Ostrovní systémy výroby elektrické energie a chytré distribuční sítě

Abstract

Samostatné energetické systémy jsou stále více preferovanými možnostmi ve vzdálených a ostrovních lokalitách, kde není technicky možné se připojit k síti. Využití zdrojů větrné a vodní energie pro výrobu energie v oblasti s bohatými zdroji může být nástrojem při podpoře ekologické a čisté výroby energie pro izolované komunity. Nicméně, protože větrná energie podléhá přerušované dodávce, výroba elektřiny nemusí vždy odpovídat poptávce. Pro zajištění konzistentního napájení je nutné skladování energie. Hybridní napájecí systémy nabízejí četné výhody, jako je zvýšená účinnost, spolehlivost a bezpečnost při minimalizaci provozních nákladů. Hlavní překážkou, s níž se potýkají aplikace hybridních energetických systémů, je však splnění požadavků na zatížení v rámci specifikovaných omezení. To vyžaduje účinnou kontrolu a koordinaci každé jednotky na výrobu energie. Zajištění odolnosti systému řízení energie je navíc zásadní, aby se zabránilo výpadkům systému v případech, kdy napájení z energetických zdrojů nestačí k podpoře všech zátěží. Studie podrobně popsala způsob provozu a řízení hybridního energetického systému navrženého pro samostatný provoz. Systém podle této studie se skládá z větrné turbíny, palivového článku, elektrolyzéru, akumulátoru a skupiny zátěží. Navržená strategie řízení má dvouúrovňovou strukturu, přičemž první úrovní je systém energetického managementu a regulace výkonu. Jeho primárním cílem je zajistit, aby byl systém dobře koordinovaný a řízený. Tento systém také zvládá plánování zátěže v reakci na výkyvy větru, a to i v případech, kdy akumulace energie nestačí k zabránění selhání systému. Vytváří dynamické referenční pracovní body pro jednotlivé dílčí systémy na základě převládajících větrných a zátěžových podmínek. Místní regulátory pro větrné turbíny, palivové články, elektrolyzéry a akumulátorové jednotky pak regulují jejich provoz v souladu s těmito referenčními body. Rychlost rotoru větrné turbíny je regulována místním ovladačem pro extrakci referenčního výkonu z kolísavého větru. Vodíkový regulátor a boost konvertor řídí palivový článek, zatímco buck-konvertor řídí elektrolyzér. Pro řízení nabíjení a vybíjení bateriového úložného systému se používá obousměrný DC-DC měnič. Řídicí systém je navržen pomocí softwaru MATLAB Simpower a vyhodnocen za různých podmínek větru a zatížení. Získané výsledky jsou prezentovány a analyzovány.

Stand-alone power systems are increasingly as preferred options in remote and island locations where it is not feasible technically to connect to the grid. Tapping of wind and hydro power resources for energy generation in the area with plentiful sources of can be an instrumental in promoting eco-friendly and clean energy production for isolated communities. Nonetheless, because wind energy is subject to intermittent supply, electricity generation may not always align with demand. To ensure consistent power supply, energy storage is necessary. Hybrid power systems offer numerous advantages such as enhanced efficiency, reliability, and security while minimizing operational costs. However, the major obstacle faced by hybrid power system applications is meeting the load demand within specified constraints. This necessitates the need for effective control and coordination of each energy generation unit. Additionally, ensuring the resilience of the energy management system is crucial to avoid system blackouts during instances where power from energy sources is insufficient to support all loads. The study detailed the operation and control approach for a hybrid power system designed for stand-alone operation. The system under this study comprises of a wind turbine, a fuel cell, an electrolyzer, a battery storage unit, and a group of loads. The proposed control strategy has a two-level structure, with the first level being the energy management and power regulation system. Its primary aim is to ensure that the system is well-coordinated and controlled. This system also manages load scheduling in response to wind fluctuations, even in cases where energy storage is insufficient to prevent system failures. It creates dynamic reference operating points for individual sub-systems based on the prevailing wind and load conditions. Local controllers for wind turbines, fuel cells, electrolyzers, and battery storage units then regulate their operations in accordance with these reference points. The rotor speed of a wind turbine is regulated by the local controller to extract the reference power from the fluctuating wind. The hydrogen regulator and boost converter control the fuel cell, while the buck-converter controls the electrolyzer. To manage the charging and discharging of the battery storage system, a bi-directional DC-DC converter is utilized. The control system is designed with MATLAB Simpower software and evaluated under diverse wind and load conditions. The obtained results are presented and analyzed.