Analiza problema povezanosti dizelskih generatora i sustava za pohranu energije

Evo detaljnog objašnjenja na engleskom jeziku četiri ključna problema u vezi s međusobnim povezivanjem dizelskih generatora i sustava za pohranu energije. Ovaj hibridni energetski sustav (često nazivan hibridnom mikromrežom „Dizel + Pohrana“) napredno je rješenje za poboljšanje učinkovitosti, smanjenje potrošnje goriva i osiguravanje stabilne opskrbe energijom, ali njegovo upravljanje je vrlo složeno.

Pregled ključnih problema

1. Problem povratne snage od 100 ms: Kako spriječiti da skladištenje energije vraća snagu dizel generatoru i time ga zaštititi.
2. Konstantna izlazna snaga: Kako održati dizelski motor konstantno u zoni visoke učinkovitosti.
3. Iznenadni prekid veze s mrežom za pohranu energije: Kako se nositi s utjecajem iznenadnog prekida veze s mrežom za pohranu energije.
4. Problem reaktivne snage: Kako koordinirati raspodjelu reaktivne snage između dva izvora kako bi se osigurala stabilnost napona.

1. Problem obrnute snage od 100 ms

Opis problema:
Do obrnutog opterećenja dolazi kada električna energija teče iz sustava za pohranu energije (ili opterećenja) natrag prema dizelskom generatoru. Za dizelski motor, ovo djeluje kao "motor", koji pokreće motor. To je izuzetno opasno i može dovesti do:

• Mehanička oštećenja: Nepravilan rad motora može oštetiti komponente poput radilice i klipnjača.
• Nestabilnost sustava: Uzrokuje fluktuacije brzine (frekvencije) i napona dizelskog motora, što potencijalno može dovesti do gašenja.

Zahtjev za rješavanjem unutar 100 ms postoji jer dizelski generatori imaju veliku mehaničku inerciju i njihovi sustavi za regulaciju brzine reagiraju sporo (obično reda veličine sekundi). Ne mogu se osloniti na sebe da brzo suzbiju ovaj električni povratni tok. Zadatak mora obaviti ultrabrzi sustav za pretvorbu energije (PCS) sustava za pohranu energije.

Otopina:

• Osnovni princip: „Dizel vodi, skladištenje slijedi.“ U cijelom sustavu, dizel generator djeluje kao izvor referentnog napona i frekvencije (tj. V/F način upravljanja), analogno „mreži“. Sustav za skladištenje energije radi u načinu upravljanja konstantnom snagom (PQ), gdje je njegova izlazna snaga isključivo određena naredbama glavnog kontrolera.
• Logika upravljanja:
  1. Praćenje u stvarnom vremenu: Glavni kontroler sustava (ili sam PCS za pohranu) prati izlaznu snagu (P_diesel) i smjer dizel generatora u stvarnom vremenu vrlo velikom brzinom (npr. tisuće puta u sekundi).
  2. Zadana vrijednost snage: Zadana vrijednost snage za sustav za pohranu energije (P_set) mora zadovoljiti:P_opterećenje(ukupna snaga opterećenja) =P_diesel+P_set.
  3. Brzo podešavanje: Kada se opterećenje naglo smanji, uzrokujućiP_dieselZa negativni trend, kontroler mora u roku od nekoliko milisekundi poslati naredbu PCS-u za pohranu da odmah smanji snagu pražnjenja ili pređe na apsorpciju energije (punjenje). To apsorbira višak energije u baterije, osiguravajućiP_dieselostaje pozitivan.
• Tehničke zaštitne mjere:
  • Brza komunikacija: Protokoli brze komunikacije (npr. CAN sabirnica, brzi Ethernet) potrebni su između dizelskog regulatora, PCS-a za pohranu podataka i glavnog regulatora sustava kako bi se osiguralo minimalno kašnjenje naredbi.
  • Brzi odziv PCS-a: Moderne PCS jedinice za pohranu podataka imaju vrijeme odziva napajanja daleko brže od 100 ms, često unutar 10 ms, što ih čini u potpunosti sposobnima ispuniti ovaj zahtjev.
  • Redundantna zaštita: Osim upravljačke veze, na izlazu dizel generatora obično se ugrađuje relej za zaštitu od obrnutog napajanja kao konačna hardverska barijera. Međutim, njegovo vrijeme rada može biti nekoliko stotina milisekundi, pa prvenstveno služi kao rezervna zaštita; brza zaštita jezgre oslanja se na upravljački sustav.

2. Konstantna izlazna snaga

Opis problema:
Dizelski motori rade s maksimalnom učinkovitošću goriva i najnižim emisijama unutar raspona opterećenja od približno 60%-80% njihove nazivne snage. Niska opterećenja uzrokuju "mokro slaganje" i nakupljanje ugljika, dok visoka opterećenja drastično povećavaju potrošnju goriva i smanjuju vijek trajanja. Cilj je izolirati dizelski motor od fluktuacija opterećenja, održavajući ga stabilnim na učinkovitoj zadanoj vrijednosti.

Otopina:

• Strategija kontrole „smanjivanja vrhova i popunjavanja dolina“:
  1. Postavljena osnovna točka: Dizel generatorski agregat radi na konstantnoj izlaznoj snazi ​​postavljenoj na njegovu optimalnu točku učinkovitosti (npr. 70% nazivne snage).
  2. Pravilnik o skladištenju:
     • Kada je opterećenje > Zadana vrijednost dizela: Nedostajuća snaga (P_opterećenje - P_dizel_set) nadopunjuje se pražnjenjem sustava za pohranu energije.
     • Kada je opterećenje < Zadana vrijednost dizela: Višak snage (P_diesel_set - P_opterećenje) apsorbira se punjenjem sustava za pohranu energije.
• Prednosti sustava:
  • Dizelski motor radi konstantno s visokom učinkovitošću, glatko, produžujući svoj vijek trajanja i smanjujući troškove održavanja.
  • Sustav za pohranu energije ublažava drastične fluktuacije opterećenja, sprječavajući neučinkovitost i habanje uzrokovano čestim promjenama opterećenja dizelskog motora.
  • Ukupna potrošnja goriva je značajno smanjena.

3. Iznenadni prekid skladištenja energije

Opis problema:
Sustav za pohranu energije može iznenada pasti u mrežu zbog kvara baterije, kvara PCS-a ili zaštitnih isključenja. Energija koju je prethodno obrađivao sustav za pohranu (bilo da se radi o proizvodnji ili potrošnji) odmah se u potpunosti prenosi na dizelski generatorski set, stvarajući masivni strujni udar.

Rizici:

• Ako se skladište praznilo (podupirala opterećenje), njegovo isključenje prenosi puno opterećenje na dizel, što potencijalno uzrokuje preopterećenje, pad frekvencije (brzine) i zaštitno isključenje.
• Ako se skladište punilo (apsorbiralo višak energije), njegovo isključenje ostavlja višak energije dizelaša bez ikakvog prostora za odlazak, što potencijalno uzrokuje obrnutu snagu i prenapon, a također i gašenje.

Otopina:

• Rezerva dizelskog generatora za bočno okretanje: Dizelski generatorski agregat ne smije se dimenzionirati samo za svoju optimalnu točku učinkovitosti. Mora imati dinamički rezervni kapacitet. Na primjer, ako je maksimalno opterećenje sustava 1000 kW, a dizelski motor radi na 700 kW, nazivni kapacitet dizelskog motora mora biti veći od 700 kW + najveće potencijalno stepenasto opterećenje (ili maksimalna snaga spremnika), npr. odabrana jedinica od 1000 kW, koja osigurava međuspremnik od 300 kW za kvar spremnika.
• Brza kontrola opterećenja:
  1. Praćenje sustava u stvarnom vremenu: Kontinuirano prati status i protok energije sustava za pohranu.
  2. Otkrivanje kvara: Nakon otkrivanja iznenadnog isključenja spremnika, glavni regulator odmah šalje signal za brzo smanjenje opterećenja regulatoru dizelskog motora.
  3. Odgovor dizelskog motora: Regulator dizelskog motora odmah djeluje (npr. brzo smanjuje ubrizgavanje goriva) kako bi pokušao smanjiti snagu u skladu s novim opterećenjem. Rezervni kapacitet okretanja kupuje vrijeme za ovaj sporiji mehanički odgovor.
• Posljednja opcija: Isključivanje opterećenja: Ako je udar struje prevelik da bi ga dizel motor mogao podnijeti, najpouzdanija zaštita je isključivanje nekritičnih opterećenja, dajući prioritet sigurnosti kritičnih opterećenja i samog generatora. Shema isključivanja opterećenja bitan je zahtjev zaštite u dizajnu sustava.

4. Problem reaktivne snage

Opis problema:
Reaktivna snaga se koristi za uspostavljanje magnetskih polja i ključna je za održavanje stabilnosti napona u AC sustavima. I dizel generator i PCS za pohranu moraju sudjelovati u regulaciji reaktivne snage.

• Dizel generator: Kontrolira izlaznu reaktivnu snagu i napon podešavanjem struje pobude. Njegova reaktivna snaga je ograničena, a odziv spor.
• Skladišne ​​PCS jedinice: Većina modernih PCS jedinica je četverkvadrantna, što znači da mogu neovisno i brzo ubrizgati ili apsorbirati reaktivnu snagu (pod uvjetom da ne prelaze svoju prividnu nazivnu snagu kVA).

Izazov: Kako koordinirati oboje kako bi se osigurala stabilnost napona sustava bez preopterećenja bilo koje jedinice.

Otopina:

• Strategije kontrole:
  1. Dizel regulira napon: Dizel generatorski set postavljen je na V/F način rada, odgovoran za uspostavljanje referentnog napona i frekvencije sustava. Osigurava stabilan "izvor napona".
  2. Skladištenje sudjeluje u reaktivnoj regulaciji (opcionalno):
     • PQ način rada: Pohrana obrađuje samo aktivnu snagu (P), s reaktivnom snagom (Q) postavljeno na nulu. Dizel osigurava svu reaktivnu snagu. Ovo je najjednostavnija metoda, ali opterećuje dizel.
     • Način raspodjele reaktivne snage: Glavni regulator sustava šalje naredbe reaktivne snage (Q_set) do PCS-a za pohranu na temelju trenutnih naponskih uvjeta. Ako je napon sustava nizak, naredite pohranu da ubrizga reaktivnu snagu; ako je visok, naredite joj da apsorbira reaktivnu snagu. To rasterećuje dizel, omogućujući mu da se usredotoči na izlaz aktivne snage, a istovremeno osigurava finiju i bržu stabilizaciju napona.
     • Način upravljanja faktorom snage (PF): Postavlja se ciljani faktor snage (npr. 0,95), a skladište automatski prilagođava svoj reaktivni izlaz kako bi održalo konstantan ukupni faktor snage na terminalima dizel generatora.
• Razmatranje kapaciteta: PCS za pohranu mora biti dimenzioniran s dovoljnim prividnim kapacitetom snage (kVA). Na primjer, PCS od 500 kW koji daje 400 kW aktivne snage može osigurati maksimalnosqrt(500² - 400²) = 300kVArreaktivne snage. Ako je potražnja za reaktivnom snagom visoka, potreban je veći PCS.

Sažetak

Uspješno postizanje stabilne međusobne veze između dizel generatora i skladišta energije ovisi o hijerarhijskoj kontroli:

1. Sloj hardvera: Odaberite brzo reagirajući PCS za pohranu i kontroler dizel generatora s brzim komunikacijskim sučeljima.
2. Kontrolni sloj: Koristi temeljnu arhitekturu „Dizel postavlja V/F, Storage određuje PQ“. Brzi sistemski kontroler vrši raspodjelu snage u stvarnom vremenu za „smanjenje vršnih vrijednosti/popunjavanje dolina“ aktivne snage i podršku reaktivnoj snazi.
3. Sloj zaštite: Dizajn sustava mora uključivati ​​sveobuhvatne planove zaštite: zaštitu od obrnutog napajanja, zaštitu od preopterećenja i strategije kontrole opterećenja (čak i smanjenja opterećenja) za rješavanje iznenadnog isključenja sustava za pohranu.

Kroz gore opisana rješenja, četiri ključna problema koja ste naveli mogu se učinkovito riješiti kako bi se izgradio učinkovit, stabilan i pouzdan hibridni elektroenergetski sustav za pohranu energije na dizelski pogon.