Теоретическое и экспериментальное исследование ветроэнергетической установки с водородным накопителем

В ходе анализа эксплуатационных характеристик ветроэнергетической установки (ВЭУ) и данных о располагаемых ветровых ресурсах было установлено, что в ряде случаев энергосистема не способна полностью потреблять энергию, вырабатываемую генерирующей системой. В такой ситуации принимаются меры по ограничению генерируемой мощности ВЭУ, приводящие к недоиспользованию ветрового потенциала и снижению эффективности использования ветроэнергетических установок. В этих случаях для улучшения использования ветрового ресурса возможно дополнение ветроэнергетической установки водородным накопителем энергии, позволяющим использовать избыток генерируемой мощности для электролиза воды и получения водорода, который затем можно использовать для генерации электрической энергии в периоды пиковых нагрузок в электрической сети. Для исследования процессов, происходящих при этом в энергетической системе, в Matlab/Simulink была разработана математическая имитационная модель, основанная на свойствах и характеристиках ветроэнергетической установки, оборудования для производства водорода и других компонентов системы. Принимая за основу объёмы производства/потребления энергии, элементы объединены в единую систему для моделирования процессов производства и использования водорода в ветроэнергетической установке. С помощью имитационной модели и различных данных о ветровом ресурсе и действующих нагрузках в электрической сети определены параметры процесса производства водорода и коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) в системе. Результаты показали, что внедрение водородного накопителя энергии может существенно увеличить эффективность использования ветрового ресурса.

1. M. Z. Jacobson, “Review of solutions to global warming, air pollution, and energy security,” Energy Environ. Sci., vol. 2, no. 2, pp. 148–173, 2009, doi: 10.1039/b809990c.

2. J. F. Manwell, J. G. McGowan, and A. L. Rogers, Wind Energy Explained: Theory, Design and Application. 2010.

3. X.-D. Liu, K. Fang, H.-Y. Chen, and C.-Q. She, “Research on rational wind power casting theory for large-scale wind power integration improvement,” Power Syst. Prot. Control, vol. 40, no. 6, pp. 35–39, 2012.

4. D. Kroniger and M. Reinhard, “Hydrogen storage for wind parks: A real options evaluation for an optimal investment in more flexibility,” Appl. Energy, no. 136, pp. 931–946, 2014.

5. E. Solomin, I. Kirpichnikova, R. Amerkhanov, D. Korobatov, M. Lutovats, and A. Martyanov, “Wind-hydrogen standalone uninterrupted power supply plant for all-climate application,” Int. J. Hydrogen Energy, vol. 44, no. 7, pp. 3433–3449, 2019, doi: 10.1016/j.ijhydene.2018.12.001.

6. Соломин, Е.В. Использование ветро-водородного комплекса бесперебойного энергоснабжения в различных климатических условиях / Соломин Е.В., Кирпичникова И.М., Амерханов Р.А., Коробатов Д.В., Лутовац М., Мартьянов А.С. // «Альтернативная энергетика и экология». – 2018. - №13-15. – с. 30-54. https://doi.org/10.15518/isjaee.2018.13-15.030-054.

7. M. M. Hossain, M. R. I. Sheikh, and P. S. Rah-man, “Cooperatively controlling of grid connected DFIG based wind turbine with hydrogen generation system,” in 2015 International Conference on Electrical & Electronic Engineering (ICEEE), 2015, pp. 233–236.

8. M. Althubaiti, M. Bernard, and P. Musilek, “Fuzzy logic controller for hybrid renewable energy sys-tem with multiple types of storage,” in 2017 IEEE 30th Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering (CCECE), 2017, pp. 1–6.

9. Solomin, E.V. Development of Algorithms of Rapid Charging for Batteries of Hybrid and Electric Drives of City Freight and Passenger Automobile Trans-portation Vehicles / E.V. Solomin ; I.M. Kirpichnikova ; D.V. Korobatov ; A.S. Martyanov ; E.E. Solomin // 2018 Global Smart Industry Conference (GloSIC) (Scopus, IF=NO). – Omsk State Technical University. – 13–15 November 2018, Chelyabinsk, Russia. – doi: 10.1109/GloSIC.2018.8570134.

10. M. Uzunoglu, O. C. Onar, and M. S. Alam, “Modeling, control and simulation of a PV/FC/UC based hybrid power generation system for stand-alone applications,” Renew. Energy, vol. 34, no. 3, pp. 509–520, 2009, doi: 10.1016/j.renene.2008.06.009.

11. M. J. Khan and M. T. Iqbal, “Dynamic model-ing and simulation of a small wind-fuel cell hybrid energy system,” Renew. Energy, vol. 30, no. 3, pp. 421–439, 2005, doi: 10.1016/j.renene.2004.05.013.

12. O. C. Onar, M. Uzunoglu, and M. S. Alam, “Dynamic modeling, design and simulation of a wind/fuel cell/ultra-capacitor-based hybrid power generation system,” J. Power Sources, vol. 161, no. 1, pp. 707–722, 2006, doi: 10.1016/j.jpowsour.2006.03.055.

13. S.Sreenathad, K.Sudhakar, A.F.Yusop, E.Solomin, I.M.Kirpichnikova. Solar PV energy system in Malaysian airport: Glare analysis, general design and performance assessment. Energy Reports (WofS, IF=3.83) (SNIP=2.45). Volume 6, November 2020, Pag-es 698-712. doi: https://doi.org/10.1016/j.egyr.2020.03.015.

14. Y. W. J. G. Y. Yunlong, “Improvement of wind abandoned consumption capacity in a region of North-east Region China by wind power hydrogen storage energy system,” Power Capacit. React. Power Compens., vol. 39, no. 4, pp. 0190–0197, 2018, doi: 10.14044/j.1674-1757.pcrpc.2018.04.032.

15. M. Korpås and A. T. Holen, “Operation planning of hydrogen storage connected to wind power oper-ating in a power market,” IEEE Trans. Energy Convers., vol. 21, no. 3, pp. 742–749, 2006, doi: 10.1109/TEC.2006.878245.

16. R. Dufo-López, J. L. Bernal-Agustín, and J. Contreras, “Optimization of control strategies for stand-alone renewable energy systems with hydrogen storage,” Renew. Energy, vol. 32, no. 7, pp. 1102–1126, 2007, doi: 10.1016/j.renene.2006.04.013.

17. S. R. Vosen and J. O. Keller, “Hybrid energy storage systems for stand-alone electric power systems: Optimization of system performance and cost through control strategies,” Int. J. Hydrogen Energy, vol. 24, no. 12, pp. 1139–1156, 1999, doi: 10.1016/S0360-3199(98)00175-X.

18. C.-H. Li, X.-J. Zhu, G.-Y. Cao, S. Sui, and M.-R. Hu, “Dynamic modeling and sizing optimization of stand-alone photovoltaic power systems using hybrid energy storage technology,” Renew. Energy, vol. 34, no. 3, pp. 815–826, 2009, doi: 10.1016/j.renene.2008.04.018.

19. W. Yang, K. Jiang, and X. Song, “Analysis on influencing factors of operating efficiency of the wind-solar complementary hydrogen production system in the middle and South of Hebei Province based on Matlab/Simulink,” vol. 36, pp. 384–389, 2018.

20. H. Görgün, “Dynamic modelling of a proton exchange membrane (PEM) electrolyzer,” Int. J. Hydro-gen Energy, vol. 31, no. 1, pp. 29–38, 2006, doi: 10.1016/j.ijhydene.2005.04.001.

21. Korobatov, D. Wind Turbine Power Plant Con-trol / D.V.Korobatov, E.A.Sirotkin, A.O.Troickiy, E.V.Solomin // X International IEEE Scientific and Technical Conference "Dynamics of Systems, Mecha-nisms and Machines" (Dynamics) ("Международная IEEE научно-техническая конференция «Динамика систем, механизмов и машин» под эгидой Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)"). – Omsk State Technical University. – 15–17 November 2016, Omsk, Russia. – 2016 Dynamics of Systems, Mecha-nisms and Machines (Dynamics 2016) (Scopus, IF=NO), Added to IEEE Xplore: 19 January 2017, IEEE, pp.1-5. – doi: 10.1109/Dynamics.2016.7819031.

22. Martyanov, A.S., Korobatov, D.V., Solomin, E.V. Research of IGBT–Transistor in Pulse Switch. Procedia Engineering Journal. (2016) 2016 2nd International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2016 - Proceedings, art. no. 7911470. (Journal reference: PROENG27157. PII: S1877–7058(15)03968–5). (Scopus, IF=0.32) – doi: 10.1109/ICIEAM.2016.7911470.

23. M. Farooque and H. C. Maru, “Fuel Cells - The Clean and Efficient Power Generators,” Proc. IEEE, vol. 89, no. 12, pp. 1819–1829, 2001, doi: 10.1109/5.975917.

24. C. Wang and M. H. Nehrir, “Power management of a stand-alone wind/photovoltaic/fuel cell energy system,” IEEE Trans. Energy Convers., vol. 23, no. 3, pp. 957–967, 2008, doi: 10.1109/TEC.2007.914200.

25. N. M. Souleman, O. Tremblay, and L. A. Des-saint, “A generic fuel cell model for the simulation of fuel cell power systems,” 2009 IEEE Power Energy Soc. Gen. Meet. PES ’09, pp. 1722–1729, 2009, doi: 10.1109/PES.2009.5275853.

26. K. Min, J. Brouwer, J. Auckland, F. Mueller, and S. Samuelsen, “Dynamic simulation of a stationary pem fuel cell system,” Proc. 4th Int. ASME Conf. Fuel Cell Sci. Eng. Technol. FUELCELL2006, vol. 2006, no. July, pp. 13–15, 2006, doi: 10.1115/fuelcell2006-97039.

27. Sirotkin, E.A. Emergency Braking System for the Wind Turbine / E.A. Sirotkin, A.S. Martyanov, E.V. Solomin, S.V. Kozlov // 2016 2nd International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). – 19–20.05.2016. – Chelyabinsk. – Procedia Engineering Journal (Scopus, IF=0.32) (Journal reference: PROENG27157. PII: S18777058(15)03968–5). – doi: 10.1109/ICIEAM.2016.7911451.

28. J. Jia, S. Yang, Y. Wang, and Y. T. Cham, “Matlab/simulink based-study on PEM fuel cell and non-linear control,” 2009 IEEE Int. Conf. Control Autom. ICCA 2009, pp. 1657–1662, 2009, doi: 10.1109/ICCA.2009.5410529.

29. Kozlov, S.V. Wind Turbine Rotor Magnetic Levitation / S.V .Kozlov, E.A. Sirotkin, E.V. Solomin // 2016 2nd International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). – 19–20.05.2016. – Chelyabinsk. – Procedia Engineering Journal (Scopus, IF=0.32) (Journal reference: PRO-ENG27157. PII: S1877–7058(15)03968–5). – doi: 10.1109/ICIEAM.2016.7911477.

30. H. Xu, L. Kong, and X. Wen, “Fuel cell power system and high power DC-DC converter,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 19, no. 5, pp. 1250–1255, 2004, doi: 10.1109/TPEL.2004.833440.