Двухконтурный накопитель энергии для гибридных энергетических систем с возобновляемыми источниками энергии

Abstract

Актуальность. Актуальной задачей технико-экономического развития северных и восточных регионов России является обеспечение надежного и эффективного электроснабжения потребителей, территориально расположенных в отдаленных, труднодоступных районах. Перспективным способом решения данной проблемы является применение гибридных энергетических систем с возобновляемыми источниками энергии. Характерной особенностью режимов гибридных систем, особенно с высоким уровнем замещения топлива, является наличие пульсаций в зарядно-разрядных токах аккумуляторных батарей, используемых в качестве накопителей энергии. Эксплуатация аккумуляторных батарей в режиме импульсных токов приводит к быстрой деградации их характеристик и сокращению срока службы, что обуславливает снижение надежности системы электроснабжения и увеличение себестоимости генерируемой электроэнергии. Существенным недостатком гибридных систем, построенных по известным стандартным схемам, является неэффективное использование потенциала первичной возобновляемой энергии, что особенно критично для энергетических систем, территориально расположенных в районах с суровыми климатическими условиями. В статье предложены технические решения, позволяющие устранить обозначенные проблемы. Цель: поиск и разработка технических решений, обеспечивающих повышение надежности и эффективности гибридных энергетических систем с высоким уровнем замещения топлива. Методы: математическое и компьютерное моделирование с использованием программной среды MatLab/Simulink. Результаты. Предложен новый способ построения и алгоритм управления режимами гибридных энергетических систем, обеспечивающих повышение их надежности и энергетической эффективности. Представлены результаты моделирования рабочих режимов гибридной электростанции с высоким уровнем замещения топлива, которые доказывают, что предложенный способ построения и алгоритм управления режимами обеспечивают надежное и эффективное управление балансом мощности гибридной энергетической системы во всех возможных эксплуатационных режимах. Применение двухконтурного накопителя энергии с предложенным алгоритмом управления обеспечивает снижение интенсивности отказов гибридной энергетической системы на 5,7 %, увеличение эксплуатационного ресурса аккумуляторных батарей на 50 %, повышение эффективности использования энергии возобновляемых источников на 28 % в сравнении со стандартными способами построения гибридных электростанций.

Relevance. The urgent task of technical and economic development of the northern and eastern regions of Russia is to provide reliable and efficient power supply to consumers, geographically located in remote, hard-to-reach areas. The use of hybrid energy systems with renewable energy sources is a promising way to solve this problem. A characteristic feature of the modes of hybrid systems, especially with a high level of fuel replacement, is the presence of ripples in charge-discharge currents of batteries used as energy storage devices. The operation of batteries in the mode of pulsed currents leads to rapid degradation of their characteristics and reduction in the service life, which leads to decrease in reliability of the power supply system and increase in the cost of generated electricity. A significant drawback of hybrid systems built according to well-known standard schemes is the inefficient use of the potential of primary renewable energy, which is especially critical for power systems geographically located in areas with severe climatic conditions. The article proposes technical solutions to eliminate the indicated problems. Aim of the study is to search for and develop technical solutions to improve the efficiency of hybrid energy systems with a high level of fuel substitution. Methods: mathematical and computer modeling using the Matlab/Simulink software environment. Results. We offer a new method of construction and control algorithm of the modes of hybrid energy systems, which provide increasing their reliability and energy efficiency. The results of the modeling and the operating modes of a hybrid power plant with a high level of fuel substitution are presented, which proves that the proposed method of construction and the control algorithm provides reliable and efficient control of the power balance of a hybrid power system in all possible operating conditions. The application of the proposed algorithm in a dual-circuit energy storage device provides 5,7 % reduction in the failure rate of the hybrid power system, increasing the operating life of the batteries by 50 %, more efficient use of renewable energy by 28 % compared with conventional methods of construction of hybrid plants.