Ученые нашли способ повысить устойчивость энергосетей с помощью водорода

Томск, 18 апр - ИА Neftegaz.RU. Ученые Томского политехнического университета совместно с коллегами из Каршинского государственного технического университета (Узбекистан) разработали метод интеграции водородных систем хранения энергии (ВНЭ) в электрические сети, обеспечивающий повышение малосигнальной устойчивости системы на 24,8%.
Об этом сообщили в Министерстве науки и высшего образования РФ.

Современные энергосистемы, ориентированные на «зеленую» генерацию, сталкиваются с проблемой непостоянного характера выработки электроэнергии возобновляемыми источниками (ВИЭ). Одним из перспективных решений считаются водородные системы хранения энергии (ВНЭ), позволяющие осуществлять сезонное балансирование и обладающие повышенной гибкостью при подключении к сети.

Томские исследователи предложили математическую модель водородной системы хранения с особым вниманием к блоку управления силовым преобразователем.

Блок управления силовым преобразователем в ВНЭ - это комплекс электронных устройств и алгоритмов, который регулирует работу преобразователя, обеспечивая эффективное и безопасное преобразование энергии. Он:

• управляет параметрами тока и напряжения,
• контролирует состояние системы,
• реализует защитные функции,.
• оптимизирует процессы зарядки/разрядки накопителей энергии.

Как отметил один из авторов работы И. Уманский, особенность предложенного подхода заключается в применении усовершенствованного алгоритма синхронизации с предварительным каскадом фильтрации. Компьютерное моделирование продемонстрировало, что в сравнении с традиционным расчетом в синхронной системе координат с обратной связью новый алгоритм быстрее синхронизируется с сетью, уменьшает амплитуду колебаний напряжения и показывает более стабильную работу в нештатных ситуациях, например, при просадках напряжения или скачках частоты.

Алгоритм состоит из двух основных блоков:

• предварительный каскад фильтрации подавляет шумы и высокочастотные помехи, выделяет полезный сигнал;
• блок синхронизации обеспечивает точное согласование фаз и частот между сигналами.

Ключевые операции:

• операция фильтрации входного сигнала сети предполагает прохождение входного сигнала с помехами от ВИЭ через цифровой БИХ‑фильтр 4‑го порядка, частота среза - 55 Гц (для сети 50 Гц), в результате чего получается сглаженный синусоидальный сигнал с подавленными гармониками выше 55 Гц;
• операция выделения опорного сигнала позволяет из отфильтрованного напряжения выделить опорный синусоидальный сигнал и определить текущую частоту и фазу сети;
• операция фазовой автоподстройки обеспечивает сравнение фазу опорного сигнала и выходного сигнала преобразователя фазовым детектором, направление сигнала ошибки на фильтр низких частот и корректировку фазы выходного сигнала управляемым генератором;
• операция частотной коррекции обеспечивает автоматическое подстраивание частоты преобразователя при отклонении частоты сети от номинала (50 Гц) с использованием ПИ‑регулятора для плавной коррекции;
• операция мониторинга и защита обеспечивает непрерывный контроль фазовой ошибки и активизацию режима перезахвата синхронизации при превышении порога (> 2°), а при аварийной ситуации - перевод системы в безопасный режим.

Результаты моделирования подтвердили, что данный подход дает возможность перераспределять нагрузку и поддерживать стабильное электроснабжение в течение суток. Также внедрение водородных систем хранения энергии улучшает малосигнальную устойчивость сети, то есть способность системы возвращаться к синхронному режиму после малых возмущений. Этот показатель возрастает до 24,8% по сравнению с конфигурацией без таких накопителей. Благодаря этому энергосистема быстрее справляется с нештатными ситуациями, что снижает риск серьезных сбоев в работе.

По мнению ученых, подобные системы особенно актуальны для регионов с выраженными сезонными перепадами спроса на электроэнергию. Проведенное исследование может послужить основой для создания доступной и стабильной генерации на базе возобновляемых источников, исключающей резкие скачки напряжения и внезапные отключения.

В работе приняли участие сотрудники отделения электроэнергетики и электротехники Инженерной школы энергетики Томского политехнического университета и представители Каршинского государственного технического университета. Результаты исследования опубликованы в научном журнале International Journal of Hydrogen Energy.

Водородные системы хранения энергии рассматриваются в мировой энергетике как одно из ключевых направлений для долгосрочного аккумулирования излишков выработки солнечных и ветровых электростанций. В отличие от традиционных аккумуляторных батарей, такие системы позволяют хранить энергию в виде водорода в течение нескольких месяцев, что делает их востребованными для выравнивания сезонных дисбалансов между генерацией и потреблением. Но ВНЭ есть и недостатки: низкий КПД - до 45% из-за потерь на этапе при электролиза, хранения и использования в топливных элементах; энергоёмкость производства, необходимость инфраструктуры (специальные резервуары, трубопроводы, установки сжатия/сжижения), повышенные требования к мерам безопасности из-за риска утечек и взрывов.



Автор: А. Шевченко