Аналіз проблеми зв'язку між дизель-генераторними установками та накопичувачами енергії

Ось детальне пояснення англійською мовою чотирьох основних питань, що стосуються взаємозв'язку дизель-генераторних установок та систем накопичення енергії. Ця гібридна енергетична система (часто звана гібридною мікромережею «Дизель + накопичення») є передовим рішенням для підвищення ефективності, зменшення споживання палива та забезпечення стабільного електропостачання, але її керування є дуже складним.

Огляд основних питань

1. Проблема зворотної потужності 100 мс: Як запобігти зворотній подачі енергії до дизельного генератора за допомогою накопичувача енергії, таким чином захищаючи його.
2. Постійна вихідна потужність: Як забезпечити стабільну роботу дизельного двигуна в зоні високої ефективності.
3. Раптове відключення накопичувача енергії: Як впоратися з наслідками раптового відключення системи накопичення енергії від мережі.
4. Проблема реактивної потужності: Як координувати розподіл реактивної потужності між двома джерелами для забезпечення стабільності напруги.

1. Проблема зворотної потужності 100 мс

Опис проблеми:
Зворотна потужність виникає, коли електрична енергія тече від системи накопичення енергії (або навантаження) назад до дизель-генераторної установки. Для дизельного двигуна це діє як «двигун», що рухає двигун. Це надзвичайно небезпечно та може призвести до:

• Механічні пошкодження: Ненормальна робота двигуна може пошкодити такі компоненти, як колінчастий вал і шатуни.
• Нестабільність системи: викликає коливання швидкості (частоти) та напруги дизельного двигуна, що може призвести до його зупинки.

Вимога вирішення цієї проблеми протягом 100 мс існує тому, що дизельні генератори мають велику механічну інерцію, а їхні системи регулювання швидкості реагують повільно (зазвичай порядку секунд). Вони не можуть покладатися на себе, щоб швидко придушити цей електричний зворотний потік. Це завдання має виконуватися надшвидко реагуючою системою перетворення енергії (PCS) системи накопичення енергії.

Рішення:

• Основний принцип: «Дизель лідирує, накопичувач енергії — слідом». У всій системі дизель-генераторна установка діє як джерело опорної напруги та частоти (тобто режим керування V/F), аналогічно «мережі». Система накопичення енергії працює в режимі керування постійною потужністю (PQ), де її вихідна потужність визначається виключно командами головного контролера.
• Логіка керування:
  1. Моніторинг у режимі реального часу: головний контролер системи (або сама система зберігання даних) контролює вихідну потужність (P_diesel) та напрямок руху дизельного генератора в режимі реального часу з дуже високою швидкістю (наприклад, тисячі разів на секунду).
  2. Задана потужність: Задана потужність для системи накопичення енергії (P_set) повинні задовольняти:P_навантаження(загальна потужність навантаження) =P_diesel+P_set.
  3. Швидке регулювання: Коли навантаження раптово зменшується, що призводить доP_dieselЩоб тенденція стала негативною, контролер повинен протягом кількох мілісекунд надіслати команду до системи накопичення енергії (PCS) для негайного зменшення потужності розряду або перемикання на поглинання енергії (заряджання). Це поглинає надлишок енергії в акумулятори, забезпечуючиP_dieselзалишається позитивним.
• Технічні заходи безпеки:
  • Високошвидкісний зв'язок: між контролером дизельного двигуна, системою зберігання даних PCS та головним контролером системи необхідні високошвидкісні протоколи зв'язку (наприклад, шина CAN, швидкий Ethernet) для забезпечення мінімальної затримки команд.
  • Швидка реакція PCS: Сучасні пристрої PCS для зберігання даних мають час реакції на живлення набагато швидший за 100 мс, часто в межах 10 мс, що робить їх повністю здатними задовольнити цю вимогу.
  • Резервний захист: Окрім лінії керування, на виході дизель-генератора зазвичай встановлюється реле захисту від зворотного живлення як остаточний апаратний бар'єр. Однак час його спрацьовування може становити кілька сотень мілісекунд, тому воно в основному служить резервним захистом; швидкий захист ядра спирається на систему керування.

2. Постійна вихідна потужність

Опис проблеми:
Дизельні двигуни працюють з максимальною паливною ефективністю та найнижчими викидами в діапазоні навантаження приблизно 60%-80% від їх номінальної потужності. Низькі навантаження призводять до «мокрого укладання» та накопичення вуглецю, тоді як високі навантаження різко збільшують витрату палива та скорочують термін служби. Мета полягає в тому, щоб ізолювати дизельний двигун від коливань навантаження, підтримуючи його стабільним на ефективному заданому рівні.

Рішення:

• Стратегія контролю «Зменшення піків та заповнення западин»:
  1. Встановлена ​​базова точка: Дизель-генераторна установка працює на постійній вихідній потужності, встановленій на рівні оптимальної точки ефективності (наприклад, 70% від номінальної потужності).
  2. Правила зберігання:
     • Коли навантаження > заданого значення дизельного палива: дефіцит потужності (P_load - P_diesel_set) доповнюється розрядкою системи накопичення енергії.
     • Коли навантаження < заданого значення дизельного двигуна: надлишкова потужність (P_diesel_set - P_load) поглинається системою накопичення енергії під час заряджання.
• Переваги системи:
  • Дизельний двигун працює стабільно з високою ефективністю та плавно, що продовжує його термін служби та зменшує витрати на обслуговування.
  • Система накопичення енергії згладжує різкі коливання навантаження, запобігаючи неефективності та зносу, спричиненим частими змінами навантаження дизельного двигуна.
  • Загальна витрата палива значно знижується.

3. Раптове відключення накопичувачів енергії

Опис проблеми:
Система накопичення енергії може раптово вийти з ладу через відмову акумулятора, несправність PCS або спрацьовування захисту. Енергія, яка раніше оброблялася накопичувачем (незалежно від того, чи генерувала вона, чи споживала), миттєво повністю передається на дизель-генераторну установку, створюючи потужний стрибок напруги.

Ризики:

• Якщо накопичувач розряджався (підтримував навантаження), його відключення переносить повне навантаження на дизель, що потенційно може призвести до перевантаження, падіння частоти (швидкості) та захисного вимкнення.
• Якщо накопичувач заряджався (поглинав надлишкову потужність), його відключення залишає надлишкову потужність дизельного двигуна без можливості подітися, що потенційно може призвести до зворотного потоку потужності та перенапруги, а також до зупинки двигуна.

Рішення:

• Резерв бокового обертання дизельного двигуна: Дизель-генераторна установка не повинна розраховуватися лише на її оптимальну точку ефективності. Вона повинна мати динамічний резерв потужності. Наприклад, якщо максимальне навантаження системи становить 1000 кВт, а дизельний двигун працює на потужності 700 кВт, номінальна потужність дизельного двигуна повинна бути більше 700 кВт + найбільше потенційне ступінчасте навантаження (або максимальна потужність накопичувача), наприклад, вибрано агрегат потужністю 1000 кВт, що забезпечує буфер у 300 кВт на випадок відмови накопичувача.
• Швидке керування навантаженням:
  1. Моніторинг системи в режимі реального часу: Постійно контролює стан і поток живлення системи зберігання даних.
  2. Виявлення несправностей: Після виявлення раптового відключення накопичувача головний контролер негайно надсилає сигнал швидкого зниження навантаження до контролера дизельного двигуна.
  3. Реакція дизельного двигуна: Контролер дизельного двигуна діє негайно (наприклад, швидко зменшує впорскування палива), щоб спробувати знизити потужність відповідно до нового навантаження. Резервна потужність обертання дає час для цієї повільнішої механічної реакції.
• Крайній засіб: скидання навантаження: Якщо стрибок напруги занадто великий для дизельного двигуна, найнадійнішим захистом є скидання некритичних навантажень, надаючи пріоритет безпеці критичних навантажень та самого генератора. Схема скидання навантаження є важливою вимогою захисту в проекті системи.

4. Проблема реактивної потужності

Опис проблеми:
Реактивна потужність використовується для створення магнітних полів і має вирішальне значення для підтримки стабільності напруги в системах змінного струму. Як дизель-генератор, так і накопичувальна система керування реактивною потужністю (PCS) повинні брати участь у регулюванні реактивної потужності.

• Дизельний генератор: контролює вихідну реактивну потужність та напругу, регулюючи струм збудження. Його здатність до реактивної потужності обмежена, а його реакція повільна.
• Накопичувальні системи накопичення реактивної потужності (PCS): Більшість сучасних блоків PCS є чотириквадрантними, тобто вони можуть незалежно та швидко вводити або поглинати реактивну потужність (за умови, що вони не перевищують свою номінальну повну потужність кВА).

Завдання: Як скоординувати обидва, щоб забезпечити стабільність напруги системи без перевантаження жодного з блоків.

Рішення:

• Стратегії контролю:
  1. Дизель регулює напругу: Дизель-генераторна установка налаштована на режим V/F, який відповідає за встановлення опорної напруги та частоти системи. Вона забезпечує стабільне «джерело напруги».
  2. Зберігання бере участь у реактивному регулюванні (необов'язково):
     • Режим PQ: Сховище обробляє лише активну потужність (P), з реактивною потужністю (Q) встановлено на нуль. Дизель забезпечує всю реактивну потужність. Це найпростіший метод, але він навантажує дизель.
     • Режим диспетчеризації реактивної потужності: головний контролер системи надсилає команди реактивної потужності (Q_set) до системи накопичення PCS на основі поточних умов напруги. Якщо напруга системи низька, подайте команду накопичувачу на введення реактивної потужності; якщо висока, подайте команду на поглинання реактивної потужності. Це знімає навантаження з дизельного двигуна, дозволяючи йому зосередитися на вихідній активній потужності, забезпечуючи водночас точнішу та швидшу стабілізацію напруги.
     • Режим керування коефіцієнтом потужності (PF): Встановлюється цільовий коефіцієнт потужності (наприклад, 0,95), і накопичувач автоматично регулює свою реактивну вихідну потужність для підтримки постійного загального коефіцієнта потужності на клемах дизельного генератора.
• Врахування потужності: Розмір накопичувальної системи накопичення енергії (PCS) має бути достатньо високим (кВА). Наприклад, PCS потужністю 500 кВт, що видає 400 кВт активної потужності, може забезпечити максимумsqrt(500² - 400²) = 300 кВАрреактивної потужності. Якщо попит на реактивну потужність високий, потрібна більша система захисту від перенапруги (PCS).

Короткий зміст

Успішне досягнення стабільного взаємозв'язку між дизель-генераторною установкою та накопичувачем енергії залежить від ієрархічного контролю:

1. Апаратний рівень: Виберіть швидкодіючу систему зберігання даних PCS та контролер дизельного генератора з високошвидкісними інтерфейсами зв'язку.
2. Рівень керування: Використовуйте фундаментальну архітектуру «Дизель встановлює V/F, СХД виконує PQ». Високошвидкісний системний контролер виконує розподіл потужності в режимі реального часу для «зменшення піків/заповнення спадів» активної потужності та підтримки реактивної потужності.
3. Рівень захисту: Конструкція системи повинна включати комплексні плани захисту: захист від зворотного живлення, захист від перевантаження та стратегії контролю навантаження (навіть скидання навантаження) для обробки раптового відключення сховища.

За допомогою описаних вище рішень можна ефективно вирішити чотири ключові проблеми, які ви порушили, щоб побудувати ефективну, стабільну та надійну гібридну енергетичну систему дизельного палива та накопичення енергії.