Анализа проблема повезаности дизел генераторских сетова и складиштења енергије

Ево детаљног објашњења на енглеском језику четири основна проблема у вези са међусобним повезивањем дизел генераторских сетова и система за складиштење енергије. Овај хибридни енергетски систем (често назван хибридна микромрежа „Дизел + складиштење“) је напредно решење за побољшање ефикасности, смањење потрошње горива и обезбеђивање стабилног напајања, али је његова контрола веома сложена.

Преглед основних проблема

1. Проблем са обрнутом снагом од 100 мс: Како спречити складиштење енергије да враћа енергију дизел генератору, и тако га заштитити.
2. Константна излазна снага: Како одржавати дизел мотор константно у зони високе ефикасности.
3. Изненадни прекид складиштења енергије: Како се носити са последицама изненадног нестанка мреже система за складиштење енергије.
4. Проблем реактивне снаге: Како координирати дељење реактивне снаге између два извора како би се осигурала стабилност напона.

1. Проблем обрнуте снаге од 100 мс

Опис проблема:
До обрнутог снаге долази када електрична енергија тече из система за складиштење енергије (или оптерећења) назад ка дизел генераторском сету. За дизел мотор, ово делује као „мотор“, који покреће мотор. Ово је изузетно опасно и може довести до:

• Механичка оштећења: Ненормална вожња мотора може оштетити компоненте попут радилице и клипњача.
• Нестабилност система: Узрокује флуктуације у брзини (фреквенцији) и напону дизел мотора, што потенцијално може довести до гашења.

Захтев да се то реши у року од 100 ms постоји зато што дизел генератори имају велику механичку инерцију и њихови системи за регулацију брзине реагују споро (обично реда величине неколико секунди). Не могу се ослонити на себе да брзо сузбију овај електрични повратни ток. Задатак мора да обави ултрабрзи систем за конверзију енергије (PCS) система за складиштење енергије.

Решење:

• Основни принцип: „Дизел води, складиштење следи.“ У целом систему, дизел генераторски сет делује као извор референтног напона и фреквенције (тј. V/F режим контроле), аналогно „мрежи“. Систем за складиштење енергије ради у режиму контроле константне снаге (PQ), где је његова излазна снага искључиво одређена командама из главног контролера.
• Контролна логика:
  1. Праћење у реалном времену: Главни контролер система (или сам PCS за складиштење података) прати излазну снагу (П_дизел) и смер дизел генератора у реалном времену веома великом брзином (нпр. хиљадама пута у секунди).
  2. Подешена вредност снаге: Подешена вредност снаге за систем за складиштење енергије (P_set) мора да задовољи:P_load(укупна снага оптерећења) =П_дизел+P_set.
  3. Брзо подешавање: Када се оптерећење нагло смањи, што узрокујеП_дизелДа би тренд био негативан, контролер мора у року од неколико милисекунди послати команду PCS-у за складиштење да одмах смањи снагу пражњења или пређе на апсорпцију снаге (пуњење). Ово апсорбује вишак енергије у батерије, осигуравајућиП_дизелостаје позитиван.
• Техничке мере заштите:
  • Брза комуникација: Потребни су протоколи за брзу комуникацију (нпр. CAN магистрала, брзи Ethernet) између дизел контролера, PCS-а за складиштење података и главног контролера система како би се осигурало минимално кашњење команде.
  • Брзи одзив PCS-а: Модерне PCS јединице за складиштење података имају време одзива напајања далеко брже од 100ms, често унутар 10ms, што их чини потпуно способним да испуне овај захтев.
  • Редундантна заштита: Поред контролне везе, на излазу дизел генератора се обично инсталира релеј за заштиту од обрнуте снаге као коначна хардверска баријера. Међутим, његово време рада може бити неколико стотина милисекунди, тако да првенствено служи као резервна заштита; брза заштита језгра ослања се на контролни систем.

2. Константна излазна снага

Опис проблема:
Дизел мотори раде са максималном ефикасношћу горива и најнижим емисијама у опсегу оптерећења од приближно 60%-80% њихове номиналне снаге. Мала оптерећења узрокују „мокро накупљање“ и накупљање угљеника, док велика оптерећења драстично повећавају потрошњу горива и скраћују век трајања. Циљ је изоловати дизел мотор од флуктуација оптерећења, одржавајући га стабилним на ефикасној подешеној вредности.

Решење:

• Стратегија контроле „Смањивање врхова и попуњавање долина“:
  1. Подешена основна тачка: Дизел генераторски сет ради са константном излазном снагом подешеном на његову оптималну тачку ефикасности (нпр. 70% номиналне снаге).
  2. Правилник о складиштењу:
     • Када је потражња за оптерећењем > Задата вредност дизел мотора: Недостајућа снага (P_load - P_diesel_set) допуњује се пражњењем система за складиштење енергије.
     • Када је потражња за оптерећењем < задана вредност дизел мотора: Вишак снаге (P_diesel_set - P_load) апсорбује се пуњењем система за складиштење енергије.
• Предности система:
  • Дизел мотор ради константно са високом ефикасношћу, глатко, продужавајући свој век трајања и смањујући трошкове одржавања.
  • Систем за складиштење енергије ублажава драстичне флуктуације оптерећења, спречавајући неефикасност и хабање узроковано честим променама оптерећења дизел мотора.
  • Укупна потрошња горива је значајно смањена.

3. Изненадни прекид складиштења енергије

Опис проблема:
Систем за складиштење енергије може изненада да се искључи због квара батерије, квара PCS-а или заштитних окидача. Енергија коју је претходно обрађивало складиште (било да је генерисала или потрошила) се тренутно у потпуности преноси на дизел генераторски сет, стварајући масиван струјни удар.

Ризици:

• Ако се складиште празнило (подржавало оптерећење), његово искључење преноси пуно оптерећење на дизел, што потенцијално може изазвати преоптерећење, пад фреквенције (брзине) и заштитно искључивање.
• Ако се складиште пунило (апсорбовало вишак енергије), његово искључење оставља вишак енергије дизел мотора без икаквог разлога, што потенцијално може изазвати обрнути ток енергије и пренапон, а такође и искључивање.

Решење:

• Резерва бочног окретања дизел генератора: Дизел генераторски сет не сме бити димензионисан само за своју оптималну тачку ефикасности. Мора имати динамички резервни капацитет. На пример, ако је максимално оптерећење система 1000 kW, а дизел мотор ради на 700 kW, номинални капацитет дизел мотора мора бити већи од 700 kW + највеће потенцијално степенасто оптерећење (или максимална снага складишта), нпр. изабран је уређај од 1000 kW, који обезбеђује резерву од 300 kW за квар складишта.
• Брза контрола оптерећења:
  1. Праћење система у реалном времену: Континуирано прати статус и проток снаге система за складиштење.
  2. Детекција грешке: Након детекције изненадног искључења складишта, главни контролер одмах шаље сигнал за брзо смањење оптерећења дизел контролеру.
  3. Одговор дизел мотора: Контролер дизел мотора реагује одмах (нпр. брзо смањује убризгавање горива) како би покушао да смањи снагу како би се прилагодила новом оптерећењу. Резервни капацитет окретања купује време за овај спорији механички одговор.
• Последње средство: Искључење оптерећења: Ако је струјни удар превелик да би га дизел мотор могао поднети, најпоузданија заштита је искључивање некритичних оптерећења, дајући приоритет безбедности критичних оптерећења и самог генератора. Шема за искључење оптерећења је суштински захтев заштите у дизајну система.

4. Проблем реактивне снаге

Опис проблема:
Реактивна снага се користи за успостављање магнетних поља и кључна је за одржавање стабилности напона у наизменичним системима. И дизел генератор и систем за складиштење енергије (PCS) морају да учествују у регулацији реактивне снаге.

• Дизел генератор: Контролише излазну реактивну снагу и напон подешавањем струје побуде. Његова реактивна снага је ограничена, а одзив спор.
• Складишне PCS јединице: Већина модерних PCS јединица је четвороквадрантна, што значи да могу независно и брзо убризгавати или апсорбовати реактивну снагу (под условом да не прелазе своју привидну снагу kVA).

Изазов: Како координирати оба да би се осигурала стабилност напона система без преоптерећења било које јединице.

Решење:

• Стратегије контроле:
  1. Дизел управља напоном: Дизел генератор је подешен на V/F режим, одговоран за успостављање референтног напона и фреквенције система. Он обезбеђује стабилан „извор напона“.
  2. Складиштење учествује у реактивној регулацији (опционо):
     • PQ режим: Складиштење обрађује само активну снагу (P), са реактивном снагом (Q) подешено на нулу. Дизел обезбеђује сву реактивну снагу. Ово је најједноставнији метод, али оптерећује дизел.
     • Режим расподеле реактивне снаге: Главни контролер система шаље команде реактивне снаге (Q_сет) до PCS-а за складиштење на основу тренутних напонских услова. Ако је напон система низак, наложите складиштењу да убризга реактивну снагу; ако је висок, наложите му да апсорбује реактивну снагу. Ово растерећује дизел мотор, омогућавајући му да се фокусира на излазну активну снагу, уз истовремено финију и бржу стабилизацију напона.
     • Режим контроле фактора снаге (PF): Подешава се циљни фактор снаге (нпр. 0,95), а складиште аутоматски подешава свој реактивни излаз како би одржало константан укупни фактор снаге на терминалима дизел генератора.
• Разматрање капацитета: PCS за складиштење мора бити димензионисано са довољним привидним капацитетом снаге (kVA). На пример, PCS од 500 kW који производи 400 kW активне снаге може да обезбеди максимумsqrt(500² - 400²) = 300kVArреактивне снаге. Ако је потражња за реактивном снагом велика, потребан је већи PCS.

Резиме

Успешно постизање стабилне међусобне везе између дизел генераторског сета и складишта енергије зависи од хијерархијске контроле:

1. Хардверски слој: Изаберите брзоодзивни PCS за складиштење података и контролер дизел генератора са интерфејсима за комуникацију велике брзине.
2. Контролни слој: Користите фундаменталну архитектуру „Дизел подешава V/F, складиштење ради PQ“. Системски контролер велике брзине врши расподелу снаге у реалном времену за „смањење вршних вредности/попуњавање доњих граница“ активне снаге и подршку реактивној снази.
3. Заштитни слој: Дизајн система мора да укључује свеобухватне планове заштите: заштиту од обрнутог напајања, заштиту од преоптерећења и стратегије контроле оптерећења (чак и смањења оптерећења) како би се решило изненадно искључење складишта.

Кроз горе описана решења, четири кључна проблема која сте покренули могу се ефикасно решити како би се изградио ефикасан, стабилан и поуздан хибридни систем за складиштење дизел енергије.