仍能維持系統穩定執行且保證較高的制氫量，減少不必要的能量損耗等。

在可再生能源電解水製氫系統控制策略研究方面，目前國內外的研究主要集中在系統級氫電轉換之間的執行控制方面，多側重於系統級或陣列級的協調控制，關於質子交換膜電解槽裝置級控制策略的研究較少。

北方工業大學等單位的研究人員結合質子交換膜電解槽的裝置特性和執行特性，借鑒以往研究人員針對非線性、時變性、強耦合、多輸入多輸出系統的控制策略研究，以質子交換膜電解槽動態模型為基礎，總結研究適合質子交換膜電解槽的控制策略。

圖1 質子交換膜電解槽動態模型

他們全面分析了可適用於質子交換膜電解槽控制的若幹種控制策略，其中PID控制器結構最簡單，可靠性相對較高，但其控制精度評估為Ⅰ級，在較大的工況變化下無法達到一致的控制效能；PID控制與FLC相結合，雖然提高了控制的平穩性和響應速度，但是精度依然較低；而PID控制與預測控制相結合，可大大提高控制精度，但是計算復雜度為Ⅰ級，很大程度上降低了響應速度。

圖2 帶有TGSL-TD3PG的自適應PID控制結構框圖

研究人員表示，魯棒控制可以有效地克服被控物件的各種不確定性，如參數不確定或未建模等，從而實作閉環系統的強魯棒性，然而，無法實作控制最優性。MPC通常具有較高的控制精度，可以很容易地與神經網路結合，進一步提高其自適應力和響應率。

然而，面對強非線性，其計算負擔將急劇增加。FTC基於特定的故障檢測特性，一般可以實作較高的控制精度、安全性和可靠性。然而，這樣的控制框架和被控物件強相關，通常需要設計人員掌握被控物件足夠多的經驗資訊，因此泛化能力較低。

此外，PID控制與APC相結合，大大提高了控制精度、魯棒性和適應力，例如，TGSL-TD3PG演算法的仿真結果表明，輸出電壓的整定時間減少了45.2%，而最大電壓的振幅減少了30%，以及燃料利用的零違反約束；有文獻分別采用PID控制和自適應PID控制對PEMFC進行溫度控制研究，並對控制結果進行對比分析，發現自適應PID控制與PID 控制相比，自適應PID控制超調量降低了75%，調節時間加快了20%。

研究人員總結指出，自適應PID控制策略可作為質子交換膜電解槽控制的最優選方案。總結各種控制策略的優缺點見表1。