Влияние стратегий droop-управления на устойчивость изолированных энергосистем с интегрированными водородными накопителями энергии

Растущее проникновение возобновляемых источников энергии (RES) в изолированные энергосистемы создает значительные проблемы для стабильности частоты и напряжения из-за отсутствия вращающейся инерции. Водородные системы накопления энергии (HESS) предлагают решение не только для краткосрочной балансировки, но и для сезонного переноса (перераспределения) энергии, однако их динамическое взаимодействие с сетевыми инверторами остается недостаточно изученным. Настоящее исследование направлено на разработку надежных стратегий управления, обеспечивающих стабильную работу гибридных микросетей RES-HESS в различных сетевых условиях и аварийных сценариях.
Целью данной работы является оценка эффективности трех стратегий управления, основанных на droop – классическом droop, обратном droop и комбинированном методе с синтетической инерцией – для изолированных энергосистем, использующих HESS. Гипотеза заключается в том, что комбинированный подход с синтетической инерцией обеспечивает лучшие динамические характеристики и запас устойчивости системы, особенно при использовании HESS для сезонного накопления энергии, а адаптивная настройка коэффициентов необходима для учета асимметричной динамики электролизеров и топливных элементов.
В среде MATLAB/Simulink и PSAT была разработана математическая модель изолированной микросети, состоящей из RES, HESS (электролизера, хранилища водорода и топливного элемента) и силовых преобразователей. Алгоритмы управления были внедрены и протестированы в нормальном режиме, при ступенчатых изменениях нагрузки, подключении/отключении инверторов и в аварийных сценариях.
Ключевые показатели эффективности включали время восстановления, минимальную частоту, отклонение напряжения и анализ устойчивости по малым колебаниям на основе собственных значений. Классическое droop-управление обеспечивает устойчивую работу, но требует тщательной настройки и подвержено ошибкам распределения реактивной мощности в резистивных сетях. Обратное droop-управление улучшает развязку в низковольтных сетях, однако характеризуется более медленными переходными процессами. Комбинированный метод с синтетической инерцией демонстрирует наилучшие результаты, обеспечивая перераспределение активной мощности за 0,7 секунд и поддержание частоты в допустимых пределах (49,84- 50,25 Гц) даже при сильных возмущениях. Кроме того, показано, что HESS может эффективно поглощать летние избытки солнечной энергии для использования зимой, а droop-управление обеспечивает плавные переходы мощности и предотвращает перегрузки.
Интеграция HESS с передовыми стратегиями droop-управления значительно повышает устойчивость и надежность изолированных энергосистем. Комбинированный метод с синтетической инерцией рекомендуется для гибридных электроводородных комплексов при условии, что в них реализована адаптивная подстройка коэффициентов в режиме реального времени. Для России такой подход открывает стратегический путь к достижению энергетического суверенитета на отдаленных и изолированных территориях, используя водород в качестве сезонного энергоносителя и сглаживая сезонный дисбаланс между летней солнечной генерацией и зимним спросом.

1. . Collina G., Bucelli M., Leoni L., Martens L., Tugnoli A., Paltrinieri N. Toward the application of the Risk-Based Maintenance approach to a hydrogen-fueled manufacturing plant // International Journal of Hydrogen Energy. – 2026. – Vol. 238. – Article 155318. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2026.155318.

2. . Pintilie S. -I., Cobzaru C., Iordache M., Marinoiu A. Electrocatalysts obtained by atomic layer deposition technology for PEM fuel cells and electrolysers // International Journal of Hydrogen Energy. – 2026. – Vol. 238. – Article 155354. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2026.155354.

3. . Song J., Zong Z., Liang D., Xi Y., Xu G., Yang M., Ke S., Zu Y., Liang L., Li G., Xu C. Adaptive model predictive control for PEM electrolysis system with pre-regulated temperature and pressure approach // International Journal of Hydrogen Energy. – 2026. – Vol. 238. – Article 155160. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2026.155160.

4. . Egorov A. N., Anoshin D. M., Makarov D. A., Yurin V. E. Technical and economic justification for the use of a closed hydrogen cycle to expand the control range of a nuclear power plant // International Journal of Hydrogen Energy. – 2026. – Vol. 238. – Article 155309. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2026.155309.

5. . Wang Y., Fu L., Chen Y., Jiang Y., Chen X., Shen B. Hydrogen fuel cell power system and control strategy // International Journal of Hydrogen Energy. – 2026. – Vol. 238. – Article 155028. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2026.155028.

6. . Manickam S., Subramaniyan M., Subramanian B., Gurusamy M., Josephin J.S.F., Varuvel E.G., Matijošius J., Kilikevičius A., Anka F. Optimization of hydrogen premixing and alcohol additives for improved efficiency, emissions, and economics in a dual-fuel engine using watermelon seed oil-diesel blend: RSM–TOPSIS approach // International Journal of Hydrogen Energy. – 2026. – Vol. 237. – Article 154956. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2026.154956.

7. . Jafarizadeh A., Ahmadzadeh M.A., Panjepour M., Davazdah Emami M. Modeling, prediction, and optimization of steam methane reforming in porous foams using computational fluid dynamics and machine learning approaches // International Journal of Hydrogen Energy. – 2026. – Vol. 237. – Article 155272. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2026.155272.

8. . Banshamlan H. M., El Mekkawy T., Sleiti A. K. Thermoeconomic assessment of a novel multigeneration system for power, hydrogen, ammonia, and methanol production // International Journal of Hydrogen Energy. – 2026. – Vol. 237. – Article 155183. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2026.155183.

9. . Li C., Yang Z., Luo H., Chen B., Cai Y., Yang T., Li X., Chahine R., Xiao J. A modified adsorbent performance indicator for multi-component gas separation and hydrogen purification based on ideal adsorbed solution theory // International Journal of Hydrogen Energy. – 2026. – Vol. 237. – Article 155316. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2026.155316.

10. . Liu L., Yang S., Zhang R., Hsiao B.S., Ma H. Ternary synergistic design of a densely functionalized ionomer/N-spiro quaternary ammonium/CPVA nanofiber composite anion exchange membrane with highperformance for water electrolysis // International Journal of Hydrogen Energy. – 2026. – Vol. 237. – Article 155340. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2026.155340.

11. . Zhao Z., Feng C., Shangguan Z., Meng L., Zhou W., Jiang X., Liu M., Zuo J., Jin L., Zhang C. Uniformity axial temperature distribution in electrolyzers by stackscale electric-heat coupling simulation // International Journal of Hydrogen Energy. – 2026. – Vol. 208. – Article 153501. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2026.153501.

12. . Shyong J., Bowden M., Autrey T., Saqline S., Breunig H. Technoeconomic analysis of hydrogen storage using 1,4-butanediol (BDO)/γ-butyrolactone (GBL) as a stationary backup power system // International Journal of Hydrogen Energy. – 2026. – Vol. 208. – Article 153161. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2025.153161.

13. . Pruss T., Müller K. 3D multiphase simulation of a bipolar membrane water electrolyzer // International Journal of Hydrogen Energy. – 2026. – Vol. 208. – Article 153548. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2026.153548.

14. . Dal Forno Chuahy F., Serov A. Two-phase flow numerical analysis of electrode geometry for alkaline water electrolyzers // International Journal of Hydrogen Energy. – 2026. – Vol. 208. – Article 153460. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2026.153460.

15. . Dantas B., Braniff A., Liu Y., Akundi S. S., Tizon Z. A., Niknezhad S. S., Khan F., Pistikopoulos E. N., Lima F. V., Tian Y. Hybrid mechanistic/datadriven modeling for enhancing dynamic operations in electrolysis-based hydrogen production // International Journal of Hydrogen Energy. – 2026. – Vol. 208. – Article 153544. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2026.153544.

16. . Miskan S. N., Abdulkadir B. A., Ismail M., Setiabudi H. D. Effect of UiO-66 NH2 on hydrogen storage performance of MgH2 // International Journal of Hydrogen Energy. – 2026. – Vol. 207. – Article 153263. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2025.153263.

17. . Gao Q., Hu Y., Hu H., Zou C., Yuan X., Li X., Yao H. Optimizing H2 production of waste tires pyrolysis gas using NaOH–Na2 CO3 binary salt // International Journal of Hydrogen Energy. – 2026. – Vol. 207. – Article 153479. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2026.153479.

18. . Fu W., Li Y., Dong Z., Li J., Liu R., Yang Y., Li J., Zhang L., Wang C., Yao T., et al. Digital Hydrogen-S: An open-access interactive data platform for solid-state hydrogen storage materials // International Journal of Hydrogen Energy. – 2026. – Vol. 207. – Article 153434. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2026.153434.

19. . Zeng J., He Y., Zhang J., Song W., Weng W., Wang Z. Design monolithic honeycomb SiC catalysts via industrial-grade DLP 3D printing technology for practical sulfur-based thermochemical hydrogen production // International Journal of Hydrogen Energy. – 2026. – Vol. 207. – Article 153462. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2026.153462.

20. . Bahou S. Integrated geospatial and techno-economic analysis of green hydrogen generation from offshore wind: A case study of Morocco // International Journal of Hydrogen Energy. – 2026. – Vol. 207. – Article 153490. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2026.153490.

21. . Brabandere K. D., Bolsens B., Keybus J. V., Woyte A., Driesen J., Belmans R. A. Voltage and frequency droop control method for parallel inverters // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2007. – Vol. 22. – No. 4. – Pp. 1107-1115. DOI: 10.1109/TPEL.2007.900456.

22. . GOST R 55890-2013. Unified electric power system and isolated power systems. Operative dispatch control. Frequency and active power flow control. Norms and requirements. – Effective date: 2014-09-01.

23. . Baharizadeh M., Golsorkhi M. S., Savaghebi M. Secondary control with reduced communication requirements for accurate reactive power sharing in AC microgrids // IET Smart Grid. – 2023. – Vol. 6. – Iss. 6. – DOI: 10.1049/stg2.12127.

24. . What Is Droop Control? // MathWorks. – URL: https://www.mathworks.com/discovery/droop-control.html (accessed 18.04.2026).

25. . GOST R 54149-2010. Electric energy. Electromagnetic compatibility of technical equipment. Power quality limits in public power supply systems. – Effective date: 2013-01-01. – Moscow: Standartinform, 2012. – 20 p.

26. . Ufa R. A., Rudnik V. E., Malkova Y. Y., Tomalev A. A., Sarsikeyev Y. Z., Zhantlessova A. B. Powerful oscillation damping controller for VSC renewable generators using hydrogen energy storage systems // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 60. – Pp. 155-164.

27. . Ufa R. A., Malkova Y. Y., Bay Y. D., Kievets A. V. Analysis of the problem of optimal placement and capacity of the hydrogen energy storage system in the power system // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48. – Iss. 12. – Pp. 4665-4675.

28. . Razzhivin I., Askarov A., Rudnik V., Suvorov A. A hybrid simulation of converter-interfaced generation as the part of a large-scale power system model // International Journal of Engineering and Technology Innovation. – 2021. – Vol. 11. – No. 4. – Pp. 278-293. – DOI: 10.46604/IJETI.2021.7276.

29. . Suvorov A., Gusev A., Andreev M., Askarov A. A validation approach for short-circuit currents calculation in large-scale power systems // International Transactions on Electrical Energy Systems. – 2020. – Vol. 30. – No. 4. – Article e12276. – DOI: 10.1002/2050-7038.12276.

30. . Suvorov A., Gusev A., Andreev M., Askarov A., Ufa R., Ruban N. The hybrid real-time dispatcher training simulator: basic approach, software-hardware structure and case study // International Journal of Emerging Electric Power Systems. – 2019. – Vol. 20. – No. 1. – Article 2019. – DOI: 10.1515/ijeeps-2018-0165.