АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РАБОТЫ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ В АВТОНОМНЫХ ГИБРИДНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ С ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ

Представлены результаты сравнительного анализа режимов работы автономного гибридного энергетического комплекса с накопителем энергии и без накопителя. Предложена методика определения энергетических характеристик основных компонентов гибридного энергетического комплекса: потребителей электроэнергии, ветроэнергетических и фотоэлектрических установок, – построены их имитационные модели.

Установлено, что для компенсации сезонных колебаний мощности в автономных энергетических системах с возобновляемыми источниками энергии требуются накопительные устройства емкостью на десятки МВт∙ч, способные обеспечивать хранение энергии длительностью до полугода, что позволит отказаться от накопительных устройств для сглаживания сезонных колебаний энергетического баланса.

Результаты анализа суточного энергетического баланса гибридной электростанции показали, что применение накопителей энергии для сглаживания суточных колебаний мощности в локальных энергосистемах является технически реализуемой задачей, обеспечивающей значительное повышение их энергетической эффективности. Анализ режимов работы накопителей энергии продемонстрировал, что для запаса и выдачи энергии на временных интервалах продолжительностью в несколько часов не требуются накопительные устройства с относительно высокими значениями зарядной и разрядной мощности, то есть для реализации функций сглаживания суточных пиков избытка и дефицита мощности можно использовать свинцово-кислотные аккумуляторные батареи глубокого разряда.

Определено, что в зарядно/разрядных токах накопителя энергии неизбежны низкочастотные и высокочастотные пульсации большой амплитуды, обусловленные изменениями выходной мощности установок возобновляемой энергетики и нагрузки. И если низкочастотные пульсации (период десятки минут) могут частично демпфироваться за счет ограничения максимального зарядного тока аккумуляторных батарей, то устранить высокочастотные пульсации (период десятки секунд) в энергетических системах с единственным накопителем энергии принципиально невозможно.

Установлено, что наилучшим образом требованиям автономных энергетических комплексов с возобновляемыми источниками энергии соответствует комбинированный накопитель энергии, имеющий характеристики аккумулятора в режимах приема и выдачи мощности на суточных временных интервалах и обладающий свойствами суперконденсатора в режимах приема и отдачи импульсов мощности на секундных отрезках времени.

1. Shivarama, K.K. A review on hybrid renewable energy systems [Text] / K.K. Shivarama, K.K. Sathish // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2015. – Vol. 52. – P. 907–916.

2. Chauhan, A. A review on Integrated Renewable Energy System based power generation for stand-alone applications: Configurations, storage options, sizing methodologies and control [Text] / A. Chauhan, R.P. Saini // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2014. – Vol. 38. – P. 99–120.

3. Chong, L.W. Hybrid energy storage systems and control strategies for stand-alone renewable energy power systems [Text] / L.W. Chong [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2016. – Vol. 66. – P. 174–189.

4. Jing, W. Battery-supercapacitor hybrid energy storage system in standalone DC microgrids: a review [Text] / W. Jing [et al.] // IET Renewable Power Generation. – 2017. – Vol. 11. – No. 4. – P. 461–469.

5. Rahman, M.M. A hybrid renewable energy system for a North American off-grid community [Text] / M.M. Rahman [et al.] // Energy. – 2016. – Vol. 97. – P. 151–160.

6. Upadhyay, S. A review on configurations, control and sizing methodologies of hybrid energy systems [Text] / S. Upadhyay, M.P. Sharma // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2014. – Vol. 38. – P. 47–63.

7. Rubio-Maya, C. Design optimization of a polygeneration plant fuelled by natural gas and renewable energy sources [Text] / C. Rubio-Maya [et al.] // Applied Energy. – 2011. – Vol. 88. – No. 2. – P. 449–457.

8. Kaabeche, A. Sizing optimization of grid-independent hybrid photovoltaic/wind power generation system [Text] / A. Kaabeche, M. Belhamel, R. Ibtiouen // Energy. – 2011. – Vol. 36(2). – P. 1214–1222.

9. Koutroulis, E. Methodology for optimal sizing of stand-alone photovoltaic/wind-generator systems using genetic algorithms [Text] / E. Koutroulis [et al.] // Solar Energy. – 2006. – Vol. 80(9). – P. 1072–1088.

10. Senjyu, T. Optimal configuration of power generating systems in isolated island with renewable energy [Text] / T. Senjyu [et al.] // Renewable Energy. – 2007. – Vol. 32. – P. 1917–1933.

11. Askarzadeh, A. A novel framework for optimization of a grid independent hybrid renewable energy system: a case study of Iran [Text] / A. Askarzadeh, L. Coelho // Solar Energy. – 2015. – Vol. 112. – P. 83–96.

12. Clarke, D.P. Multi-objective optimisation of renewable hybrid energy systems with desalination [Text] / D.P. Clarke, Y.M. Al-Abdeli, G. Kothapalli // Energy. – 2015. – Vol. 88. – P. 457–468.

13. Tezera, T. Evaluation of approaches used for optimization of stand-alone hybrid renewable energy systems [Text] / T. Tezera, R. Yaman, G. Yaman // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2017. – Vol. 73. – P. 840–863.

14. Barton, J.P. Energy storage and its use with intermittent renewable energy [Text] / J.P. Barton, D.G. Infield // Transactions on energy conversion. – 2004. – Vol. 19. – P. 441–448.

15. Gan, L.K. Hybrid wind–photovoltaic–diesel– battery system sizing tool development using empirical approach, life-cycle cost and performance analysis: A case study in Scotland [Text] / L.K. Gan, J.K.H. Shek, M.A. Mueller // Energy Conversion and Management. – 2015. – Vol. 106. – P. 479–494.

16. Bianchini, A. Optimization of a PV-wind-diesel hybrid system for a remote stand-alone application [Text] / A. Bianchini [et al.] // Energy Procedia. – 2015. – Vol. 81. – P. 133–145.

17. Ani, V. Design of a reliable hybrid (PV/Diesel) power system with energy storage in batteries for remote residential home [Text] / V. Ani // Journal of Energy. – 2016, article ID 6278138, 16 pages.

18. Обухов, С.Г. Прогнозирование режимов потребления электрической энергии автономными энергетическими системами [Текст] / С.Г. Обухов, З.П. Хошнау // Электрические станции. – 2012. – № 11. – C. 43-47.

19. The NASA Surface Meteorology and Solar Energy Data Set. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/ – (Дата обращения: 21.04.2018).

20. Каргиев, В.М. Ветроэнергетика. Руководство по применению ветроустановок малой и средней мощности / В.М. Каргиев, С.Н. Мартиросов и др. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://windturbines.ru/attachments/article/76/Wind_energy.pdf – (Дата обращения: 21.04.2018).

21. Mohamed, M.A. Sizing and techno-economic analysis of stand-alone hybrid photovoltaic/wind/diesel/battery power generation systems [Text] / M.A. Mohamed, A.M. Eltamaly, A.I. Alolah // Journal of Renewable and Sustainable Energy. – 2015. – Vol. 7. – P. 1–18.

22. Oberhofer, A. Energy Storage Technologies & Their Role in Renewable Integration / A. Oberhofer – Global Energy Network Institute (GENI), July, 2012. – 42 p.

23. Akinyele, D.O. Review of energy storage technologies for sustainable power networks [Text] / D.O. Akinyele, R.K. Rayudu // Sustainable Energy Technologies and Assessments. – 2014. – Vol. 8. – P. 74–91.

24. Сайт ООО «ВДМ-техника». [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://vdmtech.ru/ – (Дата обращения: 21.04.2018).

25. Сайт компании «JA SOLAR». [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.jasolar.com/ – (Дата обращения: 21.04.2018).

26. Российский метеорологический сайт «Расписание погоды». [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.rp5.ru/ – (Дата обращения: 21.04.2018).

27. Обухов, С.Г. Математическая модель прихода солнечной радиации на произвольно-ориентированную поверхность для любого региона России [Текст] / С.Г. Обухов, И.А. Плотников // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2017. – № 16–18. – С. 43–56.

28. Jones, A.D. A thermal model for photovoltaic systems [Text] / A.D. Jones, C.P. Underwood // Solar Energy. – 2001. – Vol. 70. – No. 4. – Р. 349–359.

29. Обухов, С.Г. Имитационная модель режимов работы автономной фотоэлектрической станции с учетом реальных условий эксплуатации [Текст] / С.Г. Обухов, И.А. Плотников // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2017. – Т. 328. – № 6. – С. 38–51.

30. Bhandari, B. Optimization of Hybrid Renewable Energy Power Systems: A Review [Text] / B.Bhandari, K.Lee, G.Lee [et al.] // International Journal of precision engineering and manufacturing-green technology. – 2015. – Vol. 2. – No. 1. – P. 99–112.

31. Guerrero, M.A. Supercapacitors: Alternative Energy Storage Systems [Text] / M.A. Guerrero [et al.] // Wydawca Wydawnictwo SIGMA-NOT, Czasopismo Przegląd Elektrotechniczny, Rocznik. – 2009. – Vol. 85. – No. 10. – P. 188–195.

32. Wang, Z. Distributed storage capacity reservations for residential PV generation utilization and LV network operation [Text] / Z. Wan [et al.] // Zhimin Power & Energy Society General Meeting, 2015 IEEE Year: 2015 Pages: 1 – 5.

33. Hu, X, Charging, power management, and battery degradation mitigation in plug-in hybrid electric vehicles: a unified cost-optimal approach [Text] / X. Hu, C.M. Martinez, Y. Yang // Mechanical Systems and Signal Processing. – 2017. – Vol. 87. – No. 15. – P. 4–16.

34. Kan, S.Y. The use of battery-capacitor combinations in photovoltaic powered products [Text] / S.Y. Kan, M. Verwaal, H. Broekhuizen // Journal of Power Sources. – 2006. – Vol. 162. – No. 2. – P. 971–974.