Найден способ увеличения устойчивости энергосетей с помощью водорода
Ученые отделения электроэнергетики и электротехники Инженерной школы энергетики Томского политехнического университета совместно с коллегами из Каршинского государственного технического университета (Узбекистан) разработали подход к интеграции водородных систем хранения энергии в энергосети. Технология позволяет накапливать "излишки" электроэнергии от возобновляемых источников энергии и повышать малосигнальную устойчивость сети до 24%.
Результаты исследований ученых опубликованы в журнале International Journal of Hydrogen Energy (Q1, IF: 8,3) - https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319926013546.
Современные энергетические системы все больше опираются на "зеленую" энергетику - возобновляемые источники энергии. Однако их непостоянный характер генерации энергии создает серьезные проблемы для устойчивости всей энергосистемы. Перспективным решением этой проблемы выступают водородные системы хранения энергии (HESS). Они имеют долговременную емкость хранения, возможность сезонного балансирования и повышенную гибкость при интеграции в сеть. Однако их влияние на динамическую устойчивость энергосистемы остается малоизученным.
Ученые Томского политеха совместно с коллегами разработали новый подход к интеграции водородных систем хранения энергии (HESS). Он основан на математической модели HESS с акцентом на систему управления силовым преобразователем. Модель позволяет накапливать "излишки" электроэнергии, одновременно обеспечивая устойчивость сети.
Блок управления силовым преобразователем в водородном накопителе энергии - 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.
"Особенность предложенного нами подхода заключается в применении продвинутого алгоритма синхронизации с предварительным каскадом фильтрации (PMAF-PLL). Компьютерное моделирование показало, что по сравнению с традиционным решением - расчетом в синхронной системе координат с обратной связью (SRF-PLL) - новый алгоритм быстрее синхронизируется с сетью, снижает амплитуду колебаний напряжения и устойчивее работает в аварийных ситуациях, например, при просадках напряжения или скачках частоты", - отмечает один из авторов исследования, студент-магистрант Инженерной школы энергетики ТПУ Игорь Уманский.
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 фазы 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 защиты 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 показали, что подход политехников позволяет перераспределять нагрузку и поддерживать стабильное электроснабжение в течение суток. Кроме того, внедрение HESS в энергосистему, в зависимости от конфигурации сети (длины линий, пропускной способности), улучшает малосигнальную устойчивость сети (способность системы возвращаться к синхронному режиму после малых возмущений - ред.), которая возрастает до 24,8% по сравнению с конфигурацией без HESS.
"Благодаря повышению устойчивости энергосистемы с внедрением HESS она в принципе быстрее справляется с нештатными ситуациями: стабилизация сети ускоряется, что уменьшает риск серьезных сбоев. Такие системы особенно актуальны для регионов с сезонными перепадами спроса", - добавляет исследователь.
В будущем технология ТПУ может лечь в основу доступной и стабильной энергогенерации на основе возобновляемых источников энергии - без скачков напряжения и внезапных отключений.
По материалам:
