Управление в целях обеспечения балансовой надежности электроснабжения на основе солнечной генерации с водородным аккумулированием энергии
Ключевые слова:
водородный накопитель, балансировка мощности, управление, автономное энергоснабжение, фотоэлектрическая генерация, имитационное моделирование, балансовая надежность
Аннотация
Проблема автономного энергоснабжения удалённых объектов народного хозяйства характерна для стран с большой территорией и низкой плотностью населения. Представлена разработка имитационной модели проекта автономного электроснабжения на базе фотоэлектрической солнечной генерации в качестве основного источника энергии и гибридного накопителя энергии, состоящего из литий-ионной аккумуляторной батареи и водородного накопителя энергии с хранением в виде сжатого газа. Моделирование выполнено в Matlab Simulink с использованием библиотеки мультифизического моделирования Simscape. Приведены методика, программная реализация и результаты имитационного моделирования.
Литература
1. Kreps B.H. The Rising Costs of Fossil‐fuel Extraction: an Energy Crisis that Will Not Go Away // American J. Economics and Sociology. 2020. V. 79(3). Pp. 695—717.
2. Asif M., Muneer T. Energy Supply, Its Demand and Security Issues for Developed and Emerging Economies // Renewable and Sustainable Energy Rev. 2007. V. 11(7). Pp. 1388—1413.
3. Lamb W. F. e. a. A Review of Trends and Drivers of Greenhouse Gas Emissions by Sector from 1990 to 2018 // Environmental Research Lett. 2021. V. 16(7). P. 073005.
4. Falkner R. The Paris Agreement and the New Logic of International Climate Politics // Intern. Affairs. 2016. V. 92(5). Pp. 1107—1125.
5. Yakubson K.I. Prospects for Production and Use of Hydrogen as One of Directions of the Development of Low-carbon Economy in the Russian Federation // Russian J. Applied Chem. 2020. V. 93. Pp. 1775—1795.
6. Babatunde O.M., Munda J.L., Hamam Y. A Comprehensive State‐of‐the‐art Survey on Power Generation Expansion Planning with Intermittent Renewable Energy Source and Energy Storage // Intern. J. Energy Research. 2019. V. 43(12). Pp. 6078—6107.
7. Bragg‐Sitton S. M. e. a. Reimagining Future Energy Systems: Overview of the US Program to Maximize Energy Utilization via Integrated Nuclear‐renewable Energy Systems // Intern. J. Energy Research. 2020. V. 44(10). Pp. 8156—8169.
8. Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2035 г. [Офиц. сайт] http://static.government.ru/ (дата обращения 01.03.2023).
9. Dunikov D.O. Russia's View on Development of Novel and Renewable Energy Sources, Including Hydrogen Energy // Intern. J. Hydrogen Energy. 2015. V. 4(40). Pp. 2062—2063.
10. Концепция развития водородной энергетики в Российской Федерации [Офиц. сайт] http://static.government.ru/media/files/5JFns1CDAKqYKzZ0mnRADAw2NqcVsexl.pdf (дата обращения 01.03.2023).
11. Alam M. e. a. Renewable Sources Based DC Microgrid Using Hydrogen Energy Storage: Modelling and Experimental Analysis // Sustainable Energy Technol. and Assessments. 2020. V. 42. P. 100840.
12. Vivas F.J. e. a. Multi-objective Fuzzy Logic-based Energy Management System for Microgrids with Battery and Hydrogen Energy Storage System // Electronics. 2020. V. 9(7). P. 1074.
13. Dawood F., Shafiullah G.M., Anda M. Stand-alone Microgrid with 100% Renewable Energy: a Case Study with Hybrid Solar PV-battery-hydrogen // Sustainability. 2020. V. 12(5). P. 2047.
14. Möller M.C., Krauter S. Hybrid Energy System Model in Matlab/Simulink Based on Solar Energy, Lithium-ion Battery and Hydrogen // Energies. 2022. V. 15(6). P. 2201.
15. Павлов А.А. и др. О-75 Основы системного анализа и проектирования АСУ. Киев: Выща школа, 1991.
16. NACA. The Power Project https://power.larc.nasa.gov/ [Электрон. ресурс] (дата обращения 15.07.2022).
17. Шведов Г.В., Шестопалова Т.А. Системы электроснабжения. М.: Изд-во МЭИ, 2018.
18. PV Array MATLAB Documentation [Электрон. ресурс] https://www.mathworks.com/help/sps/powersys/ref/pvarray.html (дата обращения 01.12.2022).
19. Bellini A. e. a. Simplified Model of a Photovoltaic Module // Proc. Appl. Electronic. 2009. Pp. 47—51.
20. Battery MATLAB Documentation [Электрон. ресурс] https://www.mathworks.com/help/sps/ref/battery.html?searchHighlight=battery&s_tid=srchtitle_battery_2 (дата обращения 27.08.2022).
21. Кулешов Н.В. и др. Водородная энергетика. М.: Изд-во МЭИ, 2021.
22. Gas Properties MATLAB Documentation [Электрон. ресурс] https://www.mathworks.com/help/simscape/ref/gaspropertiesg.html?s_tid=doc_ta (дата обращения 09.05.2022).
23. Controlled Mass Flow Rate Source MATLAB Documentation [Электрон. ресурс] https://www.mathworks.com/help/simscape/ref/controlledmassflowratesourceg.html (дата обращения 01.05.2022).
24. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. М.: Энергия, 1974.
25. Constant Volume Chamber MATLAB Documentation [Электрон. ресурс] https://www.mathworks.com/help/simscape/ref/constantvolumechamberg.html?s_tid=doc_ta (дата обращения 01.05.2022).
26. Convective Heat Transfer MATLAB Documentation [Электрон. ресурс] https://www.mathworks.com/help/simscape/ref/convectiveheattransfer.html?s_tid=doc_ta (дата обращения 04.11.2022).
27. Молотов И.М. и др. Моделирование технологического процесса водородного аккумулирования энергии // Математические методы в технологиях и технике. 2022. № 8. С. 15—21.
---
Для цитирования: Молотов И.М., Счастливцев А.И., Дуников Д.О., Масленникова М.Р., Мезин С.В., Проталинский О.М. Управление в целях обеспечения балансовой надежности электроснабжения на основе солнечной генерации с водородным аккумулированием энергии // Вестник МЭИ. 2023. № 5. С. 169—181. DOI: 10.24160/1993-6982-2023-5-169-181
---
Работа выполнена в рамках проекта «Имитационное моделирование электростанции на основе возобновляемых источников энергии с водородно-воздушным аккумулированием энергии» при поддержке гранта НИУ «МЭИ» на реализацию программы научных исследований «Приоритет 2030: Технологии будущего» в 2022 — 2024 гг
#
1. Kreps B.H. The Rising Costs of Fossil‐fuel Extraction: an Energy Crisis that Will Not Go Away. American J. Economics and Sociology. 2020;79(3):695—717.
2. Asif M., Muneer T. Energy Supply, Its Demand and Security Issues for Developed and Emerging Economies. Renewable and Sustainable Energy Rev. 2007;11(7):1388—1413.
3. Lamb W. F. e. a. A Review of Trends and Drivers of Greenhouse Gas Emissions by Sector from 1990 to 2018. Environmental Research Lett. 2021;16(7):073005.
4. Falkner R. The Paris Agreement and the New Logic of International Climate Politics. Intern. Affairs. 2016;92(5):1107—1125.
5. Yakubson K.I. Prospects for Production and Use of Hydrogen as One of Directions of the Development of Low-carbon Economy in the Russian Federation. Russian J. Applied Chem. 2020;93:1775—1795.
6. Babatunde O.M., Munda J.L., Hamam Y. A Comprehensive State‐of‐the‐art Survey on Power Generation Expansion Planning with Intermittent Renewable Energy Source and Energy Storage. Intern. J. Energy Research. 2019;43(12):6078—6107.
7. Bragg‐Sitton S. M. e. a. Reimagining Future Energy Systems: Overview of the US Program to Maximize Energy Utilization via Integrated Nuclear‐renewable Energy Systems. Intern. J. Energy Research. 2020;44(10):8156—8169.
8. Energeticheskaya Strategiya Rossiyskoy Federatsii na Period do 2035 g. [Ofits. Sayt] http://static.government.ru/ (Data Obrashcheniya 01.03.2023). (in Russian).
9. Dunikov D.O. Russia's View on Development of Novel and Renewable Energy Sources, Including Hydrogen Energy // Intern. J. Hydrogen Energy. 2015;4(40):2062—2063.
10. Kontseptsiya Razvitiya Vodorodnoy Energetiki v Rossiyskoy Federatsii [Ofits. Sayt] http://static.government.ru/media/files/5JFns1CDAKqYKzZ0mnRADAw2NqcVsexl.pdf (Data Obrashcheniya 01.03.2023). (in Russian).
11. Alam M. e. a. Renewable Sources Based DC Microgrid Using Hydrogen Energy Storage: Modelling and Experimental Analysis. Sustainable Energy Technol. and Assessments. 2020;42:100840.
12. Vivas F.J. e. a. Multi-objective Fuzzy Logic-based Energy Management System for Microgrids with Battery and Hydrogen Energy Storage System. Electronics. 2020;9(7):1074.
13. Dawood F., Shafiullah G.M., Anda M. Stand-alone Microgrid with 100% Renewable Energy: a Case Study with Hybrid Solar PV-battery-hydrogen. Sustainability. 2020;12(5):2047.
14. Möller M.C., Krauter S. Hybrid Energy System Model in Matlab/Simulink Based on Solar Energy, Lithium-ion Battery and Hydrogen. Energies. 2022;15(6):2201.
15. Pavlov A.A. i dr. O-75 Osnovy Sistemnogo Analiza i Proektirovaniya ASU. Kiev: Vyshcha Shkola, 1991. (in Russian).
16. NACA. The Power Project https://power.larc.nasa.gov/ [Elektron. Resurs] (Data Obrashcheniya 15.07.2022).
17. Shvedov G.V., Shestopalova T.A. Sistemy Elektrosnabzheniya. M.: Izd-vo MEI, 2018. (in Russian).
18. PV Array MATLAB Documentation [Elektron. Resurs] https://www.mathworks.com/help/sps/powersys/ref/pvarray.html (Data Obrashcheniya 01.12.2022).
19. Bellini A. e. a. Simplified Model of a Photovoltaic Module. Proc. Appl. Electronic. 2009:47—51.
20. Battery MATLAB Documentation [Elektron. Resurs] https://www.mathworks.com/help/sps/ref/battery.html?searchHighlight=battery&s_tid=srchtitle_battery_2 (Data Obrashcheniya 27.08.2022).
21. Kuleshov N.V. i dr. Vodorodnaya Energetika. M.: Izd-vo MEI, 2021. (in Russian).
22. Gas Properties MATLAB Documentation [Elektron. Resurs] https://www.mathworks.com/help/simscape/ref/gaspropertiesg.html?s_tid=doc_ta (Data Obrashcheniya 09.05.2022).
23. Controlled Mass Flow Rate Source MATLAB Documentation [Elektron. Resurs] https://www.mathworks.com/help/simscape/ref/controlledmassflowratesourceg.html (Data Obrashcheniya 01.05.2022).
24. Kirillin V.A., Sychev V.V., Sheyndlin A.E. Tekhnicheskaya Termodinamika. M.: Energiya, 1974. (in Russian).
25. Constant Volume Chamber MATLAB Documentation [Elektron. Resurs] https://www.mathworks.com/help/simscape/ref/constantvolumechamberg.html?s_tid=doc_ta (Data Obrashcheniya 01.05.2022).
26. Convective Heat Transfer MATLAB Documentation [Elektron. Resurs] https://www.mathworks.com/help/simscape/ref/convectiveheattransfer.html?s_tid=doc_ta (Data Obrashcheniya 04.11.2022).
27. Molotov I.M. i dr. Modelirovanie Tekhnologicheskogo Protsessa Vodorodnogo Akkumulirovaniya Energii. Matematicheskie Metody v Tekhnologiyakh i Tekhnike;2022;8:15—21. (in Russian)
---
For citation: Molotov I.M., Schastlivtsev A.I., Dunikov D.O., Maslennikova M.R., Mezin S.V., Protalinsky O.M. Control to Ensure the Balance Reliability of Power Supply Based on Solar Generation with Hydrogen Energy Storage. Bulletin of MPEI. 2023;5:169—181. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2023-5-169-181
---
The work is executed within the Framework of the Project «Simulation Modeling of a Power Plant Based on Renewable Energy Sources with Hydrogen-air Energy Storage» with the Support of a Grant from the National Research University «MPEI» for the Implementation of the Research Program «Priority 2030: Technologies of the Future» in 2022 — 2024
2. Asif M., Muneer T. Energy Supply, Its Demand and Security Issues for Developed and Emerging Economies // Renewable and Sustainable Energy Rev. 2007. V. 11(7). Pp. 1388—1413.
3. Lamb W. F. e. a. A Review of Trends and Drivers of Greenhouse Gas Emissions by Sector from 1990 to 2018 // Environmental Research Lett. 2021. V. 16(7). P. 073005.
4. Falkner R. The Paris Agreement and the New Logic of International Climate Politics // Intern. Affairs. 2016. V. 92(5). Pp. 1107—1125.
5. Yakubson K.I. Prospects for Production and Use of Hydrogen as One of Directions of the Development of Low-carbon Economy in the Russian Federation // Russian J. Applied Chem. 2020. V. 93. Pp. 1775—1795.
6. Babatunde O.M., Munda J.L., Hamam Y. A Comprehensive State‐of‐the‐art Survey on Power Generation Expansion Planning with Intermittent Renewable Energy Source and Energy Storage // Intern. J. Energy Research. 2019. V. 43(12). Pp. 6078—6107.
7. Bragg‐Sitton S. M. e. a. Reimagining Future Energy Systems: Overview of the US Program to Maximize Energy Utilization via Integrated Nuclear‐renewable Energy Systems // Intern. J. Energy Research. 2020. V. 44(10). Pp. 8156—8169.
8. Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2035 г. [Офиц. сайт] http://static.government.ru/ (дата обращения 01.03.2023).
9. Dunikov D.O. Russia's View on Development of Novel and Renewable Energy Sources, Including Hydrogen Energy // Intern. J. Hydrogen Energy. 2015. V. 4(40). Pp. 2062—2063.
10. Концепция развития водородной энергетики в Российской Федерации [Офиц. сайт] http://static.government.ru/media/files/5JFns1CDAKqYKzZ0mnRADAw2NqcVsexl.pdf (дата обращения 01.03.2023).
11. Alam M. e. a. Renewable Sources Based DC Microgrid Using Hydrogen Energy Storage: Modelling and Experimental Analysis // Sustainable Energy Technol. and Assessments. 2020. V. 42. P. 100840.
12. Vivas F.J. e. a. Multi-objective Fuzzy Logic-based Energy Management System for Microgrids with Battery and Hydrogen Energy Storage System // Electronics. 2020. V. 9(7). P. 1074.
13. Dawood F., Shafiullah G.M., Anda M. Stand-alone Microgrid with 100% Renewable Energy: a Case Study with Hybrid Solar PV-battery-hydrogen // Sustainability. 2020. V. 12(5). P. 2047.
14. Möller M.C., Krauter S. Hybrid Energy System Model in Matlab/Simulink Based on Solar Energy, Lithium-ion Battery and Hydrogen // Energies. 2022. V. 15(6). P. 2201.
15. Павлов А.А. и др. О-75 Основы системного анализа и проектирования АСУ. Киев: Выща школа, 1991.
16. NACA. The Power Project https://power.larc.nasa.gov/ [Электрон. ресурс] (дата обращения 15.07.2022).
17. Шведов Г.В., Шестопалова Т.А. Системы электроснабжения. М.: Изд-во МЭИ, 2018.
18. PV Array MATLAB Documentation [Электрон. ресурс] https://www.mathworks.com/help/sps/powersys/ref/pvarray.html (дата обращения 01.12.2022).
19. Bellini A. e. a. Simplified Model of a Photovoltaic Module // Proc. Appl. Electronic. 2009. Pp. 47—51.
20. Battery MATLAB Documentation [Электрон. ресурс] https://www.mathworks.com/help/sps/ref/battery.html?searchHighlight=battery&s_tid=srchtitle_battery_2 (дата обращения 27.08.2022).
21. Кулешов Н.В. и др. Водородная энергетика. М.: Изд-во МЭИ, 2021.
22. Gas Properties MATLAB Documentation [Электрон. ресурс] https://www.mathworks.com/help/simscape/ref/gaspropertiesg.html?s_tid=doc_ta (дата обращения 09.05.2022).
23. Controlled Mass Flow Rate Source MATLAB Documentation [Электрон. ресурс] https://www.mathworks.com/help/simscape/ref/controlledmassflowratesourceg.html (дата обращения 01.05.2022).
24. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. М.: Энергия, 1974.
25. Constant Volume Chamber MATLAB Documentation [Электрон. ресурс] https://www.mathworks.com/help/simscape/ref/constantvolumechamberg.html?s_tid=doc_ta (дата обращения 01.05.2022).
26. Convective Heat Transfer MATLAB Documentation [Электрон. ресурс] https://www.mathworks.com/help/simscape/ref/convectiveheattransfer.html?s_tid=doc_ta (дата обращения 04.11.2022).
27. Молотов И.М. и др. Моделирование технологического процесса водородного аккумулирования энергии // Математические методы в технологиях и технике. 2022. № 8. С. 15—21.
---
Для цитирования: Молотов И.М., Счастливцев А.И., Дуников Д.О., Масленникова М.Р., Мезин С.В., Проталинский О.М. Управление в целях обеспечения балансовой надежности электроснабжения на основе солнечной генерации с водородным аккумулированием энергии // Вестник МЭИ. 2023. № 5. С. 169—181. DOI: 10.24160/1993-6982-2023-5-169-181
---
Работа выполнена в рамках проекта «Имитационное моделирование электростанции на основе возобновляемых источников энергии с водородно-воздушным аккумулированием энергии» при поддержке гранта НИУ «МЭИ» на реализацию программы научных исследований «Приоритет 2030: Технологии будущего» в 2022 — 2024 гг
#
1. Kreps B.H. The Rising Costs of Fossil‐fuel Extraction: an Energy Crisis that Will Not Go Away. American J. Economics and Sociology. 2020;79(3):695—717.
2. Asif M., Muneer T. Energy Supply, Its Demand and Security Issues for Developed and Emerging Economies. Renewable and Sustainable Energy Rev. 2007;11(7):1388—1413.
3. Lamb W. F. e. a. A Review of Trends and Drivers of Greenhouse Gas Emissions by Sector from 1990 to 2018. Environmental Research Lett. 2021;16(7):073005.
4. Falkner R. The Paris Agreement and the New Logic of International Climate Politics. Intern. Affairs. 2016;92(5):1107—1125.
5. Yakubson K.I. Prospects for Production and Use of Hydrogen as One of Directions of the Development of Low-carbon Economy in the Russian Federation. Russian J. Applied Chem. 2020;93:1775—1795.
6. Babatunde O.M., Munda J.L., Hamam Y. A Comprehensive State‐of‐the‐art Survey on Power Generation Expansion Planning with Intermittent Renewable Energy Source and Energy Storage. Intern. J. Energy Research. 2019;43(12):6078—6107.
7. Bragg‐Sitton S. M. e. a. Reimagining Future Energy Systems: Overview of the US Program to Maximize Energy Utilization via Integrated Nuclear‐renewable Energy Systems. Intern. J. Energy Research. 2020;44(10):8156—8169.
8. Energeticheskaya Strategiya Rossiyskoy Federatsii na Period do 2035 g. [Ofits. Sayt] http://static.government.ru/ (Data Obrashcheniya 01.03.2023). (in Russian).
9. Dunikov D.O. Russia's View on Development of Novel and Renewable Energy Sources, Including Hydrogen Energy // Intern. J. Hydrogen Energy. 2015;4(40):2062—2063.
10. Kontseptsiya Razvitiya Vodorodnoy Energetiki v Rossiyskoy Federatsii [Ofits. Sayt] http://static.government.ru/media/files/5JFns1CDAKqYKzZ0mnRADAw2NqcVsexl.pdf (Data Obrashcheniya 01.03.2023). (in Russian).
11. Alam M. e. a. Renewable Sources Based DC Microgrid Using Hydrogen Energy Storage: Modelling and Experimental Analysis. Sustainable Energy Technol. and Assessments. 2020;42:100840.
12. Vivas F.J. e. a. Multi-objective Fuzzy Logic-based Energy Management System for Microgrids with Battery and Hydrogen Energy Storage System. Electronics. 2020;9(7):1074.
13. Dawood F., Shafiullah G.M., Anda M. Stand-alone Microgrid with 100% Renewable Energy: a Case Study with Hybrid Solar PV-battery-hydrogen. Sustainability. 2020;12(5):2047.
14. Möller M.C., Krauter S. Hybrid Energy System Model in Matlab/Simulink Based on Solar Energy, Lithium-ion Battery and Hydrogen. Energies. 2022;15(6):2201.
15. Pavlov A.A. i dr. O-75 Osnovy Sistemnogo Analiza i Proektirovaniya ASU. Kiev: Vyshcha Shkola, 1991. (in Russian).
16. NACA. The Power Project https://power.larc.nasa.gov/ [Elektron. Resurs] (Data Obrashcheniya 15.07.2022).
17. Shvedov G.V., Shestopalova T.A. Sistemy Elektrosnabzheniya. M.: Izd-vo MEI, 2018. (in Russian).
18. PV Array MATLAB Documentation [Elektron. Resurs] https://www.mathworks.com/help/sps/powersys/ref/pvarray.html (Data Obrashcheniya 01.12.2022).
19. Bellini A. e. a. Simplified Model of a Photovoltaic Module. Proc. Appl. Electronic. 2009:47—51.
20. Battery MATLAB Documentation [Elektron. Resurs] https://www.mathworks.com/help/sps/ref/battery.html?searchHighlight=battery&s_tid=srchtitle_battery_2 (Data Obrashcheniya 27.08.2022).
21. Kuleshov N.V. i dr. Vodorodnaya Energetika. M.: Izd-vo MEI, 2021. (in Russian).
22. Gas Properties MATLAB Documentation [Elektron. Resurs] https://www.mathworks.com/help/simscape/ref/gaspropertiesg.html?s_tid=doc_ta (Data Obrashcheniya 09.05.2022).
23. Controlled Mass Flow Rate Source MATLAB Documentation [Elektron. Resurs] https://www.mathworks.com/help/simscape/ref/controlledmassflowratesourceg.html (Data Obrashcheniya 01.05.2022).
24. Kirillin V.A., Sychev V.V., Sheyndlin A.E. Tekhnicheskaya Termodinamika. M.: Energiya, 1974. (in Russian).
25. Constant Volume Chamber MATLAB Documentation [Elektron. Resurs] https://www.mathworks.com/help/simscape/ref/constantvolumechamberg.html?s_tid=doc_ta (Data Obrashcheniya 01.05.2022).
26. Convective Heat Transfer MATLAB Documentation [Elektron. Resurs] https://www.mathworks.com/help/simscape/ref/convectiveheattransfer.html?s_tid=doc_ta (Data Obrashcheniya 04.11.2022).
27. Molotov I.M. i dr. Modelirovanie Tekhnologicheskogo Protsessa Vodorodnogo Akkumulirovaniya Energii. Matematicheskie Metody v Tekhnologiyakh i Tekhnike;2022;8:15—21. (in Russian)
---
For citation: Molotov I.M., Schastlivtsev A.I., Dunikov D.O., Maslennikova M.R., Mezin S.V., Protalinsky O.M. Control to Ensure the Balance Reliability of Power Supply Based on Solar Generation with Hydrogen Energy Storage. Bulletin of MPEI. 2023;5:169—181. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2023-5-169-181
---
The work is executed within the Framework of the Project «Simulation Modeling of a Power Plant Based on Renewable Energy Sources with Hydrogen-air Energy Storage» with the Support of a Grant from the National Research University «MPEI» for the Implementation of the Research Program «Priority 2030: Technologies of the Future» in 2022 — 2024
Опубликован
2023-06-06
Выпуск
Раздел
Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические науки) (2.3.3)
