Știri - Analiza problemei legăturii dintre grupurile electrogene diesel și stocarea energiei

Iată o explicație detaliată în limba engleză a celor patru probleme principale privind interconectarea grupurilor electrogene diesel și a sistemelor de stocare a energiei. Acest sistem energetic hibrid (adesea numit microrețea hibridă „Motorină + Stocare”) este o soluție avansată pentru îmbunătățirea eficienței, reducerea consumului de combustibil și asigurarea unei alimentări stabile cu energie, dar controlul său este extrem de complex.

Prezentare generală a problemelor principale

Problemă cu puterea inversă de 100 ms: Cum să împiedici stocarea energiei să alimenteze generatorul diesel cu energie inversă, protejându-l astfel.
Putere constantă: Cum să mențineți motorul diesel în funcțiune constantă în zona sa de eficiență ridicată.
Deconectarea bruscă a stocării energiei: Cum să gestionezi impactul atunci când sistemul de stocare a energiei se întrerupe brusc de la rețea.
Problema puterii reactive: Cum se coordonează partajarea puterii reactive între cele două surse pentru a asigura stabilitatea tensiunii.

1. Problema puterii inverse de 100 ms

Descrierea problemei:
Puterea inversă apare atunci când energia electrică curge din sistemul de stocare a energiei (sau din sarcină) înapoi către grupul generator diesel. Pentru motorul diesel, acesta acționează ca un „motor”, acționând motorul. Acest lucru este extrem de periculos și poate duce la:

Deteriorare mecanică: Funcționarea anormală a motorului poate deteriora componente precum arborele cotit și bielele.
Instabilitatea sistemului: Provoacă fluctuații ale vitezei (frecvenței) și tensiunii motorului diesel, putând duce la oprirea acestuia.

Necesitatea rezolvării acesteia în termen de 100 ms există deoarece generatoarele diesel au o inerție mecanică mare, iar sistemele lor de reglare a vitezei răspund lent (de obicei, de ordinul secundelor). Nu se pot baza pe ele însele pentru a suprima rapid acest flux electric invers. Sarcina trebuie gestionată de sistemul de conversie a puterii (PCS) cu răspuns ultra-rapid al sistemului de stocare a energiei.

Soluţie:

Principiul fundamental: „Motorina conduce, stocarea urmează.” În întregul sistem, grupul electrogen diesel acționează ca sursă de referință de tensiune și frecvență (adică, modul de control V/F), analog cu „rețeaua”. Sistemul de stocare a energiei funcționează în modul de control la putere constantă (PQ), unde puterea sa de ieșire este determinată exclusiv de comenzile unui controler principal.
Logică de control:
1. Monitorizare în timp real: Controlerul principal al sistemului (sau PCS-ul de stocare în sine) monitorizează puterea de ieșire (P_diesel) și direcția generatorului diesel în timp real la o viteză foarte mare (de exemplu, de mii de ori pe secundă).
2. Punct de referință al puterii: Punctul de referință al puterii pentru sistemul de stocare a energiei (P_set) trebuie să îndeplinească:P_load(puterea totală a sarcinii) =P_diesel+P_set.
3. Reglare rapidă: Când sarcina scade brusc, provocândP_dieselPentru a avea o tendință negativă, controlerul trebuie să trimită în câteva milisecunde o comandă către PCS-ul de stocare pentru a reduce imediat puterea de descărcare sau a trece la puterea de absorbție (încărcare). Aceasta absoarbe excesul de energie în baterii, asigurândP_dieselrămâne pozitiv.
Măsuri de siguranță tehnice:
- Comunicare de mare viteză: Sunt necesare protocoale de comunicație de mare viteză (de exemplu, magistrală CAN, Ethernet rapid) între controlerul diesel, PCS-ul de stocare și controlerul principal al sistemului pentru a asigura o întârziere minimă a comenzii.
- Răspuns rapid PCS: Unitățile de stocare PCS moderne au timpi de răspuns la putere mult mai rapizi de 100 ms, adesea în limita a 10 ms, ceea ce le face pe deplin capabile să îndeplinească această cerință.
- Protecție redundantă: Dincolo de legătura de control, la ieșirea generatorului diesel este de obicei instalat un releu de protecție la putere inversă, ca barieră hardware finală. Cu toate acestea, timpul său de funcționare poate fi de câteva sute de milisecunde, așa că servește în principal ca protecție de rezervă; protecția rapidă de bază se bazează pe sistemul de control.

2. Putere de ieșire constantă

Descrierea problemei:
Motoarele diesel funcționează la o eficiență maximă a consumului de combustibil și la cele mai mici emisii într-un interval de sarcină de aproximativ 60%-80% din puterea lor nominală. Sarcinile mici provoacă „aglomerare umedă” și acumulare de carbon, în timp ce sarcinile mari cresc drastic consumul de combustibil și reduc durata de viață. Scopul este de a izola motorina de fluctuațiile de sarcină, menținându-o stabilă la un punct de referință eficient.

Soluţie:

Strategia de control „Rasierea vârfurilor și umplerea văilor”:
1. Punct de bază setat: Grupul electrogen diesel funcționează la o putere constantă setată la punctul său de eficiență optimă (de exemplu, 70% din puterea nominală).
2. Regulamentul de depozitare:
  - Când cererea de sarcină > valoarea de referință a motorului diesel: Puterea deficitară (P_load - P_diesel_set) este suplimentată de descărcarea sistemului de stocare a energiei.
  - Când cererea de sarcină < punct de referință pentru motorul diesel: Surplusul de putere (P_diesel_set - P_load) este absorbită de încărcarea sistemului de stocare a energiei.
Beneficii ale sistemului:
- Motorul diesel funcționează constant la o eficiență ridicată, fără probleme, prelungindu-i durata de viață și reducând costurile de întreținere.
- Sistemul de stocare a energiei netezește fluctuațiile drastice de sarcină, prevenind ineficiența și uzura cauzate de schimbările frecvente de sarcină a motorului diesel.
- Consumul total de combustibil este redus semnificativ.

3. Deconectarea bruscă a stocării energiei

Descrierea problemei:
Sistemul de stocare a energiei s-ar putea opri brusc din cauza unei defecțiuni a bateriei, a unei defecțiuni a PCS-ului sau a unor declanșări ale protecției. Energia gestionată anterior de stocare (fie că genera sau consumă) este transferată instantaneu în întregime către grupul generator diesel, creând un șoc masiv de putere.

Riscuri:

Dacă stocarea se descărca (suporta sarcina), deconectarea acesteia transferă întreaga sarcină către motorul diesel, provocând potențial supraîncărcare, scăderea frecvenței (vitezei) și oprirea de protecție.
Dacă acumulatorul se încărca (absorbe excesul de putere), deconectarea acestuia lasă excesul de putere al motorului diesel fără nicăieri unde să se ducă, provocând potențial inversarea puterii și supratensiune, declanșând și o oprire.

Soluţie:

Rezervă de rotație laterală a motorului diesel: Grupul electrogen diesel nu trebuie dimensionat doar pentru punctul său optim de eficiență. Trebuie să aibă o capacitate de rezervă dinamică. De exemplu, dacă sarcina maximă a sistemului este de 1000 kW și motorul diesel funcționează la 700 kW, capacitatea nominală a motorului diesel trebuie să fie mai mare de 700 kW + cea mai mare sarcină potențială treaptă (sau puterea maximă a stocării), de exemplu, o unitate de 1000 kW selectată, oferind o rezervă de 300 kW pentru o defecțiune a stocării.
Control rapid al încărcării:
1. Monitorizare în timp real a sistemului: Monitorizează continuu starea și fluxul de energie al sistemului de stocare.
2. Detectarea defecțiunilor: La detectarea unei deconectări bruște a stocării, controlerul principal trimite imediat un semnal de reducere rapidă a sarcinii către controlerul diesel.
3. Răspunsul motorului diesel: Regulatorul motorului diesel acționează imediat (de exemplu, reducând rapid injecția de combustibil) pentru a încerca să reducă puterea pentru a se potrivi cu noua sarcină. Capacitatea de rezervă rotativă câștigă timp pentru acest răspuns mecanic mai lent.
Ultima soluție: Deconectarea sarcinii: Dacă șocul de putere este prea mare pentru ca motorul diesel să îl poată gestiona, cea mai fiabilă protecție este deconectarea sarcinilor necritice, acordând prioritate siguranței sarcinilor critice și a generatorului în sine. O schemă de deconectare a sarcinii este o cerință esențială de protecție în proiectarea sistemului.

4. Problema puterii reactive

Descrierea problemei:
Puterea reactivă este utilizată pentru a stabili câmpuri magnetice și este crucială pentru menținerea stabilității tensiunii în sistemele de curent alternativ. Atât generatorul diesel, cât și PCS-ul de stocare trebuie să participe la reglarea puterii reactive.

Generator diesel: Controlează puterea reactivă de ieșire și tensiunea prin ajustarea curentului de excitație. Capacitatea sa de putere reactivă este limitată, iar răspunsul său este lent.
Stocare PCS: Majoritatea unităților PCS moderne au patru cadrane, ceea ce înseamnă că pot injecta sau absorbi independent și rapid putere reactivă (cu condiția să nu depășească puterea nominală aparentă kVA).

Provocare: Cum să coordonezi ambele pentru a asigura stabilitatea tensiunii sistemului fără a supraîncărca niciuna dintre unități.

Soluţie:

Strategii de control:
1. Tensiunea controlată de motorul diesel: Grupul generator diesel este setat în modul V/F, responsabil pentru stabilirea referinței de tensiune și frecvență a sistemului. Acesta oferă o „sursă de tensiune” stabilă.
2. Stocarea participă la reglarea reactivă (opțional):
  - Mod PQ: Stocarea gestionează doar energia activă (P), cu putere reactivă (Q) setat la zero. Motorina furnizează toată puterea reactivă. Aceasta este cea mai simplă metodă, dar suprasolicită motorina.
  - Mod de dispecerizare a puterii reactive: Controlerul principal al sistemului trimite comenzi de putere reactivă (Q_set) către PCS-ul de stocare pe baza condițiilor de tensiune actuale. Dacă tensiunea sistemului este scăzută, comandați stocării să injecteze putere reactivă; dacă este mare, comandați-i să absoarbă puterea reactivă. Acest lucru degrevează motorul diesel, permițându-i să se concentreze pe puterea activă de ieșire, asigurând în același timp o stabilizare a tensiunii mai fină și mai rapidă.
  - Mod de control al factorului de putere (PF): Se setează un factor de putere țintă (de exemplu, 0,95), iar stocarea își ajustează automat ieșirea reactivă pentru a menține un factor de putere general constant la bornele generatorului diesel.
Considerații privind capacitatea: PCS-ul de stocare trebuie dimensionat cu o capacitate aparentă suficientă (kVA). De exemplu, un PCS de 500 kW care produce 400 kW de putere activă poate furniza un maxim depătrat (500² - 400²) = 300 kVArde putere reactivă. Dacă cererea de putere reactivă este mare, este necesar un PCS mai mare.

Rezumat

Realizarea cu succes a unei interconectări stabile între un grup electrogen diesel și un sistem de stocare a energiei depinde de controlul ierarhic:

Nivel hardware: Selectați un PCS de stocare cu răspuns rapid și un controler de generator diesel cu interfețe de comunicație de mare viteză.
Nivel de control: Se utilizează o arhitectură fundamentală de tipul „Motorina setează V/F, stocarea se ocupă de PQ”. Un controler de sistem de mare viteză efectuează dispecerizarea puterii în timp real pentru „ascuțirea vârfurilor/umplerea văii” puterii active și suportul puterii reactive.
Stratul de protecție: Proiectarea sistemului trebuie să includă planuri de protecție complete: protecție la putere inversă, protecție la suprasarcină și strategii de control al sarcinii (chiar și deconectare de sarcină) pentru a gestiona deconectarea bruscă a stocării.

Prin soluțiile descrise mai sus, cele patru probleme cheie pe care le-ați ridicat pot fi abordate eficient pentru a construi un sistem hibrid de stocare a energiei diesel, eficient, stabil și fiabil.