Model-Free Detection and Accommodation of Sensor Faults for a PEM Electrolyzer

Sintesi Tecnica: Rilevamento e Gestione Senza Modello dei Guasti ai Sensori per un Elettrolizzatore PEM

Definizione del Problema
Gli elettrolizzatori a membrana a scambio protonico (PEMWE), accoppiati a convertitori DC/DC, sono fondamentali per la produzione di idrogeno verde utilizzando fonti di energia rinnovabile (RES). Tuttavia, questi sistemi sono suscettibili di vari guasti, inclusi i guasti ai sensori. Sebbene esistano strategie di Controllo Attivo Tollerante ai Guasti (AFTC) per i guasti ai componenti (ad esempio, guasti ai gate nei convertitori), la letteratura manca di approcci specifici per la gestione dei guasti ai sensori nei sistemi PEMWE operanti sotto tensioni RES variabili. In assenza di compensazione, un guasto al sensore ($f$) causa il fatto che l'anello di controllo regoli la misura guasta ($y_m$) anziché l'uscita effettiva del sistema ($y$), portando a uno scostamento dal setpoint di produzione di idrogeno desiderato. La sfida consiste nel rilevare, stimare e gestire questi guasti ai sensori in un sistema a ciclo chiuso soggetto a variazioni della tensione di ingresso senza fare affidamento su complessi modelli matematici dell'elettrolizzatore.

Metodologia
Gli autori propongono un approccio senza modello basato sul concetto di modello ultra-locale, una tecnica sempre più utilizzata nell'ingegneria del controllo. La metodologia consiste in tre componenti principali:

1. Modellazione e Controllo Ultra-Locale:
   Invece di utilizzare il modello analitico di alto ordine del PEMWE (derivato dalla Spettroscopia di Impedenza Elettrochimica), il sistema è rappresentato dal modello ultra-locale: $\dot{y}_m = F + \alpha u$. Qui, $F$ rappresenta la dinamica ignota e i disturbi, $\alpha$ è un coefficiente costante, e $u$ è l'ingresso di controllo. Viene utilizzato un controllore "intelligente proporzionale" (iP) per stimare $F$ e generare la legge di controllo: $u = -(\hat{F} - \dot{y}^* + K_p e)/\alpha$.

2. Generazione dei Residui e Rilevamento dei Guasti:
   Per rilevare i guasti, viene generato un segnale residuo $r(t)$ confrontando l'uscita misurata $y_m$ con un'uscita ricostruita $\hat{y}_m$ derivata dall'integrazione del modello ultra-locale.
   $$r(t) = y_m(t) - \beta(t)\hat{y}_m(t)$$
   Il parametro $\beta(t)$ è regolato dinamicamente in base alla relazione a regime stazionario tra l'ingresso di controllo e la tensione della fonte RES ($V_{RES}$), riconoscendo che il sistema non è Lineare Tempo-Invariante (LTI) a causa delle variazioni di $V_{RES}$. Una soglia $\rho(t)$ viene stabilita in base ai livelli di rumore e all'entità minima del guasto rilevabile. Se $|r(t)| > \rho(t)$, un guasto viene dichiarato.

3. Stima e Gestione del Guasto:
   Una volta rilevato un guasto, la sua entità $\hat{f}$ viene stimata direttamente dal residuo:
   $$\hat{f}(t) = \frac{r(t)}{1 - \beta(t)}$$
   La strategia di gestione prevede la modifica della definizione dell'errore di inseguimento nel controllore iP. Inveve di utilizzare la misura grezza, il controllore utilizza l'errore compensato:
   $$e(t) = y_m(t) - y^*(t) - \hat{f}(t)$$
   Ciò consente al controllore di guidare l'uscita effettiva $y$ verso il riferimento $y^*$ nonostante il guasto al sensore.

Contributi Chiave

• Prima Applicazione ai Guasti ai Sensori PEMWE: L'articolo sostiene di essere il primo lavoro ad affrontare il Controllo Attivo Tollerante ai Guasti specificamente per i guasti ai sensori nei sistemi PEMWE accoppiati con convertitori DC/DC.
• Architettura Senza Modello: I meccanismi di rilevamento e gestione non dipendono dal modello matematico analitico del PEMWE o del convertitore. Ciò evita le complessità della modellazione del degrado, delle non linearità e delle incertezze dei parametri.
• Gestione di Input Variabili: Il metodo proposto tiene esplicitamente conto delle variazioni della tensione della fonte di energia rinnovabile ($V_{RES}$), garantendo che la soglia di rilevamento del guasto e la stima rimangano valide sia durante le fasi transitorie che durante le operazioni a regime stazionario.

Risultati della Simulazione
L'approccio è stato validato tramite simulazioni numeriche di un sistema PEMWE accoppiato con un Convertitore Buck Interleaved Stratificato (SIBC). Sono stati testati due scenari:

1. $V_{RES}$ Costante (40 V): Un guasto al sensore di +2 A è stato introdotto al tempo $t=30$ s.
2. $V_{RES}$ Variabile: La tensione di ingresso è variata tra 25 V e 55 V, con un guasto al sensore di -4 A introdotto al tempo $t=60$ s.

In entrambi i casi, i risultati hanno dimostrato:

• Rilevamento: Il residuo $r(t)$ ha superato la soglia $\rho(t)$ quasi immediatamente dopo l'insorgenza del guasto.
• Stima: La stima del guasto $\hat{f}$ ha seguito accuratamente l'entità reale del guasto.
• Gestione: Senza AFTC, l'uscita regolata $y$ devia dal setpoint $y^*$ seguendo il guasto. Con l'AFTC abilitato, il sistema ha compensato con successo il guasto, garantendo che la corrente effettiva $y$ converga al setpoint desiderato $y^*$ nonostante l'errore del sensore e le variazioni di tensione di ingresso.
• Comportamento Transitorio: La logica AFTC è stata progettata per rimanere inattiva durante le fasi transitorie per evitare falsi trigger, attivandosi solo una volta ristabiliti i regimi stazionari.

Significatività e Rivendicazioni
Gli autori affermano che il loro approccio senza modello offre una soluzione robusta per mantenere la stabilità e le prestazioni del sistema in presenza di guasti ai sensori. Sfruttando il modello ultra-locale, il metodo raggiunge la gestione del guasto senza l'onere computazionale o le imprecisioni di modellazione associate agli approcci analitici. L'articolo conclude che questa tecnica è un forte candidato per l'implementazione in tempo reale su banchi prova grazie ai suoi bassi requisiti computazionali. Il lavoro futuro è identificato nell'implementazione fisica di questo metodo su un banco prova reale.