Новини - Анализ на проблема с връзката между дизеловите генераторни агрегати и съхранението на енергия

Ето подробно обяснение на английски език на четирите основни проблема, свързани с взаимосвързването на дизеловите генераторни агрегати и системите за съхранение на енергия. Тази хибридна енергийна система (често наричана хибридна микромрежа „Дизел + Съхранение“) е усъвършенствано решение за подобряване на ефективността, намаляване на разхода на гориво и осигуряване на стабилно електрозахранване, но нейното управление е изключително сложно.

Преглед на основните проблеми

Проблем с обратната мощност от 100 ms: Как да се предотврати обратното подаване на енергия към дизеловия генератор от акумулатора, като по този начин се защити той.
Постоянна изходна мощност: Как да поддържаме дизеловия двигател да работи постоянно в зоната му на висока ефективност.
Внезапно прекъсване на захранването за съхранение на енергия: Как да се справим с последиците, когато системата за съхранение на енергия внезапно се откаже от мрежата.
Проблем с реактивната мощност: Как да се координира споделянето на реактивната мощност между двата източника, за да се осигури стабилност на напрежението.

1. Проблемът с обратната мощност от 100 ms

Описание на проблема:
Обратната мощност възниква, когато електрическата енергия тече от системата за съхранение на енергия (или товара) обратно към дизеловия генератор. За дизеловия двигател това действа като „мотор“, задвижващ двигателя. Това е изключително опасно и може да доведе до:

Механични повреди: Ненормалното шофиране на двигателя може да повреди компоненти като коляновия вал и мотовилките.
Нестабилност на системата: Причинява колебания в скоростта (честотата) и напрежението на дизеловия двигател, което потенциално води до спиране.

Изискването за разрешаване в рамките на 100 ms съществува, защото дизеловите генератори имат голяма механична инерция и техните системи за регулиране на скоростта реагират бавно (обикновено от порядъка на секунди). Те не могат да разчитат сами на себе си, за да потиснат бързо този електрически обратен поток. Задачата трябва да се изпълни от ултрабързо реагиращата система за преобразуване на енергия (PCS) на системата за съхранение на енергия.

Решение:

Основен принцип: „Дизелът води, съхранението следва.“ В цялата система дизеловият генератор действа като източник на референтно напрежение и честота (т.е. режим на V/F управление), аналогично на „мрежата“. Системата за съхранение на енергия работи в режим на управление с постоянна мощност (PQ), където изходната ѝ мощност се определя единствено от команди от главен контролер.
Логика на управлението:
1. Мониторинг в реално време: Главният системен контролер (или самата система за съхранение на данни) следи изходната мощност (P_дизел) и посоката на дизеловия генератор в реално време с много висока скорост (напр. хиляди пъти в секунда).
2. Зададена точка на мощност: Зададената точка на мощност за системата за съхранение на енергия (P_set) трябва да отговаря на:P_натоварване(обща мощност на натоварване) =P_дизел+P_set.
3. Бързо регулиране: Когато натоварването внезапно намалее, причинявайкиP_дизелЗа да се наблюдава отрицателна тенденция, контролерът трябва в рамките на няколко милисекунди да изпрати команда към PCS за съхранение, за да намали незабавно мощността на разреждане или да превключи към абсорбиране на мощност (зареждане). Това абсорбира излишната енергия в батериите, осигурявайки...P_дизелостава положителен.
Технически предпазни мерки:
- Високоскоростна комуникация: Необходими са високоскоростни комуникационни протоколи (напр. CAN шина, бърз Ethernet) между дизеловия контролер, системата за съхранение на данни и главния системен контролер, за да се осигури минимално забавяне на командите.
- Бърза реакция на PCS: Съвременните PCS устройства за съхранение имат време за реакция на захранването много по-бързо от 100 ms, често в рамките на 10 ms, което ги прави напълно способни да отговорят на това изискване.
- Резервна защита: Отвъд контролната връзка, на изхода на дизеловия генератор обикновено се инсталира реле за защита от обратно захранване като последна хардуерна бариера. Времето му за работа обаче може да бъде няколкостотин милисекунди, така че служи предимно като резервна защита; бързата защита на ядрото разчита на системата за управление.

2. Постоянна изходна мощност

Описание на проблема:
Дизеловите двигатели работят с максимална горивна ефективност и най-ниски емисии в диапазон на натоварване от приблизително 60%-80% от номиналната им мощност. Ниските натоварвания причиняват „мокро натрупване“ и натрупване на въглерод, докато високите натоварвания драстично увеличават разхода на гориво и намаляват живота. Целта е дизелът да се изолира от колебанията в натоварването, като се поддържа стабилен при ефективна зададена точка.

Решение:

Стратегия за контрол „Изглаждане на пикове и запълване на долини“:
1. Зададена базова точка: Дизеловият генератор работи с постоянна изходна мощност, зададена в точката на оптимална ефективност (например 70% от номиналната мощност).
2. Регламент за съхранение:
  - Когато натоварването е > зададената точка за дизел: Недостигащата мощност (P_натоварване - P_дизелов_комплект) се допълва от разреждането на системата за съхранение на енергия.
  - Когато натоварването < Зададената стойност на дизеловия двигател: Излишната мощност (P_дизел_комплект - P_натоварване) се абсорбира от зареждането на системата за съхранение на енергия.
Предимства на системата:
- Дизеловият двигател работи постоянно с висока ефективност и плавно, което удължава живота му и намалява разходите за поддръжка.
- Системата за съхранение на енергия изглажда драстичните колебания в натоварването, предотвратявайки неефективността и износването, причинени от честите промени в натоварването на дизеловия двигател.
- Общият разход на гориво е значително намален.

3. Внезапно прекъсване на съхранението на енергия

Описание на проблема:
Системата за съхранение на енергия може внезапно да се изключи поради повреда на батерията, повреда в PCS или защитни изключения. Енергията, обработвана преди това от системата за съхранение (независимо дали е генерирала или консумирала), незабавно се прехвърля изцяло към дизеловия генератор, създавайки масивен токов удар.

Рискове:

Ако акумулаторът се е разреждал (поддържал е товара), неговото изключване прехвърля пълното натоварване към дизеловия двигател, което потенциално може да причини претоварване, спад на честотата (скоростта) и защитно изключване.
Ако акумулаторът се е зареждал (абсорбирал е излишна мощност), неговото прекъсване оставя излишната мощност на дизела без къде да отиде, което потенциално може да причини обратна мощност и пренапрежение, а също и да предизвика изключване.

Решение:

Резерв за странично въртене на дизеловия двигател: Дизеловият генератор не трябва да се оразмерява само за оптимална точка на ефективност. Той трябва да има динамичен резервен капацитет. Например, ако максималното натоварване на системата е 1000 kW, а дизеловият двигател работи със 700 kW, номиналният капацитет на дизеловия двигател трябва да бъде по-голям от 700 kW + най-голямото потенциално стъпково натоварване (или максималната мощност на акумулатора), например, избран е агрегат с мощност 1000 kW, осигуряващ буфер от 300 kW за повреда в акумулатора.
Бърз контрол на натоварването:
1. Мониторинг на системата в реално време: Непрекъснато следи състоянието и потока на енергия на системата за съхранение.
2. Откриване на повреди: При откриване на внезапно прекъсване на съхранението, главният контролер незабавно изпраща сигнал за бързо намаляване на натоварването към дизеловия контролер.
3. Реакция на дизеловия двигател: Контролерът на дизеловия двигател действа незабавно (напр. бързо намалява впръскването на гориво), за да се опита да намали мощността, за да съответства на новото натоварване. Резервният капацитет на въртене осигурява време за тази по-бавна механична реакция.
Последна мярка: Разтоварване: Ако токовият удар е твърде голям, за да може дизелът да се справи, най-надеждната защита е разтоварването на некритичните товари, като се дава приоритет на безопасността на критичните товари и самия генератор. Схемата за разтоварване е основно изискване за защита при проектирането на системата.

4. Проблем с реактивната мощност

Описание на проблема:
Реактивната мощност се използва за създаване на магнитни полета и е от решаващо значение за поддържане на стабилност на напрежението в променливотоковите системи. Както дизеловият генератор, така и системата за съхранение на реактивна мощност (PCS) трябва да участват в регулирането на реактивната мощност.

Дизелов генератор: Контролира реактивната мощност и напрежението чрез регулиране на възбуждащия ток. Възможността му за реактивна мощност е ограничена и реакцията му е бавна.
Съхранение на PCS: Повечето съвременни PCS устройства са четириквадрантни, което означава, че могат независимо и бързо да инжектират или абсорбират реактивна мощност (при условие че не превишават своята видима мощност kVA).

Предизвикателство: Как да се координират двете, за да се осигури стабилност на системното напрежение, без да се претоварва нито един от блоковете.

Решение:

Стратегии за контрол:
1. Дизелът управлява напрежението: Дизеловият генератор е настроен на режим V/F, който е отговорен за установяване на системното напрежение и честота. Той осигурява стабилен „източник на напрежение“.
2. Съхранението участва в реактивното регулиране (по избор):
  - PQ режим: Устройството за съхранение обработва само активна мощност (P), с реактивна мощност (Q) зададено на нула. Дизелът осигурява цялата реактивна мощност. Това е най-простият метод, но натоварва дизела.
  - Режим на разпределение на реактивната мощност: Главният системен контролер изпраща команди за реактивна мощност (Q_set) към системата за съхранение на PCS въз основа на текущите условия на напрежението. Ако напрежението в системата е ниско, подайте команда на системата за съхранение да инжектира реактивна мощност; ако е високо, подайте команда да абсорбира реактивна мощност. Това облекчава натоварването на дизеловия двигател, позволявайки му да се фокусира върху активната мощност, като същевременно осигурява по-фина и бърза стабилизация на напрежението.
  - Режим на управление на фактора на мощността (PF): Задава се целеви фактор на мощността (например 0,95) и акумулаторът автоматично регулира реактивната си мощност, за да поддържа постоянен общ фактор на мощността на клемите на дизеловия генератор.
Съображения за капацитет: Съхраняващата PCS трябва да бъде оразмерена с достатъчен капацитет на видима мощност (kVA). Например, PCS с мощност 500 kW, генерираща 400 kW активна мощност, може да осигури максимумsqrt(500² - 400²) = 300kVArна реактивна мощност. Ако търсенето на реактивна мощност е високо, е необходима по-голяма PCS.

Обобщение

Успешното постигане на стабилна взаимовръзка между дизелов генератор и устройство за съхранение на енергия зависи от йерархичен контрол:

Хардуерен слой: Изберете бързо реагираща система за съхранение на данни (PCS) и контролер за дизелов генератор с високоскоростни комуникационни интерфейси.
Контролен слой: Използва фундаментална архитектура на „Дизелът задава V/F, Storage извършва PQ“. Високоскоростен системен контролер извършва разпределение на мощността в реално време за „понижаване на пиковете/запълване на спадовете“ на активната мощност и поддръжка на реактивната мощност.
Защитен слой: Проектирането на системата трябва да включва цялостни планове за защита: защита от обратно захранване, защита от претоварване и стратегии за контрол на натоварването (дори от прекъсване на натоварването), за да се справи с внезапното прекъсване на захранването.

Чрез описаните по-горе решения, четирите ключови проблема, които повдигнахте, могат да бъдат ефективно решени, за да се изгради ефикасна, стабилна и надеждна хибридна енергийна система за съхранение на дизелова енергия.