Применение преобразователей на постоянном и переменном токе в автономных системах электроснабжения на основе ветрогенераторов в условиях арктического шельфа

Месторождения полезных ископаемых арктического шельфа территориально рассредоточены, удалены от централизованных источников электрической энергии и требуют для разработки автономные источники электроэнергии, не зависящие от поставок топлива, такие как ветрогенераторы или солнечные генераторы. В свою очередь, для повышения эффективности использования установок генерации электроэнергии на возобновляемых источниках необходимо применять современные преобразователи электроэнергии для достижения максимального КПД. С целью обеспечения непрерывной работы генерирующих установок совместно с централизованной сетью необходимо обеспечить полную и мгновенную синхронизацию. Исследования проводились на основе статистических данных по генерации электроэнергии за счет ветряных турбин, а также метода контурных токов и узловых потенциалов для схем DC-DC и DC-AC-преобразователей. Для подтверждения результатов исследования проведено математическое и компьютерное имитационное моделирование бестрансформаторного DC-DC-преобразователя и разработаны системы управления для обеспечения синхронизации автономной энергосистемы на основе возобновляемых источников энергии с единой энергетической системой. Результаты моделирования показали эффективное применение DC-DC-преобразователей и DC-AC-преобразователей для обеспечения заданного уровня напряжения и синхронизации по фазе ветрогенераторной установки автономной системы электроснабжения с единой энергетической системой.

Зимин Р. Ю., Сержан С. Л., Малеванный Д. В. Применение преобразователей на постоянном и переменном токе в автономных системах электроснабжения на основе ветрогенераторов в условиях арктического шельфа // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2024. – № 6. – С. 69–87. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_ 6_0_69.

Зимин Роман Юрьевич¹ — канд. техн. наук, ассистент, e-mail: Zimin_RYu@pers.spmi.ru, ORCID ID: 0000-0002-0498-8904,
Сержан Сергей Леонидович¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: Serzhan_SL@pers.spmi.ru, ORCID ID: 0000-0002-2248-9156,
Малеванный Дмитрий Владимирович¹ — аспирант, e-mail: s215051@stud.spmi.ru, ORCID ID: 0000-0002-8597-8002,
¹ Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II.

Зимин Р.Ю., e-mail: Zimin_RYu@pers.spmi.ru.

1. Сержан С. Л., Малеванный Д. В., Федоров Е. В., Дадаян Л. М. Перспективы применения добычного комплекса с капсулой в условиях добычи шельфовых железомарганцевых конкреций Российской Федерации // Горное оборудование и электромеханика. — 2022. — № 4 (162). — С. 3—11. DOI: 10.26730/1816-4528-2022-4-3-11.

2. Abdelfatah A., Mostafa S., Hatem F. S. Optimal operational planning of RES and HESS in smart grids considering demand response and DSTATCOM functionality of the interfacing inverters // Sustainability. 2022, vol. 14, no. 20, article 13209. DOI: 10.3390/su142013209.

3. Nor Hanisah Baharudin, Tunku Muhammad Nizar Tunku Mansur, Fairuz Abdul Hamid, Rosnazri Ali, Muhammad Irwanto Misrun.Topologies of DC-DC converter in solar PV applications // Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science. 2017, vol. 8, no. 2, pp. 368—374. DOI: 10.11591/ijeecs.v8.i2.pp368-374.

4. Subir Karmakar, Nidhi Mishra, Bhim Singh FFS modulated VSC with different phaseshifted 12-pulse configured transformers for grid integrated large-scale solar PV plant // Renewable Power Generation. 2021, vol. 14, no. 1, pp. 1746—1754. DOI: 10.1049/iet-rpg.2019.0970.

5. Seyed Milad Hosseinikavkani, Reza Sedaghati, Amir Ghaedi A novel topology of nonisolated DC-DC high step up converters for solar PV power plants // Journal of Integrated Circuits and Systems. 2022, vol. 17, no. 2, pp. 1—6. DOI: 10.29292/jics.v17i2.604.

6. Anwar Al Omar, Pat Wheeler, Pericle Zanchetta, Claudio Burgos-Mellado A fixed frequency fullbridge three-level DC-DC LCL-type series resonant converter for large scale solar PV plants applications / European Conference on Power Electronics and Applications. 2021. DOI: 10.23919/EPE21ECCEEurope50061.2021.957070715.

7. Uthirasamy R., Kumar Chinnaiyan V., Vishnukumar S., Karthick A., Mohanavel V., Subramaniam U., Muhibbullah M. Design of boosted multilevel DC-DC converter for solar photovoltaic system // International Journal of Photoenergy. 2022, vol. 1-23. DOI: 10.1155/2022/1648474.

8. Amrouayache M. Proposal of a sizing algorithm for an optimal design of DC/DC converters used in photovoltaic conversion // Indonesian Journal of Electrical Engineering and Informatics (IJEEI). 2022, vol. 10, no. 3, pp. 534—548. DOI: 10.52549/ijeei.v10i3.3890.

9. Sikorski A., Falkowski P., Korzeniewski M. Comparison of two power converter topologies in wind turbine system // Energies. 2021, vol. 14, no. 20, article 6574. DOI: 10.3390/en14206574.

10. Taghavi M., Delkhosh H., Moghaddam M. P., Fini A. S. Combined PV-Wind hosting capacity enhancement of a hybrid AC/DC distribution network using reactive control of convertors and demand flexibility // Sustainability. 2021, vol. 14, no. 13, article 7558. DOI: 10.3390/su14137558.

11. Gang Du, Dongmei Zhao, Xin Liu, Zhiqiang Wu, Chao Li Decentralized robust dispatch for multi-area AC/DC system considering wind power uncertainty // IET Generation, Transmission & Distribution. 2021, pp. 2710—2720. DOI: 10.1049/gtd2.12209.

12. Zhenshan Zhu, Dichen Liu, Qingfen Liao, Fei Tang, Jun Jason Zhang, Huaiguang Jiang Optimal power scheduling for a medium voltage AC/DC hybrid distribution network // Sustainability. 2018, vol. 10, no. 2, article 318. DOI: 10.3390/su10020318.

13. Kumar Abhishek Singh Kalpana Chaudhary Decentralized robust dispatch for multi-area AC/ DC system considering wind power uncertainty // IET Power Electron. 2021, vol. 14, pp. 302—312. DOI: 10.1049/pel2.1203.

14. Bilal Naji Alhasnawi, Basil H. Jasim, Amjad Anvari-Moghaddam, Frede Blaabjerg. A new robust control strategy for parallel operated inverters in green energy applications // Energies. 2020, vol. 13, no. 13, article 3480. DOI: 10.3390/en13133480.

15. Ibrahim Alhamrouni, Mohamed Salem, Younes Zahraoui, Bazilah Ismail, Awang Jusoh, Tole Sutikno Multi-input interleaved DC-DC converter for hybrid renewable energy applications // Bulletin of Electrical Engineering and Informatics. 2022, vol. 11, pp. 1765—1778. DOI: 10.11591/eei. v11i3.3779.

16. Sangwongwanich Ariya F., Blaabjerg F. Mitigation of Interharmonics in PV systems with maximum power point tracking modification // IEEE Transactions on Power Electronics. 2019, vol. 34, no. 9, pp. 8279—8282. DOI: 10.1109/TPEL.2019.2902880.

17. Vasudevan R., Ramalakshmi S. Dynamic stability improvement of power system with VSCHVDC transmission // International Journal of Engineering & Technology. 2018, vol. 7, pp. 500—503. DOI: 10.14419/ijet.v7i3.27.18003.

18. Kai Qu, Gangquan Si, Zeyu Yang, Yuehui Huang, Pai Li Correlation modeling of multiple wind farms based on piecewise cloud representation and regular vine copulas // Energy Reports. 2020, vol. 6, pp. 289—297. DOI: 10.1016/j.egyr.2020.11.239.

19. Krizsky V. N., Viktorov S. V., Luntovskaya Y. A. Modeling the transient resistance of trunk pipeline insulation based on measurements of the magnetic induction vector modulus // Journal of Mathematical Models and Computer Simulations. 2023, no. 2, pp. 312—322. DOI: 10.1134/ S2070048223020102.

20. Кризский В. Н., Косарев О. В., Александров П. Н., Лунтовская Я. А. Математическое моделирование электрического поля внутритрубного диагностического зонда катодно-поляризуемого трубопровода // Записки Горного института. — 2023. — OnlineFirst. — С. 1—10.

21. Ляхомский А. В., Герасимов А. И. Моделирование напряжения прикосновения к корпусам электроустановок открытых горных работ при однофазных замыканиях на землю // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 12. — С. 169—178. DOI: 10.25018/0 236_1493_2021_12_0_169.

22. Shepovalov O. Mandatory characteristics and parameters of photoelectric systems, arrays and modules and methods of their determining // Energy Procedia. 2019, vol. 157, no. 9, pp. 1434—1444. DOI: 10.1016/j.egypro.2018.11.308.

23. Faria J., Pombo J., do Rosário Calado M., Mariano S. Power management control strategy based on artificial neural networks for standalone PV applications with a hybrid energy storage system // Energies. 2019, vol. 12, no. 5, pp. 1—24. DOI: 10.3390/en12050902.

24. Xiaobing Kong, Lele Ma, Xiangjie Liu, Mohamed Abdelkarim Abdelbaky Wind turbine control using nonlinear economic modelpredictive control over all operating regions // Energies. 2020, vol. 13, no. 1, pp. 1—21. DOI: 10.3390/en13010184.

25. Шклярский Я. Э., Скамьин А. Н., Хименес Карризоса М. Энергоэффективность в минерально-сырьевом комплексе // Записки Горного института. — 2023. — T. 261. — C. 323—324.

26. Шпенст В. А., Бельский А. А., Орел Е. А. Повышение энергоэффективности автономного электротехнического комплекса с возобновляемыми источниками энергии на основании адаптивной регулировки режимов работы // Записки Горного института. 2023. — T. 261. — C. 479—492.

27. Zhukovskiy Y. L., Vasiliev B. Y., Korolev N. A., Malkova Y. M. Analysis of the behavior of asynchronous electric drive with a closed scalar control system when changing the inductance of the magnetizing circuit // Indonesian Journal of Science and Technology. 2022, vol. 8, no. 1, pp. 65—78.

28. Moein Taghavi, Hamed Delkhosh, Mohsen Parsa Moghaddam, Alireza Sheikhi Fini Combined PV-wind hosting capacity enhancement of a hybrid AC/DC distribution network using reactive control of convertors and demand flexibility // Sustainability. 2022, vol. 14, no. 13, article 7558. DOI: 10.3390/su14137558.

29. Limberger F., Rümpker G., Lindenfeld M., Deckert H. Development of a numerical modelling method to predict the seismic signals generated by wind farms // Scientific Reports. 2022, vol. 12, no. 1. DOI: 10.1038/s41598-022-19799-w.

30. Ермуханов Р. К. Проблема освоения шельфовых месторождений России // Устойчивое развитие науки и образования. — 2019. — № 4. — С. 185—188.

31. Desaulty A. M., Climent D. M., Lefebvre G., Cristiano-Tassi A., Peralta D., Perret S., Urban A., Guerrot C. Tracing the origin of lithium in Li-ion batteries using lithium isotopes // Nature Communications. 2022, vol. 13, pp. 1—10. DOI: 10.1038/s41467-022-31850-y.

32. Elistratov V., Denisov R., Konishchev M. Reducing the Arctic carbon footprint through lowcarbon technologies and wind power plants // AIP Conference Proceedings. 2022, vol. 2636, no. 1, article 050004. DOI: 10.1063/5.0104405.

33. Korolev N., Solovev S. Monitoring the technical condition of autonomous electrical systems with electric drive // E3S Web of Conferences. 2019, vol. 140, article 04015. DOI: 10.1051/e3sconf/ 201914004015.

34. Ning Li, Yongquan Zhou, Qifang Luo, Huajuan Huang Discrete complex-valued code pathfinder algorithm for wind farm layout optimization problem // Energy Conversion and Management X. 2022, vol. 16, no. 9, article 100307. DOI: 10.1016/j.ecmx.2022.100307.

35. Grigorev E., Nosov V. Improving quality control methods to test strengthening technologies: a multilevel model of acoustic pulse flow // Applied Sciences (Switzerland). 2022, vol. 12, no. 9, article 4549. DOI: 10.3390/app12094549.

36. Zhukovskiy Y., Koshenkova A., Vorobeva V., Rasputin D., Pozdnyakov R. Assessment of the impact of technological development and scenario forecasting of the sustainable development of the fuel and energy complex // Energies. 2023, vol. 16, no. 7, article 3185. DOI: 10.3390/en16073185.

37. Ilushin Yu., Martirosyan A. The development of the soderberg electrolyzer electromagnetic field’s state monitoring system // Scientific Reports. 2024, vol. 14, article 3501. DOI: 10.1038/s41598024-52002-w.

38. Сычев Ю. А., Костин В. Н., Сериков В. А., Аладьин М. Е. Анализ несинусоидальных режимов в системах электроснабжения горных предприятий с нелинейной нагрузкой и конденсаторными установками // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 1. — С. 159—179. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_1_0_159.