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

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Background. Recently, interest in the problem of reducing the emissions of hydrocarbon fuel combustion products into the atmosphere and the use of alternative and renewable energy sources has sharply increased. This problem is relevant to both stationary and transport energy. One of the ways to reduce the harmful impact of primary energy sources in autonomous transport power plants on the environment is their hybridization, i.e., use, along with traditional energy sources (turbogenerators and diesel generators), of hydrogen sources of electricity (fuel cell batteries).

Aim. This study presents a justification of the optimal variant of the structure of an autonomous electric power system with a combined power plant based on hydrogen sources of electricity.

Materials and Methods. To achieve this goal, a comparative analysis of the parameters and characteristics of the power system elements was performed, as well as a method for modeling processes in the power system under study using the MATLAB Simulink package. Two options for the structure of an autonomous electric power system are being considered, namely, a common AC and DC bus. An analysis of the parameters and characteristics of these options was performed for three typical operating modes, namely, turning on a static load, direct starting of an asynchronous motor with a load on the shaft, and transferring consumers from power from a diesel generator to power from a battery of hydrogen fuel cells.

Results. In all considered modes, the VTE battery is characterized by a rapid response to load changes and stable efficiency. The nature of transient processes is aperiodic or low oscillatory, rapidly decaying. In terms of the number of semiconductor converters, filtering devices, and their total power, the structure of an autonomous power system with a common AC bus is more preferable.

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

  1. Shnipova AI. Development of hydrogen energy in Russia: a new energy policy. Energy of Unified Grid. 2022;62(1):58–69. [cited: 13.12.2023] Available from: https://энергия-единой-сети.рф/annotatsii-nomerov/1-62-2022/
  2. Tezuka K. 20 Years of Railway Technical Research Institute. Japan Railway & Transport Review. 2007;47(3):9–15. [cited: 13.12.2023] Available from: https://www.ejrcf.or.jp/jrtr/jrtr47/pdf/f09_Tez.pdf
  3. The Fuel Cell Industry Review, 2021. [internet] [cited 13 Dec. 2023] Available from: https://fuelcellindustryreview.com
  4. Klebsch W, Guckes N, Heininger P. Evaluation of climate-neutral alternatives to diesel multiple units. Economic viability assessment based on the example of the Düren network. June, 2020. [cited: 13.12.2023] Available from: https://www.vde.com/resource/blob/2068330/
  5. Ogawa K, Yoneyama T, Sudo T, et al. Performance Improvement of Fuel Cell Hybrid Powered Test Railway Vehicle. Quarterly Report of RTRI. 2021;62(1):16–21. doi: 10.2219/rtriqr.62.1_16
  6. Kasatkin MA, Landgraf IK. Perspektivy vodorodnyh energoustanovok na toplivnyh elementah dlya razvitiya elektrotransporta. Transport of Russian Federation. 2019;6(85):46–49 (In Russ.) [cited: 13.12.2023] Available from: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_42194760_27245461.pdf EDN: TBTUPX
  7. Karasev D. Vodorodnaya i akkumuliatornaya tyaga: proekty TMH. (In Russ.) [cited: 13.12.2023] Available from: https://tmholding.ru/media/article/7135.html
  8. Dugin GS, Grigoriev SA. New possibilities for fuel cells application on the transport means. Alternative Fuel Transport. 2010;2(14):76–78. [cited: 13.12.2023] Available from: https://ngvrus.ru/file/journal-history/tat-2-2010-preview.pdf EDN: MBWLIZ
  9. Study of Hydrogen Fuel Cell Technology for Rail Propulsion and Review of Relevant Industry Standards. № DOT/FRA/ORD-21/20. Washington: Federal Railroad Administration, 2021. [cited: 13.12.2023] Available from: https://railroads.dot.gov/sites/fra.dot.gov/files/2021-06/Study%20of%20Hydrogen%20Fuel%20Cell%20Tech.pdf
  10. Lapidus BM. Improvements in energy efficiency and the potential use of hydrogen fuel cells in railway transport. The Russian Railway Science Journal. 2019;5: 274–283. (In Russ.) doi: 10.21780/2223-9731-2019-78-5-274-283
  11. Kim KK, Tkachuk AA. The three-phase transformer with stabilizing properties. Electronics and electrical equipment of transport. 2016;5:18–21. (In Russ.) [cited: 13.12.2023] Available from: http://eet-journal.ru/upload/iblock/336/6j1cafwyohyzloe8qniupvrhzuwsa2z9.pdf
  12. Asabin V, Garanin M, Kurmanova L, et al. Prospects for using hydrogen on railway transport. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2020;953:012074. doi: 10.1088/1757-899X/953/1/012074
  13. Baiko AV, Nikitin VV, Sereda EG. Hydrogen energy sources with current inverters in ship AC power plants. Russian Electrical Engineering. 2017;6(88):355–360. doi: 10.3103/S1068371217060037
  14. Nikitin VV, Marikin AN, Tret’yakov AV. Generator cars with hybrid power plants. Russian Electrical Engineering. 2016;5(87):260–265. doi: 10.3103/S1068371216050138
  15. Kim KK, Panychev AYu, Blazhko LS. Innovative Energy Sources for Hyperloop High-Speed Transport. BRICS Transport. 2022;1(1):1–10. doi: 10.46684/2022.1.1

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. 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

Download (63KB)
3. 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

Download (421KB)
4. 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.

Download (289KB)
5. 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

Download (178KB)

Copyright (c) 2024 Karabadzhak I.D., Nikitin V.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

link to the archive of the previous title

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».