Адаптивное MPC снизило перерегулирование температуры PEM-электролизера на 4,2 °C относительно ПИД

Исследователи предложили онлайн-метод регулирования температуры электролизёров воды с протонообменной мембраной (PEMWE), питаемых нестабильной ветровой и солнечной генерацией. Как сообщает журнал Carbon Neutrality, метод объединяет электро-тепло-массовую модель прогнозирования характеристик с адаптивным алгоритмом модельного прогнозирующего управления (AMPC). Модель проверили в экспериментах на PEM-электролизёре 100 кВт, точность прогноза температуры составила 5,3 % springer.comCarbon Neutralityspringer.comОткрыть источник ↗.

Сравнение управления с традиционным подходом проводили при имитации колебаний ветро-солнечной мощности, а не на действующей установке. По данным авторов, AMPC сократил время отклика при росте температуры на 0,55 ч по сравнению с ПИД-регулированием.

Почему ПИД-регулирования недостаточно

Широко применяемый пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) метод сильно зависит от ручной настройки. Авторы указывают, что он не позволяет точно управлять сильно нелинейным и тесно связанным процессом электролиза, что создаёт риск перерегулирования температуры и запаздывания отклика.

При прямом подключении к ветровым и солнечным источникам ток через стек быстро меняется. Если тепло не отводится вовремя, возможны локальные перегревы мембранно-электродных блоков, а медленный тепловой отклик ограничивает скорость реакции в холодном состоянии.

Модель, управляющая величина и результаты

Модель прогнозирования учитывает электропроводность, теплопередачу и многофазный массоперенос. Алгоритм управления поддерживает обновление рабочего состояния электролизёра в реальном времени springer.comCarbon Neutralityspringer.comОткрыть источник ↗. Эксперименты выполнили в парке водородной энергетики Daxing в Пекине на промышленном стеке CSSC Peric Hydrogen Technology.

Исследователи также установили, что температура циркулирующей охлаждающей воды меняется плавнее, чем расход воды. Поэтому она лучше подходит как управляющая величина для регулирования температуры в динамических режимах.

При имитации колебаний ветро-солнечной мощности метод AMPC вывел температуру электролизёра на заданное значение в пределах 10,7 мин. Перерегулирование температуры оказалось на 4,2 °C ниже, чем при ПИД-регулировании.

Авторы отмечают, что работа должна дать теоретические ориентиры и технические инструменты для безопасного и надёжного применения PEM-электролиза в будущих крупных системах производства водорода, напрямую связанных с ветровой и солнечной энергетикой springer.comCarbon Neutralityspringer.comОткрыть источник ↗.