Analýza problému prepojenia medzi dieselovými generátorovými súpravami a systémami na ukladanie energie

Tu je podrobné vysvetlenie štyroch základných problémov týkajúcich sa prepojenia dieselových generátorových súprav a systémov na skladovanie energie v angličtine. Tento hybridný energetický systém (často nazývaný hybridná mikrosieť „diesel + skladovanie“) je pokročilým riešením na zlepšenie účinnosti, zníženie spotreby paliva a zabezpečenie stabilného zásobovania energiou, ale jeho riadenie je veľmi zložité.

Prehľad kľúčových problémov

1. Problém so spätným napájaním pri 100 ms: Ako zabrániť spätnému napájaniu dieselového generátora zo systému akumulácie energie a tým ho chrániť.
2. Konštantný výkon: Ako udržať dieselový motor v konzistentnom režime v zóne vysokej účinnosti.
3. Náhle odpojenie systému skladovania energie: Ako zvládnuť dopad náhleho výpadku systému skladovania energie zo siete.
4. Problém jalového výkonu: Ako koordinovať rozdelenie jalového výkonu medzi dva zdroje, aby sa zabezpečila stabilita napätia.

1. Problém so 100 ms reverzným výkonom

Popis problému:
K spätnému výkonu dochádza, keď elektrická energia prúdi zo systému na ukladanie energie (alebo záťaže) späť do dieselového generátora. Pre dieselový motor to funguje ako „motor“, ktorý ho poháňa. To je mimoriadne nebezpečné a môže viesť k:

• Mechanické poškodenie: Abnormálna jazda motora môže poškodiť komponenty, ako je kľukový hriadeľ a ojnice.
• Nestabilita systému: Spôsobuje kolísanie otáčok (frekvencie) a napätia dieselového motora, čo môže viesť k jeho vypnutiu.

Požiadavka na vyriešenie problému do 100 ms existuje preto, lebo dieselové generátory majú veľkú mechanickú zotrvačnosť a ich systémy regulácie otáčok reagujú pomaly (zvyčajne rádovo v sekundách). Nemôžu sa spoľahnúť na to, že rýchlo potlačia tento elektrický spätný tok. Túto úlohu musí zvládnuť ultrarýchlo reagujúci systém premeny energie (PCS) systému skladovania energie.

Riešenie:

• Základný princíp: „Dieselový generátor vedie, akumulácia nasleduje.“ V celom systéme dieselový generátor funguje ako zdroj referenčného napätia a frekvencie (t. j. režim riadenia V/F), analogicky k „sieťovému systému“. Systém akumulácie energie pracuje v režime riadenia s konštantným výkonom (PQ), kde jeho výstupný výkon je určený výlučne príkazmi z hlavného ovládača.
• Riadiaca logika:
  1. Monitorovanie v reálnom čase: Hlavný ovládač systému (alebo samotný úložný systém PCS) monitoruje výstupný výkon (P_diesel) a smer dieselového generátora v reálnom čase veľmi vysokou rýchlosťou (napr. tisíckrát za sekundu).
  2. Požadovaná hodnota výkonu: Požadovaná hodnota výkonu pre systém akumulácie energie (P_set) musí spĺňať:P_zaťaženie(celkový výkon záťaže) =P_diesel+P_set.
  3. Rýchle nastavenie: Keď sa záťaž náhle zníži, čo spôsobíP_dieselPre negatívny trend musí riadiaca jednotka v priebehu niekoľkých milisekúnd odoslať príkaz do úložného PCS, aby okamžite znížila vybíjací výkon alebo prepla na absorpciu energie (nabíjanie). Tým sa prebytočná energia absorbuje do batérií, čím sa zabezpečíP_dieselzostáva pozitívny.
• Technické bezpečnostné opatrenia:
  • Vysokorýchlostná komunikácia: Medzi riadiacou jednotkou naftového motora, úložným PCS a hlavným riadiacou jednotkou systému sú potrebné vysokorýchlostné komunikačné protokoly (napr. zbernica CAN, rýchly Ethernet), aby sa zabezpečilo minimálne oneskorenie príkazov.
  • Rýchla odozva PCS: Moderné úložné jednotky PCS majú časy odozvy napájania oveľa rýchlejšie ako 100 ms, často do 10 ms, vďaka čomu sú plne schopné splniť túto požiadavku.
  • Redundantná ochrana: Okrem riadiaceho prepojenia sa na výstupe dieselového generátora zvyčajne inštaluje ochranné relé proti spätnému napájaniu ako konečná hardvérová bariéra. Jeho prevádzkový čas však môže byť niekoľko stoviek milisekúnd, takže slúži predovšetkým ako záložná ochrana; rýchla ochrana jadra sa spolieha na riadiaci systém.

2. Konštantný výstupný výkon

Popis problému:
Dieselové motory pracujú s maximálnou palivovou účinnosťou a najnižšími emisiami v rozsahu zaťaženia približne 60 % – 80 % ich menovitého výkonu. Nízke zaťaženie spôsobuje „mokré usadzovanie“ a hromadenie uhlíka, zatiaľ čo vysoké zaťaženie drasticky zvyšuje spotrebu paliva a skracuje životnosť. Cieľom je izolovať naftový motor od kolísania zaťaženia a udržiavať ho stabilný na efektívnej nastavenej hodnote.

Riešenie:

• Stratégia kontroly „Odstraňovanie vrcholov a vypĺňanie údolí“:
  1. Nastavený základný bod: Dieselový generátor pracuje s konštantným výstupným výkonom nastaveným na bod optimálnej účinnosti (napr. 70 % menovitého výkonu).
  2. Predpisy o skladovaní:
     • Keď je požiadavka na zaťaženie > nastavená hodnota nafty: Nedostatočný výkon (P_zaťaženie - P_nafta_súprava) je doplnené vybíjaním systému akumulácie energie.
     • Keď je dopyt po záťaži < nastavená hodnota nafty: Prebytočný výkon (P_diesel_set - P_load) sa absorbuje pri nabíjaní systému akumulácie energie.
• Výhody systému:
  • Dieselový motor beží konzistentne s vysokou účinnosťou a hladko, čo predlžuje jeho životnosť a znižuje náklady na údržbu.
  • Systém akumulácie energie vyrovnáva drastické výkyvy zaťaženia, čím zabraňuje neefektívnosti a opotrebovaniu spôsobenému častými zmenami zaťaženia naftového motora.
  • Celková spotreba paliva sa výrazne zníži.

3. Náhle odpojenie úložiska energie

Popis problému:
Systém na ukladanie energie môže náhle prestať pracovať v dôsledku zlyhania batérie, poruchy PCS alebo vypnutia ochrany. Energia, ktorú predtým spracovával systém na ukladanie energie (či už generoval alebo spotrebovával), sa okamžite prenesie úplne do dieselového generátora, čo spôsobí masívny výpadok prúdu.

Riziká:

• Ak sa akumulácia vybíjala (unášala záťaž), jej odpojenie prenieslo plnú záťaž na naftový motor, čo mohlo spôsobiť preťaženie, pokles frekvencie (rýchlosti) a ochranné vypnutie.
• Ak sa úložisko nabíjalo (absorbovalo prebytočný výkon), jeho odpojenie spôsobí, že prebytočný výkon naftového motora nebude kam ísť, čo môže spôsobiť spätný výkon a prepätie, a tiež spustiť vypnutie.

Riešenie:

• Rezerva bočného otáčania dieselového generátora: Dieselový generátor nesmie byť dimenzovaný len pre svoj optimálny bod účinnosti. Musí mať dynamickú rezervnú kapacitu. Napríklad, ak je maximálne zaťaženie systému 1000 kW a dieselový motor pracuje s výkonom 700 kW, menovitý výkon dieselového motora musí byť väčší ako 700 kW + najväčšie potenciálne skokové zaťaženie (alebo maximálny výkon zásobníka), napr. vybratá jednotka s výkonom 1000 kW poskytuje rezervu 300 kW pre prípad poruchy zásobníka.
• Rýchle ovládanie zaťaženia:
  1. Monitorovanie systému v reálnom čase: Nepretržite monitoruje stav a tok energie úložného systému.
  2. Detekcia poruchy: Po zistení náhleho odpojenia akumulácie hlavný regulátor okamžite odošle signál o rýchlom znížení zaťaženia do regulátora naftového motora.
  3. Reakcia naftového motora: Riadiaca jednotka naftového motora reaguje okamžite (napr. rýchlo znižuje vstrekovanie paliva), aby sa pokúsila znížiť výkon a prispôsobiť ho novému zaťaženiu. Rezervná kapacita otáčania poskytuje čas na túto pomalšiu mechanickú reakciu.
• Posledná možnosť: Odpojenie záťaže: Ak je výkyv prúdu príliš veľký na to, aby ho dieselový motor zvládol, najspoľahlivejšou ochranou je odpojenie nekritických záťaží, pričom sa uprednostňuje bezpečnosť kritických záťaží a samotného generátora. Systém odpojenia záťaže je základnou požiadavkou na ochranu v návrhu systému.

4. Problém s jalovým výkonom

Popis problému:
Reaktívny výkon sa používa na vytvorenie magnetických polí a je kľúčový pre udržanie stability napätia v striedavých systémoch. Na regulácii jalového výkonu sa musia podieľať dieselový generátor aj akumulačný systém PCS.

• Dieselový generátor: Riadi jalový výkon a napätie úpravou budiaceho prúdu. Jeho schopnosť dosahovať jalový výkon je obmedzená a jeho odozva je pomalá.
• Úložné PCS: Väčšina moderných jednotiek PCS je štvorkvadrantová, čo znamená, že dokážu nezávisle a rýchlo dodávať alebo absorbovať jalový výkon (za predpokladu, že neprekročia svoj zdanlivý výkon kVA).

Výzva: Ako koordinovať obe funkcie, aby sa zabezpečila stabilita napätia systému bez preťaženia ktorejkoľvek jednotky.

Riešenie:

• Stratégie kontroly:
  1. Dieselový generátor reguluje napätie: Dieselový generátor je nastavený na režim V/F, ktorý je zodpovedný za stanovenie referenčného napätia a frekvencie systému. Poskytuje stabilný „zdroj napätia“.
  2. Skladovanie sa podieľa na reaktívnej regulácii (voliteľné):
     • Režim PQ: Úložisko spracováva iba aktívny výkon (P), s jalovým výkonom (Q) nastavené na nulu. Všetok jalový výkon poskytuje naftový motor. Toto je najjednoduchšia metóda, ale zaťažuje naftový motor.
     • Režim dispečingu jalového výkonu: Hlavný regulátor systému odosiela príkazy na jalový výkon (Q_množina) do úložiska PCS na základe aktuálnych napäťových podmienok. Ak je napätie systému nízke, prikážte úložisku na vstreknutie jalového výkonu; ak je vysoké, prikážte mu na absorpciu jalového výkonu. Toto odľahčí dieselový motor a umožní mu sústrediť sa na výstup činného výkonu a zároveň zabezpečí jemnejšiu a rýchlejšiu stabilizáciu napätia.
     • Režim riadenia účinníka (PF): Nastaví sa cieľový účinník (napr. 0,95) a akumulácia automaticky upravuje svoj jalový výstup tak, aby sa na svorkách dieselového generátora udržal konštantný celkový účinník.
• Zohľadnenie kapacity: Úložný systém PCS musí byť dimenzovaný s dostatočnou zdanlivou výkonovou kapacitou (kVA). Napríklad systém PCS s výkonom 500 kW s výkonom 400 kW činného výkonu môže poskytnúť maximálnesqrt(500² - 400²) = 300 kVArjalového výkonu. Ak je dopyt po jalovom výkone vysoký, je potrebný väčší PCS.

Zhrnutie

Úspešné dosiahnutie stabilného prepojenia medzi dieselovým generátorom a úložiskom energie závisí od hierarchického riadenia:

1. Hardvérová vrstva: Vyberte rýchlo reagujúci úložný systém PCS a ovládač dieselového generátora s vysokorýchlostnými komunikačnými rozhraniami.
2. Riadiaca vrstva: Využite základnú architektúru „Diesel nastavuje V/F, Storage zabezpečuje PQ“. Vysokorýchlostný systémový ovládač vykonáva dispečing výkonu v reálnom čase pre „vyrovnávanie špičiek/vypĺňanie údolí“ činného výkonu a podporu jalového výkonu.
3. Ochranná vrstva: Návrh systému musí zahŕňať komplexné plány ochrany: ochranu proti spätnému napájaniu, ochranu proti preťaženiu a stratégie riadenia záťaže (aj odľahčenia) na zvládnutie náhleho odpojenia úložiska.

Pomocou vyššie opísaných riešení je možné efektívne riešiť štyri kľúčové problémy, ktoré ste nastolili, s cieľom vybudovať efektívny, stabilný a spoľahlivý hybridný energetický systém s dieselovým motorom a skladovaním energie.