目前氢能已成为支撑新型电力系统发展的洁净能源载体，光伏电解水制氢技术是制氢的最佳方式之一。针对光伏电解水制氢系统中的关键设备质子交换膜电解槽（PEMEL），结合其非线性、时变性、强耦合、多输入多输出的设备特性和运行特性，北京未来电化学储能系统集成技术创新中心（北方工业大学）、电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室（清华大学）、青海省清洁能源高效利用重点实验室（青海大学新能源光伏产业研究中心）的李建林、梁忠豪、李光辉、陈来军，在2023年第17期《电工技术学报》上撰文发表相关研究成果。

他们以质子交换膜电解槽动态模型为研究对象，对其控制策略进行研究，包括比例积分微分（PID）控制、鲁棒控制、模型预测控制（MPC）、容错控制（FTC）策略，分析这四种控制策略的结构和优缺点，并从平稳性、精度、计算复杂度和响应速度四个维度对每类控制策略进行单独评价，为质子交换膜电解槽控制技术研究及氢能领域的发展提供新的借鉴思路。

新型电力系统中可再生能源发电的间歇性、波动性及电力系统负荷需求的随机性所引起的弃风、弃光等问题给产业规模化发展带来一定的挑战。同时，氢能具备能量密度大、安全性高、环境效益好等特点，在我国能源向绿色、低碳转型的过程中迎来了快速发展。光伏电解水制氢技术作为电力行业与能源领域的交叉热点，高度契合并衔接了光伏消纳和氢能利用两个重点领域的迫切需求。

质子交换膜电解槽（PEMEL）作为光伏电解水制氢系统（以下简称“制氢系统”）的关键设备，其运行过程中的温度、化学、物理特性变化等所导致的设备高故障率、短运行寿命、低稳定性及低制氢量等缺点在很大程度上限制了质子交换膜电解槽的商业化进程。因此，针对质子交换膜电解槽选择合适的控制策略，对于保证制氢系统安全、可靠、高效及经济性运行尤为重要，比如：电源频繁波动时仍能维持系统稳定运行且保证较高的制氢量，减少不必要的能量损耗等。

在可再生能源电解水制氢系统控制策略研究方面，目前国内外的研究主要集中在系统级氢电转换之间的运行控制方面，多侧重于系统级或阵列级的协调控制，关于质子交换膜电解槽装置级控制策略的研究较少。

北方工业大学等单位的研究人员结合质子交换膜电解槽的设备特性和运行特性，借鉴以往研究人员针对非线性、时变性、强耦合、多输入多输出系统的控制策略研究，以质子交换膜电解槽动态模型为基础，总结研究适合质子交换膜电解槽的控制策略。

图1 质子交换膜电解槽动态模型

他们全面分析了可适用于质子交换膜电解槽控制的若干种控制策略，其中PID控制器结构最简单，可靠性相对较高，但其控制精度评估为Ⅰ级，在较大的工况变化下无法达到一致的控制性能；PID控制与FLC相结合，虽然提高了控制的平稳性和响应速度，但是精度依然较低；而PID控制与预测控制相结合，可大大提高控制精度，但是计算复杂度为Ⅰ级，很大程度上降低了响应速度。

图2 带有TGSL-TD3PG的自适应PID控制结构框图

研究人员表示，鲁棒控制可以有效地克服被控对象的各种不确定性，如参数不确定或未建模等，从而实现闭环系统的强鲁棒性，然而，无法实现控制最优性。MPC通常具有较高的控制精度，可以很容易地与神经网络结合，进一步提高其自适应性和响应率。

然而，面对强非线性，其计算负担将急剧增加。FTC基于特定的故障检测特性，一般可以实现较高的控制精度、安全性和可靠性。然而，这样的控制框架和被控对象强相关，通常需要设计人员掌握被控对象足够多的经验信息，因此泛化能力较低。

此外，PID控制与APC相结合，大大提高了控制精度、鲁棒性和适应性，例如，TGSL-TD3PG算法的仿真结果表明，输出电压的整定时间减少了45.2%，而最大电压的幅度减少了30%，以及燃料利用的零违反约束；有文献分别采用PID控制和自适应PID控制对PEMFC进行温度控制研究，并对控制结果进行对比分析，发现自适应PID控制与PID 控制相比，自适应PID控制超调量降低了75%，调节时间加快了20%。

研究人员总结指出，自适应PID控制策略可作为质子交换膜电解槽控制的最优选方案。总结各种控制策略的优缺点见表1。

表1 各种控制策略的优缺点

但是，由于制氢系统中质子交换膜电解槽运行过程非线性、多变量、多目标且高度复杂，目前对于PEMEL控制策略研究较少，仍有许多关键理论和技术问题亟待深入研究。

1）各种控制策略中对变量/参数的测量都是必不可少的，故需要采用先进的传感器，但这不可避免地增加了总体成本，因此，降低控制系统关键设备成本将会在很大程度上推动控制领域的发展。

2）对于多变量复杂系统，要想保证控制精度及鲁棒性，一般控制系统计算量比较大，比如：MPC在线反复优化的数据庞大，因此寻找到可以简化计算量的算法意义重大。

3）质子交换膜电解槽为多变量-多目标系统，而目前控制策略所考虑控制目标较少，因此控制目标之间的协调控制将是未来非常具有挑战性的问题。

4）大多数先进的控制方法复杂，难以在实际工程中应用。实际应用中应加强产学研相结合的方式，将新的研发技术基于实际项目进行示范运行，在项目中找需求、找问题、找方案。

本工作成果发表在《电工技术学报》，论文标题为“质子交换膜电解槽控制策略研究”。本课题得到北方工业大学科研启动基金项目和2022年度新能源与储能运行控制国家重点实验室开放基金项目的支持。