Comparative Analysis of Control Strategies for Green Hydrogen Production in Off-Grid Photovoltaic Systems: Regulation, Robustness, and Techno-Economic Implications
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- Resumen
Off-grid green hydrogen production couples photovoltaic generation, battery storage, and proton exchange membrane (PEM) electrolysis on a shared DC bus. Advanced nonlinear controllers are routinely proposed for this coupling, yet rarely compared against simpler baselines under a framework covering aging and economics, and rarely decomposed to show which element of the design produces the benefit. We compare a PI cascade, input–output feedback linearization (IO-FL), and interconnection and damping assignment passivity-based control (IDA-PBC) on a seven-state averaged model of a photovoltaic, battery, and PEM electrolyzer system sized for northern Chile, together with three ablation variants: a PI cascade with a model-based power-balance feed-forward, IO-FL with integral action, and IDA-PBC retuned to the common damping ratio. All are tuned to the same closed-loop bandwidth and tested under cloud drop-outs, 200 paired Monte Carlo runs with ±20–30% plant perturbations, a second Monte Carlo set in which the controllers operate with nominal models, measurement bias and sensor errors, a representative day with supervisory start/stop operation, published degradation models, and a levelized cost of hydrogen (LCOH) analysis. On the slow bus-voltage manifold, the IDA-PBC law coincides with IO-FL augmented by an integrator, and the regulation benefit of both is explained by the power-balance feed-forward: adding that single term to the PI cascade lowers the peak DC bus deviation from 4.57% to 0.65%, below the 0.88% of IDA-PBC, and it does so in every Monte Carlo realization. When the controllers operate with nominal models and corrupted measurements, the four variants that combine the feed-forward with integral action become indistinguishable and keep the ±2% target in every realization, while the canonical IO-FL misses it in three realizations out of four. The three design routes, however, are indistinguishable on cost and component life: under supervisory operation, the battery throughput and the PEM start/stop count are set by the energy management layer, and the six controllers give the same LCOH to the fourth decimal place. For the architecture, supervisory strategy, and operating scenarios investigated here, the case for a particular control law rests on regulation quality, robustness to model error, and the availability of a stability certificate, not on longer component life or cheaper hydrogen.
- Descripción
La producción de hidrógeno verde fuera de la red combina la generación fotovoltaica, el almacenamiento en baterías y la electrólisis mediante membrana de intercambio protónico (PEM) en un bus de corriente continua compartido. Para este acoplamiento se proponen habitualmente controladores no lineales avanzados; sin embargo, rara vez se comparan con modelos de referencia más sencillos en un marco que tenga en cuenta el envejecimiento y los aspectos económicos, y rara vez se desglosan para mostrar qué elemento del diseño aporta el beneficio. Comparamos una cascada PI, la linealización de retroalimentación de entrada-salida (IO-FL) y el control basado en pasividad con asignación de interconexión y amortiguación (IDA-PBC) en un modelo promediado de siete estados de un sistema fotovoltaico, de baterías y de electrolizador PEM dimensionado para el norte de Chile, junto con tres variantes de ablación: una cascada PI con un control de avance de equilibrio de potencia basado en modelo, IO-FL con acción integral y un IDA-PBC reajustado a la relación de amortiguación común. Todos ellos se han ajustado al mismo ancho de banda en bucle cerrado y se han probado en condiciones de pérdida de nubosidad, 200 series emparejadas de simulaciones de Monte Carlo con perturbaciones de la planta de ±20-30 %, un segundo conjunto de simulaciones de Monte Carlo en el que los controladores funcionan con modelos nominales, sesgos de medición y errores de sensores, un día representativo con operación de arranque/parada supervisada, modelos de degradación publicados y un análisis del coste nivelado del hidrógeno (LCOH). En el colector de tensión de bus lento, la ley IDA-PBC coincide con la ley IO-FL aumentada con un integrador, y la ventaja de regulación de ambas se explica por la alimentación directa de equilibrio de potencia: añadir ese único término a la cascada PI reduce la desviación máxima del bus de CC del 4,57 % al 0,65 %, por debajo del 0,88 % de la ley IDA-PBC, y lo hace en todas las realizaciones de Monte Carlo. Cuando los controladores funcionan con modelos nominales y mediciones erróneas, las cuatro variantes que combinan la alimentación directa con la acción integral se vuelven indistinguibles y mantienen el objetivo del ±2 % en todas las realizaciones, mientras que el IO-FL canónico no lo alcanza en tres de cada cuatro realizaciones. Sin embargo, las tres vías de diseño son indistinguibles en cuanto a coste y vida útil de los componentes: en funcionamiento supervisado, el rendimiento de la batería y el recuento de arranques y paradas del PEM los establece la capa de gestión de energía, y los seis controladores ofrecen el mismo LCOH hasta el cuarto decimal. En lo que respecta a la arquitectura, la estrategia de supervisión y los escenarios operativos analizados en este trabajo, la justificación de una ley de control concreta se basa en la calidad de la regulación, la robustez frente a los errores del modelo y la disponibilidad de un certificado de estabilidad, y no en una mayor vida útil de los componentes ni en un hidrógeno más barato.