HYDROGEN TECHNOLOGIES FOR ALIGNMENT OF GENERATION SCHEDULES OF WIND POWER PLANTS DURING BALANCING OF ENERGY POWER SYSTEM MODES

The article shows the possibility of using hydrogen as an energy carrier to compensate for the deviations of the generation schedules of power plants using renewable energy sources (RES), in particular wind power plants (WPP), from those declared by NEC "Ukrenergo". This ensures th...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2022
Автори: Komar, V., Kudrya, S., Lezhniuk, P., Hunko, I.
Формат: Стаття
Мова:Українська
Опубліковано: Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2022
Теми:
Онлайн доступ:https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/376
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Vidnovluvana energetika
Завантажити файл: Pdf

Репозитарії

Vidnovluvana energetika
_version_ 1871103588344791040
author Komar, V.
Kudrya, S.
Lezhniuk, P.
Hunko, I.
author_facet Komar, V.
Kudrya, S.
Lezhniuk, P.
Hunko, I.
author_institution_txt_mv [ { "author": "V. Komar", "institution": "Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia, Ukraine." }, { "author": "S. Kudrya", "institution": "Institute of Renewable Energy NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine." }, { "author": "P. Lezhniuk", "institution": "Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia, Ukraine, Institute of Renewable Energy NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine." }, { "author": "I. Hunko", "institution": "Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia, Ukraine." } ]
author_sort Komar, V.
baseUrl_str https://ve.org.ua/index.php/journal/oai
collection OJS
datestamp_date 2026-07-18T06:32:17Z
description The article shows the possibility of using hydrogen as an energy carrier to compensate for the deviations of the generation schedules of power plants using renewable energy sources (RES), in particular wind power plants (WPP), from those declared by NEC "Ukrenergo". This ensures the effective participation of wind power plants in the process of maintaining the frequency and permissible voltage levels in the energy power system (EPS). Possible methods and ways of reserving the unevenness of RES electricity generation caused by weather conditions are analyzed, and the advantages of hydrogen technologies over others are shown. They are more universal, because hydrogen produced with the help of renewable energy sources can be used as an energy carrier not only in the power industry, but also in other industries. At the same time, the use of hydrogen technologies during the balancing of EPS modes opens up new opportunities for the development of wind and solar power plants in the EPS, as fines and restrictions on the production of RES electricity are reduced. The algorithm for using hydrogen as an energy carrier to reduce the error between the actual and forecasted hourly schedules of generation of wind power plants as part of the balancing group is considered. Mathematical models were developed on the basis of the theory of similarity and the criterion method. This approach, based on the minimum available initial information, provides an opportunity to compare different methods of reserving the uneven generation of wind power plants, to assess their proportionality, and also to determine the sensitivity of costs to the capacity of the reserving methods. Criterion models have been formed that allow for the dependence of costs for reserving the uneven generation of wind power plants on the capacity of hydrogen-type accumulators and on the capacity of the system reserve together with the throughput of power transmission lines. It is shown that similar dependencies make it possible to more reasonably choose certain reservation methods in accordance with the characteristics and requirements of the EPS. Ref. 15. Fig. 2.
doi_str_mv 10.36296/1819-8058.2022.4(71).64-70
first_indexed 2025-07-17T11:38:53Z
format Article
fulltext 64 Відновлювана енергетика. №4/2022 | Гідро-воднева енергетика УДК 620.92, 621.311 https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.4(71)64-70 ВОДНЕВІ ТЕХНОЛОГІЇ ДЛЯ ВИРІВНЮВАННЯ ГРАФІКІВ ГЕНЕРУВАННЯ ВІТРОВИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ ПІД ЧАС БАЛАНСУВАННЯ РЕЖИМІВ ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИЧНИХ СИСТЕМ Отримано 20 жовт. 2022; рекомендовано до публікації 27 груд. 2022 Доступно онлайн 30 груд. 2022 В. О. Комар1, С. О. Кудря2, П. Д. Лежнюк3, І. О. Гунько4 Автор для коресподенції: Ірина Гунько, e-mail: iryna_hunko@ukr.net У роботі показана можливість використання водню як енергоносія для компенсації відхилень графіків генеру- вання електричних станцій, що використовують віднов- лювані джерела енергії (ВДЕ), зокрема вітрових електро- станцій (ВЕС), від заявлених в НЕК «Укренерго». Тим самим забезпечується ефективна участь ВЕС у процесі підтрим- ки частоти й допустимих рівнів напруги в електроенер- гетичній системі (ЕЕС). Аналізуються можливі методи і способи резервування не-рівномірності генерування елек- троенергії ВДЕ, викликаних погодними умовами, і пока- зано переваги водневих технологій над іншими. Вони є уні- версальнішими, оскільки вироблений з допомогою ВДЕ водень може використовуватися як енергоносій не тільки в електроенергетиці, а й в інших галузях. Заазом використання водневих технологій під час балан- сування режимів ЕЕС відкриває нові можливості щодо розбудови вітрових та фотоелектричних станцій в ЕЕС, бо зменшуються штрафні санкції та обмеження у виробленні електроенергії ВДЕ. Розглянуто алго- ритм використання водню як енергоносія для зменшення похибки між фактичним і прогнозованим по- годинними графіками генерування ВЕС у складі балансувальної групи. Математичні моделі розроблено на основі теорії подібності й критеріального методу. Такий підхід при мінімально доступній вихідній інфор- мації забезпечує можливість порівнювати між собою різні способи резервування нерівномірності генеру- вання ВЕС, оцінювати їх співрозмірність, а також визначити чутливість витрат до потужності способів резервування. Сформовано критеріальні моделі, які дозволяють побудувати залежності витрат на ре- зервування нерівномірності генерування ВЕС від потужності накопичувачів водневого типу та від потуж- ності системного резерву сукупно з пропускною здатністю ліній електропередачі. Показано, що подібні залежності дають можливість більш обґрунтовано вибирати ті чи інші способи резервування відповідно до характеристик і вимог ЕЕС. Ключові слова: відновлювані джерела енергії, вітрові електричні станції, нестабільність генеру- вання, електроенергетична система, резервування, водневі технології, теорія подібності, критеріаль- ний метод. Бібл. 15. Рис. 2. HYDROGEN TECHNOLOGIES FOR ALIGNMENT OF GENERATION SCHEDULES OF WIND POWER PLANTS DURING BALANCING OF ENERGY POWER SYSTEM MODES Received 20 Oct. 2022; accepted 27 Dec. 2022. Available online 30 Dec. 2022 V. Komar1, S. Kudrya2, P. Lezhniuk3, I. Hunko4 Author for correspondence: Iryna Hunko, e-mail: iryna_hunko@ukr.net The article shows the possibility of using hydrogen as an energy carrier to compensate for the deviations of the generation schedules of power plants using renewable energy sources (RES), in particular wind power plants (WPP), from those declared by NEC "Ukrenergo". This ensures the effective participation of wind power plants in the process of maintaining the frequency and 1д-р техн. наук, проф., зав. каф. електричних станцій і систем. https://orcid.org/0000-0003-4969-8553 2чл.-кор. НАН України, д-р техн. наук, проф., директор. https://orcid.org/0000-0002-4798-6853 3д-р техн. наук, проф., каф. електричних стан- цій і систем. https://orcid.org/0000-0002-9366-3553 4к-т техн. наук, доц., каф. електричних станцій і систем. https://orcid.org/0000-0003-2868-4056 1,3,4 Вінницький національний технічний уні- верситет, м. Вінниця, Україна. 2,3 Інститут відновлюваної енергетики НАН Ук- раїни, м. Київ, Україна. 1 DScTech, Prof., Chair of the Department of Power Plants and Systems. https://orcid.org/0000-0003-4969-8553 2Corresponding member of NAS of Ukraine, DScTech, Prof., Director. https://orcid.org/0000-0002-4798-6853 mailto:iryna_hunko@ukr.net 65 Відновлювана енергетика. №4/2022 | Гідро-воднева енергетика permissible voltage levels in the energy power system (EPS). Possible methods and ways of reserving the unevenness of RES electricity generation caused by weather conditions are analyzed, and the advantages of hydrogen technologies over others are shown. They are more universal, because hydrogen produced with the help of renewable energy sources can be used as an energy carrier not only in the power industry, but also in other industries. At the same time, the use of hydrogen technologies during the balancing of EPS modes opens up new opportunities for the development of wind and solar power plants in the EPS, as fines and restrictions on the production of RES electricity are reduced. The algorithm for using hydrogen as an energy carrier to reduce the error between the actual and forecasted hourly schedules of generation of wind power plants as part of the balancing group is considered. Mathematical models were developed on the basis of the theory of similarity and the criterion method. This approach, based on the minimum available initial information, provides an opportunity to compare different methods of reserving the uneven generation of wind power plants, to assess their proportionality, and also to determine the sensitivity of costs to the capacity of the reserving methods. Criterion models have been formed that allow for the dependence of costs for reserving the uneven generation of wind power plants on the capacity of hydrogen-type accumulators and on the capacity of the system reserve together with the throughput of power transmission lines. It is shown that similar dependencies make it possible to more reasonably choose certain reservation methods in accordance with the characteristics and requirements of the EPS. Ref. 15. Fig. 2. Кеywords: renewable energy sources, wind power plants, generation instability, energy power system, redundancy, hydrogen technology, similarity theory, criterion method. Перелік використаних скорочень та позначень ВДЕ – відновлювані джерела енергії ВЕС – вітрові електричні станції ЕЕС – електроенергетична система ФЕС – фотоелектричні станції ТЕС – теплові електричні станції Вступ та постановка завдання. Основним видам віднов- люваних джерел енергії (ВДЕ), зокрема вітровим і фото- електричним станціям (ВЕС і ФЕС), властива природна пе- ріодичність у роботі та зміна величини потенціалу енергії залежно від часу доби й пори року. Оскільки ВДЕ працю- ють в Об’єднаній енергосистемі (ОЕС) України і частка ви- робленої ними електроенергії зростає (іноді до 20 % і біль- ше від сумарного балансу електроенергії в ОЕС), то ВДЕ починає суттєво впливати на режими роботи електроенер-- гетичної системи (ЕЕС) [1, 2]. Через недостатню кількість маневрової потужності в ОЕС України на теплових електро- станціях (ТЕС) доводиться обмежувати генерування ВДЕ, для того щоб убезпечити стійкість роботи ЕЕС. Очевидно, що це зменшує їх енергоефективність, стримує інвесту- вання та розбудову ВДЕ в ЕЕС. Оскільки так сталося, що йти попереду ситуації, яка склалася з ВДЕ через відсут- ність вільної маневрової потужності не вдалося, то дово- диться надолужувати стан в ЕЕС, розвиваючи системи на- копичення електроенергії [3, 4]. Для ефективного використання енергії відновлюваних джерел необхідний енергоносій, зручний для зберігання, транспортування і використання в режимі електроенер- гія–зберігання енергії–електроенергія. Таким може бути водень. Розвиток водневої енергетики передбачає побу- дову ефективної та економічної інфраструктури поста- чання споживачів воднем – універсальним екологічно чистим енергоносієм [5]. Виробництво водню з метою акумулювання і транспортування енергії є ефективним вирішенням проблеми стабільного енергопостачання від відновлюваних джерел. Широке використання водню як високоефективного і екологічно прийнятного енергоно- сія, а також паливних комірок, здатних із мінімальними втратами перетворювати хімічну енергію водню на елек- тричну енергію, останніми роками розглядаються як най- перспективніший шлях до суттєвого скорочення шкідли- вих викидів в атмосферу [6, 7]. Отримання водню електролітичним розкладом води з використанням «зеленої» електроенергії дає нульовий викид вуглецю, енергія може зберігатися протягом три- валих періодів часу, слугуючи необхідним системним буфером і забезпечуючи стійкість енергетичних систем. Це дає змогу декарбонізувати широкий спектр кінце- вого використання, забезпечуючи чисту генерацію та те- пло для транспортування й стаціонарних застосувань. Водень у різному стані може транспортуватися на великі відстані, що дозволяє розподіляти енергію як всередині країни виробника водню, так і між іншими країнами. Коли йдеться про те, що водень як енергоносій викори- стовується для корегування графіків генерування ВДЕ під час балансування режимів ЕЕС, то слід враховувати, що графіки генерування ФЕС і ВЕС природним чином суттєво відрізняються. ФЕС виробляють електроенергію тільки у світлу частину доби, при чому максимум гене- рування зазвичай припадає на години з 12 до 15, коли спостерігається зменшення електроспоживання. ВЕС можуть працювати цілодобово, але характерним для них є різко перемінний графік генерування, коли макси- мум і мінімум генерування відрізняються в рази (при- клад генерування ВЕС наведено на рис. 1). 3DScTech, Prof., Prof. of Depatment of Power Plants and Systems. https://orcid.org/0000-0002-9366-3553 4 PhD, Doc., Associate Professor at the De- partment of Power Plants and Systems. https://orcid.org/0000-0003-2868-4056 1,3,4 Vinnytsia National Technical Univer- sity, Vinnytsia, Ukraine. 2,3 Institute of Renewable Energy NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine. 66 Відновлювана енергетика. №4/2022 | Гідро-воднева енергетика В [8] розглянуто застосування водневих технологій сто- совно графіків генерування ФЕС. Показано, що одним з ефективних способів резерву енергії для ФЕС може бути водень, який отримують шляхом електролізу з викори- станням електроенергії ФЕС. Для генерування електро- енергії відповідним установками може використовува- тися водень, отриманий також іншими способами, на- приклад, з біомаси. Особливості застосування водневих технологій для корегування графіків генерування електро- енергії ВЕС під час роботи їх в ЕЕС варто розглянути ок- ремо. Незважаючи на переваги водню, водневим технологіям мають конкурувати по витратах з іншими способами ком- пенсації нерівномірності й резервування генерування електроенергії ВДЕ. До них належать електрохімічні на- копичувачі, біогазові установки, гідроакумулювальні елек- тростанції, а також системний резерв енергоагрегатів те- плових електростанцій як платна послуга [9, 10]. Мета статті – оцінити можливості водню як енергоносія порівняно з іншими способами корегування заявлених графіків генерування відновлюваних джерел енергії в про- цесі участі їх в балансуванні режимів електроенергетичних систем, зокрема для компенсації нерівномірності генеру- вання електроенергії вітровими електростанціями. ВЕС в балансі електроенергії ЕЕС. Всі електростанції, зо- крема ті, що використовують відновлювані види енергії, генерують електроенергію в електроенергетичній си- стемі (ЕЕС) відповідно до заявленого графіка на наступну добу. Для ВЕС через природні впливи підтримувати про- гнозований графік можливо тільки з певною точністю. Згідно з [11] для ВЕС задача участі в балансуванні спо- живання та генерування електроенергії в ЕЕС сформу- льована як 100% minпр ф пр W W f W − = → , (1) де f – похибка в прогнозуванні, яка має бути меншою за допустиму (для ВЕС 10 %); Wпр – значення погодинного прогнозованого вироблення електроенергії ВЕС на наступну добу; Wф – фактичне вироблення ВЕС електро- енергії за цей же час T; Для ВЕС під час роботи їх в балансувальній групі для ре- гулювання частоти і напруги в ЕЕС виникає дві взає- мозв’язані задачі – перетворення електричної енергії на водень і використання водню для генерування електро- енергії. На рис. 1, а показано, що балансувальною гру- пою ВЕС виробляється електроенергії більше, ніж спро- гнозовано і заявлено для системного оператора. Час- тина електроенергії (показано зеленим кольором) пере- творюється на водень. На рис. 1, б спрогнозовано елек- троенергії більше, ніж фактично виробляється ВЕС (по- казано червоним кольором). Для зменшення штрафних санкцій необхідно, щоб ф прW W≈ . У цьому разі водень використовується для вироблення електроенергії й ви- конання умови ф прW W≈ . Очевидно, що надлишок ви- робленого водню може використовуватися для інших цілей [6, 7]. Значення електроенергії, яка виробляється в більшій кіль- кості, ніж це потрібно для балансу між генеруванням і споживанням, і може бути використана для виробниц- тва водню, визначається як (рис. 1, а) 2 2 1 1 ( ) ( ) t t ес ф пр t t W P t dt P t dt= −∫ ∫ , (2) де Wес – кількість електроенергії, яку необхідно спожити для того, щоб виконати заявлений графік генерування ВЕС (інший варіант – обмежити фактичне генерування, що недоцільно для власників ВЕС і може бути вимушено реалізовано тільки системним оператором для збере- ження стійкості ЕЕС); Pф , Pпр – потужності з графіків фак- тичного і прогнозованого генерування ВЕС; t1 і t2 – час, коли вмикається й вимикається устаткування вироб- лення й накопичування водню. Кількість електроенергії Wве (рис. 1, б), яку необхідно ви- робити для балансу між генеруванням і споживанням і яка може бути вироблена шляхом перероблення водню на електроенергію, визначається як a б Рис. 1. Добові графіки генерування ВЕС: а – під час надлишку виробленої електроенергії; б – під час недостатнього фактичного вироблення електроенергії Fig. 1. Daily schedules of generation of wind power plants: a – during the surplus of generated electricity; b – during insufficient actual electricity generation 67 Відновлювана енергетика. №4/2022 | Гідро-воднева енергетика 2 2 1 1 ( ) ( ) t t ве пр ф t t W P t dt P t dt= −∫ ∫ , (3) де t1 і t2 – час, коли вмикається й вимикається устатку- вання використання водню для вироблення балансу- вальною групою електроенергії (поршневі, газотурбінні або парогазові установки). Вироблена за участі водню електроенергія передається в загальну систему електропостачання, але її частина ок- ремо обліковується для формування балансу електрое- нергії в ЕЕС згідно з (3). До виробництва водню з електро- енергії ФЕС і ВЕС для повноцінної участі їх в балансу- ванні станів ЕЕС доцільно долучати біогазові установки. Такий підхід дає змогу повніше використати доступний потенціал ВДЕ для вирішення загальносистемних за- вдань. Проте тут необхідна техніко-економічна коорди- нація способів компенсації нерівномірності генеру- вання електроенергії ВДЕ з одночасним підвищенням їх енергетичної ефективності. Потрібна певна стратегія комплексного використання ВДЕ та способів компенса- ції нерівномірності їх генерування з урахуванням вимог енергоринку. Визначальною є технологія отримання й накопичення водню. Наприклад, окремо розглядається техніко-економічна задача щодо розміщення і під’єд- нання установок вироблення водню з електроенергії, генерованої ВЕС, транспортування й перетворення ене- ргії водню на електроенергію. Можливі два підходи до використання водневих технологій в ЕЕС: умовно лока- льний і загальносистемний. Згідно з першим окремі вла- сники ВЕС або об’єднані в балансувальні групи вирішу- ють задачу участі в роботі енергосистеми самостійно (очевидно, що за певними правилами, встановленими енергосистемою). Другий підхід передбачає централі- зовану розбудову установок вироблення водню відно- сно великої потужності й способів його використання. За цим варіантом в рамках задачі, що розглядається тут, участь ВЕС в балансуванні електроенергії вирішується через платні послуги, за допомогою яких організовується доступ до централізованих джерел водню і результатів його використання. Очевидно, що можливий і комбінований підхід, коли мають місце обидва варіанти. Реалізація локально- централізованого виробництва водню має певні пере- ваги. Окремі ВЕС і об’єднані в балансувальні групи мо- жуть працювати автономно, погоджуючи свою роботу з ЕЕС. За такої схеми виробництво водню як універсаль- ного енергоносія можливе як в безпосередній близько- сті від споживача, наприклад від заправної станції елек- тромобілів на паливних елементах (PCEVs), так і на від- далених територіях в місцях зі значним енергетичним потенціалом ВДЕ з подальшим транспортуванням во- дню до заправних станцій в спеціальних цистернах або за допомогою трубопроводу. Крім того, водневе акуму- лювання енергії відновлюваних джерел дає можливість створювати довготривалі міжсезонні запаси енергії, що особливо актуально при вирішенні питання стабільного енергозабезпечення. Оптимізація способів зменшення нерівномірності ге- нерування ВЕС. Якщо реалізується варіант встанов- лення установок вироблення водню централізовано, тобто для загальносистемного використання, то міні- мальні сумарні витрати BΣ на це визначаються як ( )( ) ( ) ( ) minв в г г с с п пВ B P B P B P В РΣ = + + + → , (4) де Bв(Pв) – витрати на отримання водню шляхом елек- тролізу; Bг(Pг) – витрати, пов’язані з використанням біога- зових технологій; Bс(Pс) – витрати на користування сис- темним резервом, які є вартістю утримання резерву на ТЕС; Bп(Pп) – витрати на запаси пропускної спроможності ліній електропередачі, що необхідно для транспорту- вання електроенергії з/до місця під’єднання резервної потужності до ЕЕС; Pв, Pг, Pс, Pп, – відповідно, оптимальні значення потужностей, які визначаються щодо кожного зі способів компенсації нерівномірності генерування електроенергії ВДЕ. Оскільки впровадження водневих технологій з метою ре- зервування генерування електроенергії ВДЕ в ЕЕС здійс- нюватиметься поетапно, то доцільно насамперед розгля- нути варіант використання водню на ВЕС для зменшення похибки f в (1). Відповідно до сценарію, що в ЕЕС для ком- пенсації нестабільності генерування ВЕС використову- ються маневрові потужності системи та установки отри- мання і використання водню, задача (4) перепишеться: ( ) ( )( ) minв в с с п пВ В P B P В Р= + + → . (5) Модифікована математична модель питомих витрат на 1 кВт резервування за сценарієм, що передбачає вико- ристання водню як накопичувача енергії й ураховує особ- ливості ЕЕС, для якої є потреба в резервуванні, можна представити у вигляді рівняння: 2 1 2 3 4 2 в с п в с п PСВ C P C P С P P P = + + + ⋅ , (6) де 1 2 3 4С , C , C , С – узагальнені константи, що міс- тять вихідні дані задачі (передусім це цінові показники). Перша складова рівняння враховує питомі витрати на ре- алізацію резервування з використанням системи отри- мання й використання водню як накопичувача енергії. З урахуванням того, що частина водню використовується в інших галузях, витрати на відтворення електроенергії в балансувальній групі будуть обернено пропорційні до Рв. Значення витрат другої й третьої складових у балансува- льній групі лінійно залежні від Рс і Рп відповідно. Остання складова витрат залежить від втрат електроенергії в еле- ментах електричної мережі. Для аналізу системи резервування нестабільності гене- рування ВДЕ використаємо методи теорії подібності, зо- крема критеріального методу [12, 13]. Його перевагою є те, що він дає змогу отримати критерії подібності, які зв’язують між собою однойменні параметри, в нашому випадку різних способів резервування, і створюються умови для аналізу співрозмірності й чутливості резуль- татів розрахунків у відносних одиницях при обмеженій кількості вихідної інформації [14]. Задача (6) відповідає умові канонічності, коли міра її складності s=m–n–1=0, де m – кількість членів цільової функції, n – кількість змінних Pі. Згідно з критеріальним 68 Відновлювана енергетика. №4/2022 | Гідро-воднева енергетика методом запишемо систему ортогональних і нормова- них (ортонормованих) рівнянь для (6) [13, 15]: 1 4 2 4 3 4 1 2 3 4 2 0 2 0 0 1 ; ; ; , π π π π π π π π π π − + =  − =  − =  + + + = ⇒ 1 2 3 4 1 0 0 2 0 0 1 0 2 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 π π π π −          −     × =     −           . (7) де iπ – критерії подібності, які в цьому разі за фізичним змістом є ваговими коефіцієнтами складових витрат у (6). Оскільки для задачі оптимізації способів компенсації не- стабільності генерування ВДЕ у формі (6) міра складно- сті дорівнює нулю, то розв’язок даної системи рівнянь (7) отримуємо просто: 1 2 2 6/π π= = ; 3 4 1 6/π π= = . Відповідно до методу інтегральних аналогів [12] запи- шемо систему рівнянь, в якій критерії подібності зв’язані з невідомими Pi, з урахуванням (6) і розв’язків системи рівнянь (7): 1 1 2 2 3 3 2 4 4 2 2 6 2 6 1 6 1 6 в с п в с п С ; B Р С Р / B; С Р / B; С P . B P P π π π π −  = =   = = ⋅   = = ⋅   ⋅ = =  ⋅ (8) Із системи рівнянь (8) отримуємо оптимальні значення потужностей установок для резервування нестабільно- сті генерування ВЕС: 1 4 6 1 2 2 3 44в СP С С С   =   ⋅ ⋅  ; 1 2 6 1 3 4 4 2 4 c С С СP С  ⋅ ⋅ =      ; 1 2 2 6 1 2 4 5 216n C C CP C   =      ; ( ) 1 2 2 6 1 2 3 43 4B С С С С= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ . (9) У критеріальній формі вираз витрат (6) запишеться: 2 1 2 3 4 2 в* с* п* в* с* п* PВ P P P P P π π π π∗ = + + + ⋅ , (10) де * min/B B B= ; * /в в в oP P P= , * /с с с oP P P= , * /п п п oP P P= , де , ,в с пP P P – відповідно поточні й оп- тимальні значення потужностей способів резервування. З урахуванням числових значень критеріїв подібності (10) перепишеться: 2 2 1 3 3 6 6 с* п* в* в* с* п* P P PВ P P P∗ = + + + ⋅ . (11) Виокремимо складову витрат на резервування шляхом використання водню (перший член) та складову, яка ха- рактеризує витрати на користування системним резер- вом та витрати на збільшення запасу пропускної спро- можності ліній електропередачі (другий член): ( ) 1 2 2 0 333 0 667 0 5 0 25 0 25 в* с* п* в* с* п* В , P , , P , P , P P P − ∗ − = ⋅ + × × ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ . (12) Відповідно до прийнятої моделі (12) витрати B на ком- пенсацію нерівномірності графіка генерування ВЕС шля- хом резервування будуть економічно доцільними, якщо 2/3 цих витрат підуть на модернізацію мереж та викори- стання системного резерву, а 1/3 витрат – на резерву- вання накопиченням і використанням енергії водню. Економічно доцільні значення критеріїв подібності не залежать від С1,…, С4 і визначають співрозмірність мо- делі, тобто питомі частки змінних витрат, що припада- ють на елементи системи резервування нестабільності генерування ВЕС. Щодо узагальнених показників С1, …, С4 , то вплив їх на економічно доцільні значення потуж- ностей * * *, ,ев ес епP P P і на витрати *B можна оцінити, записавши (9) у такому вигляді: 1 4 6 1 2 2 3 44 * ев* * * * СP С С С   =      ; 1 2 6 1 3 4 4 2 4 * * * еc* * С С СP С   =      ; 1 2 2 6 1* 2* 4* * 5 2*16еn C C CP C   =      ; ( ) 1 2 2 6 1 2 3 43 4* * * * *B С С С С= . (13) де 1 4і і* іб СС , і , С = = ; iбC – базисні значення вартіс- них показників. Оскільки зазвичай на етапі проєктування точні значення показників Сі невідомі, але відомим є їх діапазон min maxi iC C− , то за базисне значення варто приймати середнє значення діапазону цін. З отриманих виразів можна оцінити вплив зміни, напри- клад 1С , на економічно доцільні значення усіх змінних. Вирази (13) показують, що економічно доцільні значення потужностей, які визначаються щодо кожного зі способів резервування і витрат на їх реалізацію, залежать від прийнятого сценарію реалізації резервування. Тому еко- номічно доцільні способи резервування та їх потужності, а також параметри реалізації кожного способу вибира- ються з урахуванням їх взаємовпливу в системі. Вираз (12) також дозволяє оцінити вплив вихідних даних на 69 Відновлювана енергетика. №4/2022 | Гідро-воднева енергетика економічно доцільні значення витрат і потужностей, які визначаються щодо кожного зі способів резервування, тобто дослідити чутливість витрат до зміни потужностей. Цей аналіз дає змогу зробити висновок, що розподіл ви- трат для сценарію резервування, що досліджується, більш чутливий до вибору потужності накопичувачів з використанням водню та вибору потужності системного резерву. На рис. 2 представлено аналіз чутливості пито- мих витрат у відносних одиницях та у відсотках до зміни одного з впливових факторів при незмінних інших, ви- трати визначено за формулами (12) і (13). Рис. 2. Чутливість витрат: до зміни потужності накопичувачів водню (зелена крива), до змін потужності системного резерву (червона крива) та до зміни пропускної здатності ліній електропередачі (синя крива) Fig. 2. Cost sensitivity: to changes in hydrogen storage capacity (green curve), to changes in system reserve capacity (red curve) and to changes in transmission capacity of power lines (blue curve) Запропонований алгоритм забезпечення заданої точно- сті збігу фактичного і прогнозованого графіків генеру- вання електроенергії ВЕС з використанням водневих тех- нологій побудовано в такий спосіб, що коли на певному інтервалі часу фактичне значення генерування переви- щує прогнозоване, то запускається система утворення і зберігання водню. І навпаки, коли фактичне значення генерування менше за прогнозоване, то накопичений водень спрацьовується на установках, що виробляють електроенергію. Такий алгоритм доцільно використову- вати для централізованого регулювання потужності в балансувальній групі ВЕС. Висновки. Для підвищення енергоефективності елек- тричних станцій, які використовують відновлювану енер- гію, зокрема вітрову, і які працюють в ЕЕС паралельно з іншими електростанціями, необхідно вирішити про- блему прогнозування їхніх графіків генерування елек- троенергії. З огляду на природну нерівномірність генеру- вання в балансі електроенергії країни з метою надійно- сті ЕЕС формуються вимоги щодо точності виконання за- явлених погодинних графіків генерування ВЕС. Для ком- пенсації нерівномірності генерування ВЕС в ЕЕС форму- ється відповідний резерв потужності. Одним з ефектив- них способів резерву енергії може бути використання водню, отримуваного шляхом електролізу із застосуван- ням електроенергії ВЕС. Для генерування електроенергії відповідними установками може використовуватися во- день, отриманий також іншими способами, наприклад, з біомаси. Якщо в ЕЕС є вільний резерв потужності, що може бути використаний балансувальною групою ВЕС як платна послуга, то доцільно розглянути цей варіант. У цьому разі для компенсації нестабільності генерування ВЕС ви- користовуються маневрові потужності системи та уста- новки отримання й використання водню. Запропоно- вано метод оптимізації резервної потужності ЕЕС для компенсації нерівномірності генерування ВЕС. Побудо- ваний критеріальний метод на основі теорії подібності дозволяє при обмеженому обсязіі інформації вибрати кращий варіант. Результати оптимізації отримують у та- кому вигляді, який дозволяє аналізувати співрозмір- ність і чутливість складових витрат на способи компен- сації нерівномірності генерування ВЕС. Результати спів- розмірності дають можливість ранжувати способи ком- пенсації нерівномірності генерування ВЕС за витратами, а чутливість – раціонально, найефективніше використо- вувати потужності різних способів під час експлуатації. ПОСИЛАННЯ 1. Лежнюк П. Д., Комар В. О., Добровольська Л. Н., По- встянко К. О. Відносне оцінювання засобів балансу- вання режимів електроенергетичних систем з відно- влюваними джерелами енергії. Вісник ВПІ. 2022. № 3. С. 24–30. https://doi.org/10.31649/1997-9266-2022-162-3-24-30 2. Кузнєцов М. П., Лисенко О. В., Мельник О. А. Задача оптимізації гібридної енергосистеми за рівнем дис- персії генерованої потужності. Відновлювана енер- гетика. 2022. № 1. С. 17–26. https://doi.org/10.36296/ 1819-8058.2022.1(68)839 3. Будько В. I., Вайнштейн Я. В. Перекриття небалансів згенерованої та прогнозованої електроенергії соняч- ною електростанцією за рахунок системи акумулю- вання електричної енергіїю. Відновлювана енерге- тика. 2021. № 4. С. 25–31. https://doi.org/ 10.36296/1819-8058.2021.4(67).25-31 4. Буткевич О. Ф, Юнєєва Н. Т., Гурєєва Т. М, Стецюк П. І. Задача розташування накопичувачів електроенер- гії в ОЕС України з урахуванням його впливу на по- токи потужності контрольованими перетинами. Тех- нічна електродинаміка. 2020. № 4. С. 46–50. https://doi.org/10.15407/techned2020.04.046 5. Кудря С. О., Рєпкін О. О., Рубаненко О. О., Яценко Л. В., Шинкаренко Л. Я. Етапи розвитку зеленої водне- вої енергетики України. Відновлювана енерге- тика.2022. № 1. С. 5–16. https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022. 1(68)840 6. Chapter 23 – The Role of Fuel Cells and Hydrogen in Stationary Applications. / Volkart K., Densing M., De Miglio R., Priem T., Pye S., Cox B. Europe's Energy Transition. M. Welsch et al., Eds.: Academic Press, 2017. P. 189–205. 7. Hydrogen-based uninterruptible power supply. / Varkaraki E., Lymberopoulos N., Zoulias E., Guichardot D., Poli G. International Journal of Hydrogen Energy, 2007. Vol. 32. P. 1589–1596. 8. Stepan Kudria, Petr Lezhniuk, Oleksandr Riepkin, Olena Rubanenko. Hydrogen technologies as a method of compensation for inequality of power generation by https://doi.org/10.31649/1997-9266-2022-162-3-24-30%202 https://doi.org/10.31649/1997-9266-2022-162-3-24-30%202 https://doi.org/10.36296/%201819-8058.2022.1(68)839 https://doi.org/ https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.%201(68)840 70 Відновлювана енергетика. №4/2022 | Гідро-воднева енергетика renewable energy source. Przegląd Elektrotechniczny, ISSN 0033-2097, R. 98 NR 10/2022. P. 1–6. https://doi. 10.15199/48.2022.10.01 9. A Multiscale Energy Systems Engineering Approach for Renewable Power Generation and Storage Optimization. / Demirhan C. D., Tso W. W., Powell J. B., Heuberger C. F., Pistikopoulos E. N. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2020. Vol. 59. No. 16. P. 7706–7721. 10. Blinov I., Trach I., Parus Y., V Khomenko., Kuchanskyy V. and Shkarupylo V. Evaluation of The Efficiency of The Use of Electricity Storage Systems in The Balancing Group and The Small Distribution System. 2021. IEEE 2nd KhPI Week on Advanced. 11. Зміни до постанови Національної комісії, що здійс- нює державне регулювання у сферах енергетики та комунальних послуг, від № 641 від 26 квітня 2019 року (Затверджено постановою НКРЕКП № 46 від 15.01.2021 р.) 12. Веников В. А. Теория подобия и моделирования. – М.: Высш. школа, 1976. 479 с. 13. Астахов Ю. Н., Лежнюк П. Д. Применение критериа- льного метода в электроэнергетике. Киев: УМК ВО, 1989. 140 с. 14. Lezhniuk P., Komar V., Rubanenko O., Ostra N. The sensitivity of the process of optimal decisions making in electrical networks with renewable energy sources. Przeglad Elektrotechniczny. Vol. 2020, № 10. P. 32–38. DOI: 10.15199/48.2020.10.05. 15. Mung Chiang. Geometric Programming for Communi- cation Systems. Boston–Delft. 2005. 159 p. REFERENCES 1. Lezhniuk P. D., Komar V. O., Dobro-volska L. N., Povstyanko K. O. Relative evaluation of means of balancing modes of electric power systems with renewable energy sources. VPI Bulletin. 2022. No. 3. P. 24–30. https://doi.org/10.31649/1997-9266-2022-162-3-24-30 2. Kuznetsov M. P., Lysenko O. V., Melnyk O. A. The task of optimizing the hybrid energy system according to the level of dispersion of the generated power. Renewable energy. 2022. No. 1. P. 17–26. https://doi.org/10.36296/ 1819-8058.2022.1(68)839 3. Budko V. I., Vainshtein Y. V. Overturning imbalances of generated and forecasted electricity by a solar power plant due to the system of electric energy storage. Renewable energy. 2021. No. 4. P. 25–31. https://doi.org/ 10.36296/1819-8058.2021.4(67).25-31 4. Butkevich O. F., Yuneeva N. T., Gureeva T. M., Stetsyuk P. I. The problem of the location of electricity storage units in UES of Ukraine, taking into account its influence on power flows through controlled intersections. Technical electrodynamics. 2020. No. 4. P. 46–50. https://doi.org/10.15407/techned2020.04.046 5. Kudrya S. O., Repkin O. O., Rubanen-ko O. O., Yatsenko L. V., Shynkarenko L. Ya. Stages of development of green hydrogen energy in Ukraine. Renewable energy. 2022. No. 1. P. 5–16. https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022. 1(68)840 6. Chapter 23 – The Role of Fuel Cells and Hydrogen in Stationary Applications. / Volkart K., Densing M., De Miglio R., Priem T., Pye S., Cox B. Europe's Energy Transition. M. Welsch et al., Eds.: Academic Press, 2017. P. 189–205. 7. Hydrogen-based uninterruptible power supply. / Varkaraki E., Lymberopoulos N., Zoulias E., Guichardot D., Poli G. International Journal of Hydrogen Energy, 2007. Vol. 32. P. 1589–1596. 8. Stepan Kudria, Petr Lezhniuk, Oleksandr Riepkin, Olena Rubanenko. Hydrogen technologies as a method of compensation for inequality of power generation by renewable energy sources. Przegląd Elektrotechniczny, ISSN 0033-2097, R. 98 NR 10/2022. P. 1–6. https://doi. 10.15199/48.2022.10.01 9. A Multiscale Energy Systems Engineering Approach for Renewable Power Generation and Storage Optimization. / Demirhan C. D., Tso W. W., Powell J. B., Heuberger C. F., Pistiko-poulos E. N. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2020. Vol. 59, No. 16. P. 7706–7721. 10. Blinov I., Trach I., Parus Y., V Khomenko., Kuchanskyy V. and Shkarupylo V. Evaluation of The Efficiency of The Use of Electricity Storage Systems in The Balancing Group and The Small Distribution System. 2021. IEEE 2nd KhPI Week on Advanced. 11. Amendments to the resolution of the National Commission for State Regulation in the Energy and Utilities Sectors No. 641 of April 26, 2019 (Approved by Resolution of the NCRECP No. 46 of January 15, 2021) 12. Venikov V. A. Theory of similarity and modeling. - M.: Higher. school, 1976. 479 p. 13. Astakhov Y. N., Lezhniuk P. D. Application of the criterion method in the electric power industry. Kyiv: UMK VO, 1989. 140 p. 14. Lezhniuk P., Komar V., Rubanenko O., Ostra N. The sensitivity of the process of optimal decision making in electrical networks with renewable energy sources. Przeglad Elektrotech-niczny. Vol. 2020, No. 10. P. 32–38. https://doi. 10.15199/48.2020.10.05. 15. Mung Chiang. Geometric Programming for Communication Systems. Boston–Delft. 2005. 159 p.
id veorgua-article-376
institution Vidnovluvana energetika
keywords_txt_mv keywords
language Ukrainian
last_indexed 2026-07-19T01:10:35Z
publishDate 2022
publisher Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
record_format ojs
resource_txt_mv veorgua/25/658db0916692082befb55c89d9b17e25.pdf
spelling veorgua-article-3762026-07-18T06:32:17Z HYDROGEN TECHNOLOGIES FOR ALIGNMENT OF GENERATION SCHEDULES OF WIND POWER PLANTS DURING BALANCING OF ENERGY POWER SYSTEM MODES ВОДНЕВІ ТЕХНОЛОГІЇ ДЛЯ ВИРІВНЮВАННЯ ГРАФІКІВ ГЕНЕРУВАННЯ ВІТРОВИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ ПІД ЧАС БАЛАНСУВАННЯ РЕЖИМІВ ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИЧНИХ СИСТЕМ Komar, V. Kudrya, S. Lezhniuk, P. Hunko, I. renewable energy sources, wind power plants, generation instability, energy power system, redundancy, hydrogen technology, similarity theory, criterion method. відновлювані джерела енергії, вітрові електричні станції, нестабільність генеру-вання, електрое-нергетична система, резервування, водневі технології, теорія подібності, критеріаль-ний метод. The article shows the possibility of using hydrogen as an energy carrier to compensate for the deviations of the generation schedules of power plants using renewable energy sources (RES), in particular wind power plants (WPP), from those declared by NEC "Ukrenergo". This ensures the effective participation of wind power plants in the process of maintaining the frequency and permissible voltage levels in the energy power system (EPS). Possible methods and ways of reserving the unevenness of RES electricity generation caused by weather conditions are analyzed, and the advantages of hydrogen technologies over others are shown. They are more universal, because hydrogen produced with the help of renewable energy sources can be used as an energy carrier not only in the power industry, but also in other industries. At the same time, the use of hydrogen technologies during the balancing of EPS modes opens up new opportunities for the development of wind and solar power plants in the EPS, as fines and restrictions on the production of RES electricity are reduced. The algorithm for using hydrogen as an energy carrier to reduce the error between the actual and forecasted hourly schedules of generation of wind power plants as part of the balancing group is considered. Mathematical models were developed on the basis of the theory of similarity and the criterion method. This approach, based on the minimum available initial information, provides an opportunity to compare different methods of reserving the uneven generation of wind power plants, to assess their proportionality, and also to determine the sensitivity of costs to the capacity of the reserving methods. Criterion models have been formed that allow for the dependence of costs for reserving the uneven generation of wind power plants on the capacity of hydrogen-type accumulators and on the capacity of the system reserve together with the throughput of power transmission lines. It is shown that similar dependencies make it possible to more reasonably choose certain reservation methods in accordance with the characteristics and requirements of the EPS. Ref. 15. Fig. 2. У роботі показана можливість використання водню як енергоносія для компенсації відхилень графіків генерування електричних станцій, що використовують відновлювані джерела енергії (ВДЕ), зокрема вітрових електро-станцій (ВЕС), від заявлених в НЕК «Укренерго». Тим самим забезпечується ефективна участь ВЕС у процесі підтрим-ки частоти й допустимих рівнів напруги в електроенергетичній системі (ЕЕС). Аналізуються можливі методи і способи резервування не-рівномірності генерування електроенергії ВДЕ, викликаних погодними умовами, і показано переваги водневих технологій над іншими. Вони є універсальнішими, оскільки вироблений з допомогою ВДЕ водень може використовуватися як енергоносій не тільки в електроенергетиці, а й в інших галузях. Заазом використання водневих технологій під час балансування режимів ЕЕС відкриває нові можливості щодо розбудови вітрових та фотоелектричних станцій в ЕЕС, бо зменшуються штрафні санкції та обмеження у виробленні електроенергії ВДЕ. Розглянуто алго-ритм використання водню як енергоносія для зменшення похибки між фактичним і прогнозованим по-годинними графіками генерування ВЕС у складі балансувальної групи. Математичні моделі розроблено на основі теорії подібності й критеріального методу. Такий підхід при мінімально доступній вихідній інформації забезпечує можливість порівнювати між собою різні способи резервування нерівномірності генерування ВЕС, оцінювати їх співрозмірність, а також визначити чутливість витрат до потужності способів резервування. Сформовано критеріальні моделі, які дозволяють побудувати залежності витрат на ре-зервування нерівномірності генерування ВЕС від потужності накопичувачів водневого типу та від потуж-ності системного резерву сукупно з пропускною здатністю ліній електропередачі. Показано, що подібні залежності дають можливість більш обґрунтовано вибирати ті чи інші способи резервування відповідно до характеристик і вимог ЕЕС.     Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2022-12-30 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/376 10.36296/1819-8058.2022.4(71).64-70 Vidnovluvana energetika ; No. 4(71) (2022): Scientific and applied Journal renewable energy ; 64-70 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 4(71) (2022): Scientific and applied Journal renewable energy ; 64-70 Відновлювана енергетика; № 4(71) (2022): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 64-70 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2022.4(71) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/376/293 Copyright (c) 2022 V. Komar, S. Kudrya, P. Lezhniuk, I. Hunko https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0
spellingShingle renewable energy sources
wind power plants
generation instability
energy power system
redundancy
hydrogen technology
similarity theory
criterion method.
Komar, V.
Kudrya, S.
Lezhniuk, P.
Hunko, I.
HYDROGEN TECHNOLOGIES FOR ALIGNMENT OF GENERATION SCHEDULES OF WIND POWER PLANTS DURING BALANCING OF ENERGY POWER SYSTEM MODES
title HYDROGEN TECHNOLOGIES FOR ALIGNMENT OF GENERATION SCHEDULES OF WIND POWER PLANTS DURING BALANCING OF ENERGY POWER SYSTEM MODES
title_alt ВОДНЕВІ ТЕХНОЛОГІЇ ДЛЯ ВИРІВНЮВАННЯ ГРАФІКІВ ГЕНЕРУВАННЯ ВІТРОВИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ ПІД ЧАС БАЛАНСУВАННЯ РЕЖИМІВ ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИЧНИХ СИСТЕМ
title_full HYDROGEN TECHNOLOGIES FOR ALIGNMENT OF GENERATION SCHEDULES OF WIND POWER PLANTS DURING BALANCING OF ENERGY POWER SYSTEM MODES
title_fullStr HYDROGEN TECHNOLOGIES FOR ALIGNMENT OF GENERATION SCHEDULES OF WIND POWER PLANTS DURING BALANCING OF ENERGY POWER SYSTEM MODES
title_full_unstemmed HYDROGEN TECHNOLOGIES FOR ALIGNMENT OF GENERATION SCHEDULES OF WIND POWER PLANTS DURING BALANCING OF ENERGY POWER SYSTEM MODES
title_short HYDROGEN TECHNOLOGIES FOR ALIGNMENT OF GENERATION SCHEDULES OF WIND POWER PLANTS DURING BALANCING OF ENERGY POWER SYSTEM MODES
title_sort hydrogen technologies for alignment of generation schedules of wind power plants during balancing of energy power system modes
topic renewable energy sources
wind power plants
generation instability
energy power system
redundancy
hydrogen technology
similarity theory
criterion method.
topic_facet renewable energy sources
wind power plants
generation instability
energy power system
redundancy
hydrogen technology
similarity theory
criterion method.
відновлювані джерела енергії
вітрові електричні станції
нестабільність генеру-вання
електрое-нергетична система
резервування
водневі технології
теорія подібності
критеріаль-ний метод.
url https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/376
work_keys_str_mv AT komarv hydrogentechnologiesforalignmentofgenerationschedulesofwindpowerplantsduringbalancingofenergypowersystemmodes
AT kudryas hydrogentechnologiesforalignmentofgenerationschedulesofwindpowerplantsduringbalancingofenergypowersystemmodes
AT lezhniukp hydrogentechnologiesforalignmentofgenerationschedulesofwindpowerplantsduringbalancingofenergypowersystemmodes
AT hunkoi hydrogentechnologiesforalignmentofgenerationschedulesofwindpowerplantsduringbalancingofenergypowersystemmodes
AT komarv vodnevítehnologíídlâvirívnûvannâgrafíkívgeneruvannâvítrovihelektrostancíjpídčasbalansuvannârežimívelektroenergetičnihsistem
AT kudryas vodnevítehnologíídlâvirívnûvannâgrafíkívgeneruvannâvítrovihelektrostancíjpídčasbalansuvannârežimívelektroenergetičnihsistem
AT lezhniukp vodnevítehnologíídlâvirívnûvannâgrafíkívgeneruvannâvítrovihelektrostancíjpídčasbalansuvannârežimívelektroenergetičnihsistem
AT hunkoi vodnevítehnologíídlâvirívnûvannâgrafíkívgeneruvannâvítrovihelektrostancíjpídčasbalansuvannârežimívelektroenergetičnihsistem