Options for the structure of an autonomous electric power system with a battery of hydrogen fuel cells

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Энергоустановки, использующие водород в качестве топлива, являются весьма перспективными источниками энергии, поскольку принципиально позволяют сочетать высокую энергетическую эффективность с сокращением вредных выбросов в атмосферу. Энергия, получаемая при сжигании одного килограмма угля, составляет 34 МДж/кг, для дизельного топлива этот показатель составляет 43 МДж/кг, а для водорода – 120 МДж/кг [1].

В последние два десятилетия интерес к созданию источников электрической энергии с использованием водородных топливных элементов резко возрос; это направление энергетики активно развивается как в сфере разработки стационарных объектов большой и малой энергетики, так и в транспортной сфере. В частности, для крупных транспортных объектов (судов, подвижного состава железных дорог) разработаны и проходят опытную эксплуатацию водородные источники электрической энергии на уровне мощностей в несколько сотен кВт [2–8].

Для энергообеспечения тяговых и вспомогательных нужд автономного моторвагонного подвижного состава в настоящее время используются преимущественно дизельные первичные источники энергии. Ведутся также перспективные разработки гибридного подвижного состава, где в качестве источников энергии используются тяговая аккумуляторная батарея и водородные источники энергии – топливные элементы (ВТЭ). По технико-экономическим оценкам ведущих мировых компаний-производителей железнодорожного подвижного состава затраты на эксплуатацию, пробег между заправками топливом (около 1000 км) и время заправки при пустых баках (около 15 минут) моторвагонного поезда с ВТЭ практически сопоставимы с аналогичными показателями для дизель-поезда. Однако, затраты на организацию необходимой инфраструктуры для заправки подвижного состава водородом более высокие. Для моторвагонных поездов, привод которых питается от тяговых аккумуляторных батарей, затраты на инфраструктуру ниже. Тем не менее, недостаточно высоки показатели пробега между подзарядками батареи (до 200 км), массы и времени зарядки бортовых систем хранения энергии (30–35 тонн и 45 минут соответственно) [9–12].

При разработке автономных электроэнергетических систем с водородными источниками энергии одной из первых задач, подлежащих решению, является задача обоснования структуры энергосистемы.

СТРУКТУРА АВТОНОМНОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С ВОДОРОДНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ

Рассмотрим автономную электроэнергетическую систему (АЭЭС) транспортного или стационарного исполнения, которая включает в себя основной источник энергии в виде дизель-генераторного агрегата, вырабатывающего энергию трехфазного переменного тока, и вспомогательный источник энергии в виде батареи ВТЭ, вырабатывающий энергию постоянного тока. Потребителями энергии в рассматриваемой системе будут приняты асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (за прототип принят двигатель серии 5А200М4) и статическая нагрузка активно-индуктивного характера. Основные технические характеристики источников и потребителей электрической энергии, входящих в структуру рассматриваемой АЭЭС, представлены в табл. 1.

 

Таблица 1. Характеристики источников и приемников электрической энергии, входящих в состав рассматриваемой АЭЭС

Table 1. Characteristics of sources and receivers of electrical energy that are part of the considered autonomous electric power system

Параметр	Ед.изм.	Величина
Источники энергии
Мощность синхронного генератора	кВт	100
Линейное напряжение синхронного генератора	В	400
Мощность батареи топливных элементов	кВт	100
Выходное напряжение батареи топливных элементов при номинальной мощности	В	400
Потребители энергии
Мощность асинхронного двигателя на валу	кВт	37
КПД асинхронного двигателя	–	0,92
Коэффициент мощности асинхронного двигателя	–	0,85
Мощность статической нагрузки	кВА	30
Коэффициент мощности статической нагрузки	–	0,8

 

Поскольку источники энергии в АЭЭС генерируют энергию разного рода тока, для согласования параметров питания потребителей в составе АЭЭС необходимо использование полупроводниковых преобразователей [13–15]. Варианты структуры АЭЭС с общей шиной постоянного и переменного тока представлены на рис. 1.

 

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

Fig. 1. Block diagram of an autonomous electric power system with a common DC bus (a) and a common AC bus (b).

БТЭ – fuel cells battery; Д-СГ – synchronous diesel generator; ИППН – pulsed DC voltage converter; НВ – uncontrolled rectifier; ИВС – grid-driven inverter; Ф – filter; АИ – autonomous inverter; АД – asynchronous motor; CH – static load

 

Для структурной схемы с общей шиной постоянного тока (рис. 1а) в составе АЭЭС необходимо иметь импульсный преобразователь постоянного напряжения, рассчитанный на номинальную мощность БТЭ (100 кВт), неуправляемый трехфазный выпрямитель, рассчитанный на номинальную мощность синхронного генератора (100 кВт) и автономный инвертор, рассчитанный на суммарную мощность потребителей (при заданных потребителях – 77 кВА) и допускающий 7,5-кратную перегрузку по току при прямом пуске асинхронного двигателя. Фильтр с учетом возможности подключения к общей шине других приемников энергии необходимо рассчитать на суммарную мощность источников энергии (200 кВт).

Для структурной схемы с общей шиной переменного тока (см. рис. 1б) в составе АЭЭС необходимо иметь импульсный преобразователь постоянного напряжения и инвертор, ведомый сетью, рассчитанные на мощность БТЭ (100 кВт). Фильтр необходимо рассчитать на выходную мощность канала БТЭ–ИППН–ИВС (100 кВА).

Таким образом, по количеству и суммарной мощности преобразователей энергии и фильтрующих устройств, структура с общей шиной переменного тока для рассматриваемой системы является более предпочтительной.

ПЕРЕХОДНЫЕ И УСТАНОВИВШИЕСЯ ПРОЦЕССЫ В АВТОНОМНОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ С ВОДОРОДНЫМИ ТОПЛИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

Важным элементом сравнительного анализа вариантов структуры АЭЭС является моделирование и анализ переходных и установившихся процессов в системе. Рассмотрим следующие типовые переходные режимы в АЭЭС с дизель-генератором и батареей ВТЭ: включение статической нагрузки при питании от батареи ВТЭ; прямой пуск асинхронного двигателя при включенной статической нагрузке и питании от ВТЭ; перевод питания статической нагрузки и асинхронного двигателя с дизель-генератора на батарею ВТЭ. В качестве критериев сравнения примем следующие показатели: суммарные потери мощности в полупроводниковых преобразователях; качество и длительность переходных процессов; расход топлива (воздух, водород), пульсации и гармонический состав тока батареи ВТЭ; гармонический состав напряжения общей шины.

Исследование указанных типовых режимов выполнено на имитационной модели, реализованной в пакете MATLAB-Simulink.

Режим включения статической нагрузки при питании от батареи ВТЭ. Графики переходных процессов, возникающих при подключении статической нагрузки к батарее ВТЭ представлены на рис. 2. В табл. 2 представлены результаты моделирования по показателям характера и длительности переходных процессов, суммарным потерям мощности в полупроводниковых преобразователях, амплитуде пульсаций и гармоническому составу тока батареи ВТЭ, а также гармоническому составу напряжения общей шины.

 

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

Fig. 2. Transient processes when connecting a static load to a fuel-cells battery in an autonomous electric power system with a common DC (a) and common AC (b) bus

 

Таблица 2. Результаты моделирования режима включения статической нагрузки

Table 2. Simulation results for static load switching mode

Показатель	АЭЭС с общей шиной постоянного тока	АЭЭС с общей шиной переменного тока
Суммарные потери мощности в преобразователях в установившемся режиме, кВт	0,44	0,23
Длительность переходного процесса*, с	0,2	0,3
Характер переходного процесса*	Апериодический	Апериодический
Средний ток батареи ВТЭ, А	36,9	52,0
Амплитуда пульсаций тока батареи ВТЭ, А	5	5
Коэффициент пульсаций тока батареи ВТЭ	0,135	0,096
Коэффициент гармоник тока батареи ВТЭ (THDI), %	13,01	10,33
Напряжение общей шины, В**	554	566
Коэффициент гармоник напряжения общей шины (THDU)	0,38	5,40

*Примечание: здесь и далее длительность и характер переходного процесса оцениваются по изменению напряжения общей шины.

**Примечание: здесь и далее для общей шины постоянного тока дано значение постоянной составляющей, для общей шины переменного тока – действующее значение основной гармоники (50 Гц).

 

Режим прямого пуска асинхронного двигателя при включенной статической нагрузке и питании от батареи ВТЭ. В рассматриваемом режиме совместно с включенной статической нагрузкой (S = 30 кВА, cosφ = 0,8) к батарее ВТЭ путем прямого пуска подключается асинхронный двигатель с нагрузкой на валу в виде турбомеханизма. Нагрузка на валу асинхронного двигателя описывается зависимостью:

$M_C=M_{C.0}+K{(n_M/n_{ном})}^2$,

где М_С0 – начальный (при нулевой скорости вращения) статический момент сопротивления исполнительного механизма (М_С0 = 50 Нм); К – статический момент сопротивления исполнительного механизма при вращении (К = 200 Нм); n_м, n_ном – текущее и номинальное значения частоты вращения ротора асинхронного двигателя (n_ном = 1467 об/мин).

Графики переходных процессов, возникающих в рассматриваемых АЭЭС при прямом пуске асинхронного двигателя, представлены на рис. 3. В табл. 3 представлены результаты моделирования по ряду важных показателей.

 

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

Fig. 3. Transient processes in an autonomous electric power system with a DC common bus (a) and AC common bus (b) with direct start of an asynchronous motor and a working static load.

 

Таблица 3. Результаты моделирования режима прямого пуска асинхронного двигателя с нагрузкой на валу при включенной статической нагрузке

Table 3. Results of modeling the direct start mode of an asynchronous motor with a load on the shaft and a static load turned on

Показатель	АЭЭС с общей шиной постоянного тока	АЭЭС с общей шиной переменного тока
Суммарные потери мощности в преобразователях в установившемся режиме, кВт	0,115	0,075
Длительность переходного процесса, с	0,8	1,5
Характер переходного процесса	Апериодический	Апериодический
Амплитуда пульсаций тока батареи ВТЭ, А	5	5
Коэффициент пульсаций тока батареи ВТЭ	0,035	0,034
Коэффициент гармоник тока батареи ВТЭ (THDI), %	9,91	7,98
Коэффициент гармоник напряжения общей шины (THDU)	4,62	4,59
Провал напряжения общей шины при пуске двигателя, %	4,6	8,3

 

Режим перевода питания статической нагрузки и асинхронного двигателя с синхронного дизель-генератора на батарею ВТЭ. Статическая нагрузка и асинхронный двигатель включены и работают в установившемся режиме с номинальными мощностями. Питание нагрузок переводится с синхронного дизель-генератора на батарею ВТЭ в три этапа: на первом этапе нагрузки питает только дизель-генератор, на втором этапе осуществляется совместное питание нагрузок от дизель-генератора и батареи ВТЭ, на третьем этапе нагрузки получают питание только от батареи ВТЭ (дизель-генератор отключен). Графики переходных и установившихся процессов в рассматриваемом режиме представлены на рис. 4. В табл. 4 представлены результаты моделирования; показатели приведены для второго этапа, когда питание потребителей осуществляется при совместной работе дизель-генератора и батареи ВТЭ.

 

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.

Fig. 4. Transient processes in an autonomous electric power system with a DC common bus (a) and AC common bus (b) when transferring power of a static load and an asynchronous motor from a diesel generator to a fuel-cells battery

 

Таблица 4. Результаты моделирования режима перевода питания статической нагрузки и асинхронного двигателя

Table 4. Results of modeling the power transfer mode of a static load and an asynchronous motor

Показатель	АЭЭС с общей шиной постоянного тока	АЭЭС с общей шиной переменного тока
Суммарные потери мощности в преобразователях в установившемся режиме, кВт	0,166	0,066
Длительность переходного процесса, с	0,5	0,4
Характер переходного процесса	Колебательный	Колебательный
Средний ток батареи ВТЭ, А	56,26	55,06
Амплитуда пульсаций тока батареи ВТЭ, А	7,5	7,6
Коэффициент пульсаций тока батареи ВТЭ	0,133	0,138
Коэффициент гармоник тока батареи ВТЭ (THDI), %	13,37	13,13
Напряжение общей шины, В*	608,8	563,4
Коэффициент гармоник напряжения общей шины (THDU), %	0,37	4,10

 

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Моделирование переходных и установившихся процессов в АЭЭС показало, что батарея ВТЭ характеризуется достаточно быстрым откликом на изменение нагрузки: при скачкообразных колебаниях мощности потребителей время отклика не превышает нескольких десятых долей секунды. Батарея ВТЭ характеризуется относительно стабильным КПД, который изменяется в диапазоне η = 0,57…0,62 при изменении мощности потребителей более чем в два раза. В процессе пуска и разбега асинхронного двигателя КПД батареи ВТЭ может кратковременно (на время разбега) уменьшаться до η = 0,50…0,52. Значения КПД батареи ВТЭ в установившихся режимах представлены в табл. 5.

 

Таблица 5. КПД батареи ВТЭ в установившихся режимах.

Table 5. The efficiency of a fuel-cell battery in a static modes.

Режим	ОШ постоянного тока		ОШ переменного тока
	Мощность нагрузки ВТЭ, кВт	КПД батареи	Мощность нагрузки ВТЭ, кВт	КПД батареи
1	24	0,62	24	0,62
2	40	0,58	40	0,58
3	64	0,57	64	0,57

 

Переменная составляющая тока батареи ВТЭ представлена высокочастотными гармониками: первая – 10 кГц. Коэффициент гармоник тока батареи ВТЭ мало меняется при изменении величины нагрузки. Относительное значение амплитуд гармоник переменной составляющей тока батареи ВТЭ в процентах от постоянной составляющей тока и коэффициент гармоник для установившихся процессов рассматриваемых режимов работы АЭЭС представлены в табл. 6.

 

Таблица 6. Относительные значения амплитуд гармоник тока батареи ВТЭ (общая шина постоянного/переменного тока)

Table 6. Relative values of harmonic amplitudes of the fuel-cell battery current (common DC/AC bus)

Режим	Порядок гармоники тока батареи ВТЭ				THDI
	1 (10 кГц)	2 (20 кГц)	3 (30 кГц)	4 (40 кГц)
1	11,5	5,0	2,75	1,5	13,01
	9,25	4,0	2,0	1,0	10,33
2	4,24	1,67	0,70	0,21	4,62
	4,25	1,59	0,57	0,09	4,59
3	12,5	4,5	1,5	0,25	13,37
	12,25	4,5	1,75	0,1	13,13

 

Характер переходных процессов в АЭЭС в рассмотренных режимах удовлетворительный: апериодический или малоколебательный. Длительность переходных процессов для режимов 1 и 3 не превышает нескольких десятых долей секунды, для режима 2 (прямой пуск асинхронного двигателя) – определяется временем разбега двигателя, по окончании которого все величины стабилизируются в течение 0,5 с.

По количеству полупроводниковых преобразователей и фильтрующих устройств, а также по их суммарной расчетной мощности АЭЭС с общей шиной переменного тока является более предпочтительной для питания заданных потребителей. Наиболее рациональная структура АЭЭС должна быть установлена в каждом конкретном случае, исходя из соотношения мощностей и функционального назначения источников и потребителей энергии. Если основной (наиболее мощный) источник энергии представляет собой источник переменного тока, а вспомогательный источник (менее мощный) – источник постоянного тока, тогда предпочтение следует отдать АЭЭС с общей шиной переменного тока. Также целесообразной будет структура с общей шиной переменного тока, если основные потребители энергии являются потребителями переменного тока постоянной частоты (например, статические нагрузки и нерегулируемые асинхронные электроприводы). АЭЭС с общей шиной постоянного тока целесообразна в тех случаях, когда батарея ВТЭ является основным источником энергии, а синхронный дизель-генератор выполняет вспомогательные функции, и основными потребителями энергии являются потребители постоянного тока или потребители переменного тока регулируемой частоты (например, асинхронные электроприводы с частотным управлением).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение батарей ВТЭ в качестве вспомогательных или основных источников энергии в составе АЭЭС позволяет обеспечивать электрической энергией потребители во всех типовых режимах работы, оптимизировать режим нагрузки дизель-генератора, сократить его вредные выбросы в атмосферу и при необходимости выводить дизель-генератор из работы, например, для профилактического осмотра или технического обслуживания.

Батарея ВТЭ как источник энергии характеризуется быстрым откликом на резкое изменение нагрузки и относительно стабильным КПД. Переходные процессы в АЭЭС при использовании БТЭ имеют удовлетворительное качество и быстро затухают. Качество электрической энергии, которой снабжаются потребители, определяется алгоритмами управления полупроводниковыми преобразователями и параметрами фильтрующих устройств в составе энергосистемы.

Оптимальный вариант структуры АЭЭС необходимо устанавливать, исходя из мощности и функционального назначения источников энергии, а также требований по энергообеспечению потребителей. Для энергообеспечения типовых потребителей переменного тока неизменной частоты более предпочтительным вариантом структуры АЭЭС является структура с общей шиной переменного тока, т.к. она требует меньшего количества и меньшей суммарной расчетной мощности полупроводниковых преобразователей энергии.

Авторы заявляют что:

1. У них нет конфликта интересов;
2. Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.

The authors state that:

1. They have no conflict of interest.
2. This article does not contain any studies involving human subjects.

About the authors

Ivan D. Karabadzhak

Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University

Author for correspondence.
Email: iwan.karabajack@yandex.ru
SPIN-code: 4353-5098

engineer, post-graduate student

Russian Federation, St. Petersburg

Victor V. Nikitin

Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University

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

Dr. Sci (Tech.), Associate Professor

Russian Federation, St. Petersburg

References

Supplementary files