

Разработка и исследование эффективности работы гибридного энергетического комплекса на базе водородного топливного элемента и системы накопления для железнодорожной отрасли
https://doi.org/10.15518/isjaee.2023.07.095-111
Аннотация
Статья посвящена созданию экспериментального образца гибридного энергетического комплекса (ГЭК) на основе топливного элемента с протонообменной мембраной и литий-железо-фосфатных аккумуляторных батарей мощностью 3 кВт для питания удаленных потребителей железнодорожной отрасли. Целью работы является разработка системы управления, обеспечивающей высокую эффективность работы ГЭК и снижение расхода водорода. Представлена структура экспериментального образца ГЭК, приведено описание его основных блоков и их характеристик. Для определения оптимальных настроек системы управления проведены экспериментальные исследования используемого в составе ГЭК топливного элемента. Используя положения теории конечного автомата, выделены характерные режимы работы ГЭК, отличающиеся стратегией распределения мощности между источниками комплекса. Представлены результаты исследований экспериментального образца ГЭК в различных режимах работы, которые подтвердили работоспособность устройства, высокое качество выдаваемой электрической энергии, правильность алгоритма управления и выбора настроек системы управления.
Ключевые слова
Об авторах
А. Б. ЛоскутовРоссия
Лоскутов Алексей Борисович - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника»
ул. Минина, 24, г. Нижний Новгород, 603155
Тел.: 8 (831) 432-91-85
А. Б. Дарьенков
Россия
Дарьенков Андрей Борисович - доктор технических наук, доцент, директор института электроэнергетики, заведующий кафедрой «Электрооборудование, электропривод и автоматика»
ул. Минина, 24, г. Нижний Новгород, 603155
Тел.: 8 (831) 432-91-85
И. А. Липужин
Россия
Липужин Иван Алексеевич - кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Автономные гибридные электроэнергетические комплексы», доцент кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника»
ул. Минина, 24, г. Нижний Новгород, 603155
Тел.: 8 (831) 432-91-85
А. В. Шалухо
Россия
Шалухо Андрей Владимирович - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника», заведующий Молодежной научно-исследовательской лабораторией по разработке перспективных систем накопления энергии
ул. Минина, 24, г. Нижний Новгород, 603155
Тел.: 8 (831) 432-91-85
Р. Ш. Бедретдинов
Россия
Бедретдинов Рустам Шамилевич - кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Автономные гибридные электроэнергетические комплексы», доцент кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника»
ул. Минина, 24, г. Нижний Новгород, 603155
Тел.: 8 (831) 432-91-85
В. В. Ваняев
Россия
Ваняев Валерий Владимирович - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Электрооборудование, электропривод и автоматика»
ул. Минина, 24, г. Нижний Новгород, 603155
Тел.: 8 (831) 432-91-85
А. В. Шахов
Россия
Шахов Андрей Валентинович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрооборудование, электропривод и автоматика»
ул. Минина, 24, г. Нижний Новгород, 603155
Тел.: 8 (831) 432-91-85
Список литературы
1. . Y. Luo, Y. Wu, B. Li, T. Mo, Y. Li, S.-P. Feng, J. Qu, P. K. Chu, Development and application of fuel cells in the automobile industry, Journal of Energy Storage, Volume 42, 2021, 103124, https://doi.org/10.1016/j.est.2021.103124.
2. . S. Ma, M. Lin, T.-E. Lin, T. Lan, X.Liao, F. Maréchal, J. Van Herle, Y. Yang, C. Dong, L. Wang, Fuel cell-battery hybrid systems for mobility and offgrid applications: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 135, 2021, 110119, https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110119.
3. . Md. B. Hossain, Md. R. Islam, K. M. Muttaqi, D. Sutanto, A. P. Agalgaonkar, Advancement of fuel cells and electrolyzers technologies and their applications to renewable-rich power grids, Journal of Energy Storage, Vol. 62, 2023, 106842, https://doi.org/10.1016/j.est.2023.106842.
4. . K. Ou, W.-W. Yuan, M. Choi, S. Yang, S. Jung, Y.-B. Kim, Optimized power management based on adaptive-PMP algorithm for a stationary PEM fuel cell/battery hybrid system, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 43, Issue 32, 2018, pp. 15433-15444, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.06.072.
5. . C. I. Hoarcă and F. M. Enescu, on the energy efficiency of standalone fuel cell/renewable hybrid power sources. Part II: Simulation results for variable load profile with different renewable energy sources profiles (RES), 2018 International Conference on Applied and Theoretical Electricity (ICATE), 2018, pp. 1-5, doi: 10.1109/ICATE.2018.8551440.
6. . C. Xie, X. Xu, P. Bujlo, D. Shen, H. Zhao, and S. Quan, Fuel cell and lithium iron phosphate battery hybrid powertrain with an ultracapacitor bank using direct parallel structure, J. Power Sources, vol. 279, pp. 487–494, Apr. 2015. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2015.01.029.
7. . G. Zhang, H. Li, C. Xiao, K. Jermsittiparsert, Optimal size selection for fuel cell and battery in a hybrid power system of the intercity locomotives, Journal of Cleaner Production, Volume 317, 2021, 128498, https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.128498.
8. . J. Rurgladdapan, K. Uthaichana and B. Kaewkhamai, Optimal Li-Ion battery sizing on PEMFC hybrid powertrain using dynamic programming, 2013 IEEE 8th Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA), Melbourne, VIC, Australia, 2013, pp. 472-477, doi: 10.1109/ICIEA.2013.6566415.
9. . X. Lü, X. Miao, W. Liu, J. Lü, Extension control strategy of a single converter for hybrid PEMFC/battery power source, Applied Thermal Engineering, Volume 128, 2018, pp. 887-897, https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.09.003.
10. . S. Njoya Motapon, L. -A. Dessaint and K. Al-Haddad, A comparative study of energy management schemes for a fuelcell hybrid emergency power system of more-electric aircraft, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 61, no. 3, pp. 1320-1334, March 2014, doi: 10.1109/TIE.2013.2257152.
11. . A. M. Bassam, A. B. Phillips, S. R. Turnock, P. A. Wilson, An improved energy management strategy for a hybrid fuel cell/battery passenger vessel, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 41, Issue 47, 2016, pp. 22453-22464, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.08.049.
12. . Li, D.; Xu, B.; Tian, J.; Ma, Z. Energy management strategy for fuel cell and battery hybrid vehicle based on fuzzy logic. Processes 2020, 8, 882. https://doi.org/10.3390/pr8080882.
13. . X. Chi, F. Lin and Y. -X. Wang, "Disturbance and uncertaintyimmune onboard charging batteries with fuel cell by using equivalent load fuzzy logic estimation-based backstepping sliding-mode control," in IEEE Transactions on Transportation Electrification, vol. 7, no. 3, pp. 1249-1259, Sept. 2021, doi: 10.1109/TTE.2021.3052881.
14. . W. Zhang, J. Li, L. Xu and M. Ouyang, "Optimization for a fuel cell/battery/capacity tram with equiv-alent consumption minimization strategy", Energy Convers. & Management, vol. 134, pp. 59-69, Dec. 2017.
15. . C. Tian, Y. Huangfu, S. Quan, P. Li, Y. Zhang and J. Zhao, "An H2-consumption-minimization-based energy management strategy of hybrid fuel cell/battery power system for UAVs," 2021 IEEE 1st International Power Electronics and Application Symposium (PEAS), Shanghai, China, 2021, pp. 1-6, doi: 10.1109/PEAS53589.2021.9628651.
16. . T. Wang, Q. Li, W. Chen and T. Liu, "Application of energy management strategy based on state machine in fuel cell hybrid power system," 2017 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo, Asia-Pacific (ITEC Asia-Pacific), Harbin, China, 2017, pp. 1-5, doi: 10.1109/ITEC-AP.2017.8080854.
17. . Y. Zhang, Y. Huangfu, W. Liu and L. Guo, "An energy management strategy based on state machine with power compensation for photovoltaic-PEMFC-lithium battery power system," 2019 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), Melbourne, VIC, Australia, 2019, pp. 1675-1680, doi: 10.1109/ICIT.2019.8843696.
18. . Z. Hong, Q. Li, Y. Han, W. Shang, Y. Zhu, W. Chen, An energy management strategy based on dynamic power factor for fuel cell/battery hybrid locomotive, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 43, Issue 6, 2018, Pages 3261-3272, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.12.117.
19. . X. Lü, Y. Wu, J. Lian, Y. Zhang, Energy management and optimization of PEMFC/battery mobile robot based on hybrid rule strategy and AMPSO, Renewable Energy, Volume 171, 2021, Pages 881-901, https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.02.135.
20. . K. Ettihir, L. Boulon, K. Agbossou, Optimization-based energy management strategy for a fuel cell/battery hybrid power system, Applied Energy, Volume 163, 2016, Pages 142-153, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.10.176.
21. . Y. Wang, S. J. Moura, S. G. Advani, A. K. Prasad, Power management system for a fuel cell/battery hybrid vehicle incorporating fuel cell and battery degradation, International Journal of Hydrogen Energy, Vol-ume 44, Issue 16, 2019, pp. 8479-8492, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.02.003.
22. . C. Sheng, J. Fu, D. Li, C. Jiang, Z. Guo, B. Li, J. Lei, L. Zeng, Z. Deng, X. Fu, X. Li, Energy management strategy based on health state for a PEMFC/Lithiumion batteries hybrid power system, Energy Conversion and Management, Volume 271, 2022, 116330, https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.116330.
23. . Loskutov, A.; Kurkin, A.; Shalukho, A.; Lipuzhin, I.; Bedretdinov, R. Investigation of PEM fuel cell characteristics in steady and dynamic operation modes. Energies 2022, 15, 6863. https://doi.org/10.3390/en15196863.
24. . Лоскутов А.Б., Липужин И.А., Бедретдинов Р.Ш. Исследование характеристик ПОМТЭ при работе в установившихся и динамических режимах // Интеллектуальная Электротехника. 2022. № 4. С. 53-77. DOI: 10.46960/2658-6754_2022_4_53.
25. . Kulikov, A., Loskutov, A., Kurkin, A., Dar’enkov, A., Andrey, K., Vanyaev, V., Shahov, A., Shalukho, A., Bedretdinov, R., Lipuzhin, I., Kryukov, E. Development and operation modes of hydrogen fuel cell generation system for remote consumers’ power supply. Sustainability. 2021. 13. 9355. 10.3390/su13169355.
26. . H.-B. Yuan, W.-J. Zou, S. Jung, Y.-B. Kim, Optimized rule-based energy management for a polymer electrolyte membrane fuel cell/battery hybrid power system using a genetic algorithm, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 47, Issue 12, 2022, pp. 7932-7948, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.12.121.
27. . L. Xian, G. Wang and Y. Wang, Implementation and control of a double-input DC/DC converter for PEMFC/battery hybrid power supply, 2012 7th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA), Singapore, 2012, pp. 285-290, doi: 10.1109/ICIEA.2012.6360738.
28. . П. И. Круглыхин, Р. А. Уфа, В. Е. Рудник, А. С. Васильев, Оценка влияния объектов солнечной генерации на устойчивость энергорайона со слабыми связями // Интеллектуальная электротехника. – 2022. – № 3(19). – С. 79-99. – DOI 10.46960/2658-6754_2022_3_79.
29. . Hossain, E.; Faruque, H.M.R.; Sunny, M.S.H.; Mohammad, N.; Nawar, N. A Comprehensive review on energy storage systems: Types, comparison, current scenario, applications, barriers, and potential solutions, policies, and future prospects. Energies 2020, 13, 3651. https://doi.org/10.3390/en13143651.
30. . Y. -S. Hsiao, Y. -F. Guo and F. -C. Wang, Robust converter control design for a hybrid PEMFC system, 2016 55th Annual Conference of the Society of Instrument and Control Engineers of Japan (SICE), Tsukuba, Japan, 2016, pp. 442-447, doi: 10.1109/SICE.2016.7749214.
31. . T. Wang, Q. Li, Y. Qiu, L. Yin, L. Liu and W. Chen, Efficiency extreme point tracking strategy based on FFRLS online identification for PEMFC system, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 34, no. 2, pp. 952-963, June 2019, doi: 10.1109/TEC.2018.2872861.
32. . T. Wang, Q. Li, L. Yin, B. Su and W. Chen, Optimized energy management strategy based on online extremum tracking for a PEMFC-battery power system, 2019 IEEE Power & Energy Society General Meeting (PESGM), Atlanta, GA, USA, 2019, pp. 1-5, doi: 10.1109/PESGM40551.2019.8973837.
33. . J. Yan, Z. Rong, Y. Wang, A model of PEMFC-battery system to evaluate inner operating status and energy consumption under different energy management strategies, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 47, Issue 5, 2022, Pages 3075-3086, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.10.236.
34. . ГОСТ 32144―2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнит-ная. Нормы качества электрической энергии в систе-мах электроснабжения общего назначения. М.: Стан-дартинформ, 2014.
Рецензия
Для цитирования:
Лоскутов А.Б., Дарьенков А.Б., Липужин И.А., Шалухо А.В., Бедретдинов Р.Ш., Ваняев В.В., Шахов А.В. Разработка и исследование эффективности работы гибридного энергетического комплекса на базе водородного топливного элемента и системы накопления для железнодорожной отрасли. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2023;(7):95-111. https://doi.org/10.15518/isjaee.2023.07.095-111
For citation:
Loskutov A.B., Dar’enkov A.B., Lipuzhin I.A., Shalukho A.V., Bedretdinov R.Sh., Vanyaev V.V., Shakhov A.V. Development and research of operational efficiency of a hybrid energy system based on hydrogen fuel cell and energy storage for railway industry. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2023;(7):95-111. (In Russ.) https://doi.org/10.15518/isjaee.2023.07.095-111