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

Technische Samenvatting: Modelfreie Detectie en Accommodatie van Sensorfouten voor een PEM-elektrolyser

Probleemstelling
Proton Exchange Membrane Water Electrolyzers (PEMWE) gekoppeld aan DC/DC-converters zijn cruciaal voor de productie van groene waterstof met behulp van hernieuwbare energiebronnen (RES). Deze systemen zijn echter gevoelig voor diverse defecten, waaronder sensorfouten. Hoewel er strategieën bestaan voor Active Fault-Tolerant Control (AFTC) voor componentfouten (bijv. gate-fouten in converters), ontbreekt in de literatuur specifieke benaderingen voor het accommoderen van sensorfouten in PEMWE-systemen die opereren onder variabele RES-spanningen. Zonder compensatie zorgt een sensorfout ($f$) ervoor dat de regelkring de foutieve meting ($y_m$) reguleert in plaats van de werkelijke systeemoutput ($y$), wat leidt tot een afwijking van de gewenste waterstofproductie-setpoint. De uitdaging is om deze sensorfouten te detecteren, te schatten en te accommoderen in een closed-loop systeem dat onderhevig is aan variaties in de ingangsspanning, zonder te vertrouwen op complexe wiskundige modellen van de elektrolyser.

Methodologie
De auteurs stellen een modelfreie benadering voor op basis van het concept van een ultra-lokaal model, een techniek die steeds vaker wordt gebruikt in de regeltechniek. De methodologie bestaat uit drie hoofdonderdelen:

1. Ultra-lokaal Modellering en Regeling:
   In plaats van het hoog-orde analytische model van de PEMWE (afgeleid van Electrochemical Impedment Spectroscopy), wordt het systeem gerepresenteerd door het ultra-lokale model: $\dot{y}_m = F + \alpha u$. Hierin vertegenwoordigt $F$ de onbekende dynamica en verstoringen, $\alpha$ is een constante coëfficiënt, en $u$ is de regelinput. Een "intelligente proportionele" (iP) controller wordt gebruikt om $F$ te schatten en de regelwet te genereren: $u = -(\hat{F} - \dot{y}^* + K_p e)/\alpha$.

2. Residu-generatie en Foutdetectie:
   Om fouten te detecteren, wordt een residu-signaal $r(t)$ gegenereerd door de gemeten output $y_m$ te vergelijken met een gereconstrueerde output $\hat{y}_m$, afgeleid van de integratie van het ultra-lokale model.
   $$r(t) = y_m(t) - \beta(t)\hat{y}_m(t)$$
   De parameter $\beta(t)$ wordt dynamisch aangepast op basis van de stationaire relatie tussen de regelinput en de RES-spanning ($V_{RES}$), waarbij wordt erkend dat het systeem niet Lineair Tijd-Invariant (LTI) is vanwege de variaties in $V_{RES}$. Een drempelwaarde $\rho(t)$ wordt vastgesteld op basis van ruisniveaus en de minimale detecteerbare foutgrootte. Als $|r(t)| > \rho(t)$, wordt een fout gemeld.

3. Festschatting en Accommodatie:
   Zodra een fout is gedetecteerd, wordt de grootte van de fout $\hat{f}$ direct geschat vanuit het residu:
   $$\hat{f}(t) = \frac{r(t)}{1 - \beta(t)}$$
   De accommodatiestrategie houdt in dat de definitie van de volgfout in de iP-controller wordt gewijzigd. In plaats van de ruwe meting te gebruiken, gebruikt de controller de gecompenseerde fout:
   $$e(t) = y_m(t) - y^*(t) - \hat{f}(t)$$
   Dit stelt de controller in staat om de werkelijke output $y$ naar de referentie $y^*$ te drijven, ondanks de sensorfout.

Belangrijkste Bijdragen

• Eerste Toepassing op PEMWE Sensorfouten: Het artikel beweert het eerste werk te zijn dat specifiek Active Fault-Tolerant Control aanpakt voor sensorfouten in PEMWE-systemen gekoppeld aan DC/DC-converters.
• Modelfreie Architectuur: De detectie- en accommodatiemechanismen vertrouwen niet op het analytische wiskundige model van de PEMWE of de converter. Dit vermijdt de complexiteit van modellering van degradatie, niet-lineariteiten en parametervariaties.
• Omgaan met Variabele Inputs: De voorgestelde methode houdt expliciet rekening met variaties in de spanning van de hernieuwbare energiebron ($V_{RES}$), waardoor de foutdetectiedrempel en -schatting geldig blijven tijdens zowel transiënte als stationaire fasen.

Simulatie-resultaten
De aanpak werd gevalideerd met numerieke simulaties van een PEMWE-systeem gekoppeld aan een Stacked Interleaved Buck Converter (SIBC). Twee scenario's werden getest:

1. Constante $V_{RES}$ (40 V): Een sensorfout van +2 A werd geïntroduceerd bij $t=30$ s.
2. Variabele $V_{RES}$: De ingangsspanning varieerde tussen 25 V en 55 V, met een sensorfout van -4 A geïntroduceerd bij $t=60$ s.

In beide gevallen toonden de resultaten aan:

• Detectie: Het residu $r(t)$ overschreed de drempelwaarde $\rho(t)$ vrijwel onmiddellijk na het optreden van de fout.
• Schatting: De geschatte fout $\hat{f}$ volgde de werkelijke foutgrootte nauwkeurig.
• Accommodatie: Zonder AFTC week de gereguleerde output $y$ af van de setpoint $y^*$ na de fout. Met de AFTC ingeschakeld slaagde het systeem erin om de fout te compenseren, waardoor de werkelijke stroom $y$ naar de gewenste setpoint $y^*$ convergeerde, ondanks de sensorfout en de variaties in de ingangsspanning.
• Transiënt Gedrag: De AFTC-logica werd zo ontworpen dat deze inactief bleef tijdens transiënte fasen om vals triggeren te voorkomen, en activeerde pas zodra de stationaire condities waren hersteld.

Betekenis en Claims
De auteurs stellen dat hun modelfreie benadering een robuuste oplossing biedt voor het handhaven van systeemstabiliteit en prestaties in de aanwezigheid van sensorfouten. Door gebruik te maken van het ultra-lokale model bereikt de methode fout-accommodatie zonder de computationele last of de modellering-onnauwkeurigheden die gepaard gaan met analytische benaderingen. Het artikel concludeert dat deze techniek een sterke kandidaat is voor real-time implementatie op testbanken vanwege de lage computationele vereisten. Toekomstig werk wordt geïdentificeerd als de fysieke implementatie van deze methode op een echte testbank.