Варианты структуры автономной электроэнергетической системы с батареей водородных топливных элементов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Обоснование. В последние годы резко возрос интерес к проблеме сокращения выброса продуктов сжигания углеводородного топлива в атмосферу и использованию альтернативных и возобновляемых источников энергии. Данная проблема является актуальной как для стационарной, так и для транспортной энергетики. Одним из путей снижения вредного воздействия на окружающую среду первичных источников энергии в автономных транспортных энергоустановках является их гибридизация, т.е. использование наряду с традиционными источниками энергии (турбогенераторами и дизель-генераторами) водородных источников электроэнергии (батарей топливных элементов).

Цель. Обоснование оптимального варианта структуры автономной электроэнергетической системы с комбинированной энергоустановкой на основе водородных источников электроэнергии.

Материалы и методы. Для достижения поставленной цели использован сравнительный анализ параметров и характеристик элементов энергосистемы, а также метод моделирования процессов в исследуемой энергосистеме с использованием пакета MATLAB Simulink. Рассматриваются два варианта структуры автономной электроэнергетической системы – с общей шиной переменного и постоянного тока. Анализ параметров и характеристик этих вариантов выполнен для трех типовых режимов работы: включения статической нагрузки, прямого пуска асинхронного двигателя с нагрузкой на валу и перевода потребителей с питания от дизель-генератора на питание от батареи водородных топливных элементов.

Результаты. Во всех рассматриваемых режимах батарея ВТЭ характеризуется быстрым откликом на изменение нагрузки и стабильным КПД. Характер переходных процессов апериодический или малоколебательный, быстро затухающий. По количеству полупроводниковых преобразователей, фильтрующих устройств и их суммарной мощности более предпочтительной является структура автономной энергосистемы с общей шиной переменного тока.

Об авторах

Иван Дмитриевич Карабаджак

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

Автор, ответственный за переписку.
Email: iwan.karabajack@yandex.ru
SPIN-код: 4353-5098

инженер, аспирант

Россия, Санкт-Петербург

Виктор Валерьевич Никитин

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

Email: pgups.emks@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5699-0424
SPIN-код: 6864-5678

доктор технических наук, профессор

Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Shnipova AI. Development of hydrogen energy in Russia: a new energy policy. Energy of Unified Grid. 2022;62(1):58–69. [cited: 13.12.2023] Available from: https://энергия-единой-сети.рф/annotatsii-nomerov/1-62-2022/
  2. Tezuka K. 20 Years of Railway Technical Research Institute. Japan Railway & Transport Review. 2007;47(3):9–15. [cited: 13.12.2023] Available from: https://www.ejrcf.or.jp/jrtr/jrtr47/pdf/f09_Tez.pdf
  3. The Fuel Cell Industry Review, 2021. [internet] [cited 13 Dec. 2023] Available from: https://fuelcellindustryreview.com
  4. Klebsch W, Guckes N, Heininger P. Evaluation of climate-neutral alternatives to diesel multiple units. Economic viability assessment based on the example of the Düren network. June, 2020. [cited: 13.12.2023] Available from: https://www.vde.com/resource/blob/2068330/
  5. Ogawa K, Yoneyama T, Sudo T, et al. Performance Improvement of Fuel Cell Hybrid Powered Test Railway Vehicle. Quarterly Report of RTRI. 2021;62(1):16–21. doi: 10.2219/rtriqr.62.1_16
  6. Kasatkin MA, Landgraf IK. Perspektivy vodorodnyh energoustanovok na toplivnyh elementah dlya razvitiya elektrotransporta. Transport of Russian Federation. 2019;6(85):46–49 (In Russ.) [cited: 13.12.2023] Available from: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_42194760_27245461.pdf EDN: TBTUPX
  7. Karasev D. Vodorodnaya i akkumuliatornaya tyaga: proekty TMH. (In Russ.) [cited: 13.12.2023] Available from: https://tmholding.ru/media/article/7135.html
  8. Dugin GS, Grigoriev SA. New possibilities for fuel cells application on the transport means. Alternative Fuel Transport. 2010;2(14):76–78. [cited: 13.12.2023] Available from: https://ngvrus.ru/file/journal-history/tat-2-2010-preview.pdf EDN: MBWLIZ
  9. Study of Hydrogen Fuel Cell Technology for Rail Propulsion and Review of Relevant Industry Standards. № DOT/FRA/ORD-21/20. Washington: Federal Railroad Administration, 2021. [cited: 13.12.2023] Available from: https://railroads.dot.gov/sites/fra.dot.gov/files/2021-06/Study%20of%20Hydrogen%20Fuel%20Cell%20Tech.pdf
  10. Lapidus BM. Improvements in energy efficiency and the potential use of hydrogen fuel cells in railway transport. The Russian Railway Science Journal. 2019;5: 274–283. (In Russ.) doi: 10.21780/2223-9731-2019-78-5-274-283
  11. Kim KK, Tkachuk AA. The three-phase transformer with stabilizing properties. Electronics and electrical equipment of transport. 2016;5:18–21. (In Russ.) [cited: 13.12.2023] Available from: http://eet-journal.ru/upload/iblock/336/6j1cafwyohyzloe8qniupvrhzuwsa2z9.pdf
  12. Asabin V, Garanin M, Kurmanova L, et al. Prospects for using hydrogen on railway transport. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2020;953:012074. doi: 10.1088/1757-899X/953/1/012074
  13. Baiko AV, Nikitin VV, Sereda EG. Hydrogen energy sources with current inverters in ship AC power plants. Russian Electrical Engineering. 2017;6(88):355–360. doi: 10.3103/S1068371217060037
  14. Nikitin VV, Marikin AN, Tret’yakov AV. Generator cars with hybrid power plants. Russian Electrical Engineering. 2016;5(87):260–265. doi: 10.3103/S1068371216050138
  15. Kim KK, Panychev AYu, Blazhko LS. Innovative Energy Sources for Hyperloop High-Speed Transport. BRICS Transport. 2022;1(1):1–10. doi: 10.46684/2022.1.1

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Структурная схема АЭЭС с общей шиной постоянного (а) и общей шиной переменного (б) тока. БТЭ – батарея топливных элементов; Д-СГ — синхронный дизель-генератор; ИППН – импульсный преобразователь постоянного напряжения; НВ – неуправляемый выпрямитель; ИВС – инвертор, ведомый сетью; Ф — фильтр; АИ – автономный инвертор; АД – асинхронный двигатель; СН — статическая нагрузка

Скачать (63KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Переходные процессы при подключении статической нагрузки к батарее ВТЭ в АЭЭС с общей шиной постоянного (а) и переменного (б) тока.

Скачать (421KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Переходные процессы в АЭЭС с общей шиной постоянного (а) и переменного (б) тока при прямом пуске асинхронного двигателя и работающей статической нагрузке

Скачать (289KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Переходные процессы в АЭЭС с общей шиной постоянного (а) и переменного (б) тока при переводе питания статической нагрузки и асинхронного двигателя с дизель-генератора на батарею ВТЭ.

Скачать (178KB)
Метаданные

© Карабаджак И.Д., Никитин В.В., 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».