Analiza problemu połączenia agregatów prądotwórczych z silnikami Diesla i magazynowaniem energii

Oto szczegółowe wyjaśnienie w języku angielskim czterech kluczowych kwestii dotyczących połączenia agregatów prądotwórczych z silnikami Diesla i systemami magazynowania energii. Ten hybrydowy system energetyczny (często nazywany hybrydową mikrosiecią „Diesel + Storage”) to zaawansowane rozwiązanie poprawiające wydajność, redukujące zużycie paliwa i zapewniające stabilne zasilanie, ale jego sterowanie jest bardzo złożone.

Przegląd kluczowych zagadnień

1. Problem z mocą wsteczną 100 ms: Jak zapobiec cofaniu się energii ze zbiornika do generatora diesla, chroniąc go w ten sposób.
2. Stała moc wyjściowa: Jak utrzymać silnik Diesla w ciągłej pracy w strefie wysokiej wydajności.
3. Nagłe odłączenie magazynu energii: Jak sobie radzić w przypadku nagłego odłączenia systemu magazynowania energii od sieci.
4. Problem mocy biernej: Jak skoordynować podział mocy biernej pomiędzy dwoma źródłami, aby zapewnić stabilność napięcia.

1. Problem z mocą wsteczną 100 ms

Opis problemu:
Odwrotny przepływ energii elektrycznej występuje, gdy energia elektryczna przepływa z systemu magazynowania energii (lub obciążenia) z powrotem do agregatu prądotwórczego z silnikiem Diesla. W przypadku silnika Diesla działa to jak „silnik”, napędzając go. Jest to niezwykle niebezpieczne i może prowadzić do:

• Uszkodzenia mechaniczne: Nieprawidłowa jazda silnikiem może spowodować uszkodzenie takich podzespołów, jak wał korbowy i korbowody.
• Niestabilność systemu: powoduje wahania prędkości (częstotliwości) i napięcia silnika wysokoprężnego, co może prowadzić do jego wyłączenia.

Konieczność rozwiązania tego problemu w ciągu 100 ms wynika z faktu, że generatory diesla charakteryzują się dużą bezwładnością mechaniczną, a ich układy regulacji prędkości reagują powoli (zazwyczaj rzędu sekund). Nie mogą one polegać na sobie w zakresie szybkiego tłumienia tego wstecznego przepływu prądu. Zadanie to musi zostać zrealizowane przez ultraszybko reagujący układ konwersji mocy (PCS) systemu magazynowania energii.

Rozwiązanie:

• Zasada podstawowa: „Diesel prowadzi, magazynowanie podąża”. W całym systemie agregat prądotwórczy z silnikiem Diesla działa jako źródło odniesienia napięcia i częstotliwości (tj. tryb sterowania V/F), analogicznie do „sieci”. System magazynowania energii działa w trybie sterowania stałą mocą (PQ), w którym jego moc wyjściowa jest określana wyłącznie na podstawie poleceń z kontrolera głównego.
• Logika sterowania:
  1. Monitorowanie w czasie rzeczywistym: Główny kontroler systemu (lub sam system pamięci masowej) monitoruje moc wyjściową (P_diesel) i kierunku pracy generatora diesla w czasie rzeczywistym z bardzo dużą prędkością (np. tysiące razy na sekundę).
  2. Punkt nastawy mocy: Punkt nastawy mocy dla systemu magazynowania energii (P_set) musi spełniać:P_load(całkowita moc obciążenia) =P_diesel+P_set.
  3. Szybka regulacja: Gdy obciążenie nagle spada, powodującP_dieselAby trend był negatywny, kontroler musi w ciągu kilku milisekund wysłać polecenie do systemu magazynowania energii (PCS), aby natychmiast zmniejszyć moc rozładowania lub przełączyć się na zasilanie absorpcyjne (ładowanie). To absorbuje nadmiar energii do akumulatorów, zapewniając…P_dieselpozostaje pozytywny.
• Zabezpieczenia techniczne:
  • Komunikacja o dużej prędkości: Pomiędzy sterownikiem silnika Diesla, systemem magazynowania danych oraz głównym sterownikiem systemu wymagane są protokoły komunikacji o dużej prędkości (np. magistrala CAN, szybki Ethernet), aby zapewnić minimalne opóźnienie poleceń.
  • Szybka reakcja PCS: nowoczesne jednostki pamięci masowej PCS charakteryzują się czasem reakcji zasilania znacznie krótszym niż 100 ms, często mieszczącym się w granicach 10 ms, co sprawia, że ​​są w pełni zdolne do spełnienia tego wymogu.
  • Zabezpieczenie redundantne: Poza łączem sterującym, na wyjściu generatora diesla zazwyczaj instalowany jest przekaźnik zabezpieczający przed odwrotnym zasilaniem jako ostateczna bariera sprzętowa. Jednak jego czas działania może wynosić kilkaset milisekund, dlatego służy on głównie jako zabezpieczenie rezerwowe; podstawowe zabezpieczenie szybkie opiera się na systemie sterowania.

2. Stała moc wyjściowa

Opis problemu:
Silniki Diesla pracują z maksymalną wydajnością paliwową i najniższymi emisjami w zakresie obciążenia wynoszącym około 60–80% ich mocy znamionowej. Niskie obciążenie powoduje „mokre osadzanie się osadów” i osadzanie się nagaru, podczas gdy wysokie obciążenie drastycznie zwiększa zużycie paliwa i skraca żywotność. Celem jest odizolowanie silnika Diesla od wahań obciążenia, utrzymując go na stabilnym, efektywnym poziomie.

Rozwiązanie:

• Strategia kontroli „wycinania szczytów i wypełniania dolin”:
  1. Ustaw punkt bazowy: Agregat prądotwórczy z silnikiem Diesla pracuje przy stałej mocy wyjściowej ustawionej na optymalny punkt sprawności (np. 70% mocy znamionowej).
  2. Przepisy dotyczące magazynowania:
     • Gdy zapotrzebowanie na obciążenie > nastawa oleju napędowego: niedobór mocy (P_load - P_diesel_set) uzupełniane jest rozładowywaniem układu magazynowania energii.
     • Gdy zapotrzebowanie na obciążenie < wartość zadana oleju napędowego: Nadwyżka mocy (P_diesel_set - P_load) jest absorbowana przez ładowanie układu magazynowania energii.
• Korzyści systemu:
  • Silnik wysokoprężny pracuje płynnie i z wysoką wydajnością, co wydłuża jego żywotność i zmniejsza koszty konserwacji.
  • System magazynowania energii niweluje drastyczne wahania obciążenia, zapobiegając nieefektywności i zużyciu spowodowanemu częstymi zmianami obciążenia silnika wysokoprężnego.
  • Całkowite zużycie paliwa ulega znacznemu zmniejszeniu.

3. Nagłe odłączenie magazynu energii

Opis problemu:
System magazynowania energii może nagle przestać działać z powodu awarii akumulatora, awarii układu PCS lub zadziałania zabezpieczeń. Energia, która wcześniej była przetwarzana przez magazyn (niezależnie od tego, czy była generowana, czy pobierana), jest natychmiast przesyłana w całości do agregatu prądotwórczego z silnikiem Diesla, powodując potężny wstrząs elektryczny.

Ryzyko:

• Jeżeli magazyn rozładowywał się (podtrzymywał obciążenie), jego odłączenie przenosi całe obciążenie na silnik wysokoprężny, co może spowodować przeciążenie, spadek częstotliwości (prędkości) i wyłączenie ochronne.
• Jeśli magazyn ładował się (absorbował nadmiar energii), jego odłączenie pozbawia nadmiar energii z silnika Diesla możliwości odprowadzenia, co może spowodować odwrotny prąd i przepięcie, a także wyłączenie silnika.

Rozwiązanie:

• Rezerwa wirowania po stronie diesla: Agregat prądotwórczy diesla nie może być dobrany wyłącznie pod kątem optymalnej sprawności. Musi posiadać dynamiczną rezerwę mocy. Na przykład, jeśli maksymalne obciążenie systemu wynosi 1000 kW, a silnik diesla pracuje z mocą 700 kW, znamionowa moc silnika diesla musi być większa niż 700 kW + największe potencjalne obciążenie skokowe (lub maksymalna moc magazynu), np. wybrany agregat o mocy 1000 kW zapewnia bufor 300 kW na wypadek awarii magazynu.
• Szybka kontrola obciążenia:
  1. Monitorowanie systemu w czasie rzeczywistym: Ciągłe monitorowanie stanu i przepływu energii w systemie pamięci masowej.
  2. Wykrywanie usterek: Po wykryciu nagłego odłączenia zasobnika, sterownik główny natychmiast wysyła szybki sygnał redukcji obciążenia do sterownika silnika wysokoprężnego.
  3. Reakcja silnika Diesla: Sterownik silnika Diesla działa natychmiast (np. gwałtownie zmniejszając wtrysk paliwa), aby spróbować obniżyć moc, dostosowując ją do nowego obciążenia. Obracająca się pojemność rezerwowa pozwala zyskać czas na wolniejszą reakcję mechaniczną.
• Ostateczność: Odłączanie obciążenia: Jeśli udar elektryczny jest zbyt silny, aby silnik Diesla mógł go obsłużyć, najskuteczniejszą ochroną jest odłączanie obciążeń niekrytycznych, priorytetowo traktując bezpieczeństwo obciążeń krytycznych i samego generatora. System odłączania obciążenia jest kluczowym elementem bezpieczeństwa w projekcie systemu.

4. Problem mocy biernej

Opis problemu:
Moc bierna służy do tworzenia pól magnetycznych i ma kluczowe znaczenie dla utrzymania stabilności napięcia w systemach prądu przemiennego. Zarówno generator diesla, jak i zasobnik PCS muszą uczestniczyć w regulacji mocy biernej.

• Generator diesla: kontroluje moc bierną i napięcie wyjściowe poprzez regulację prądu wzbudzenia. Jego moc bierna jest ograniczona, a reakcja powolna.
• PCS (magazynowe systemy mocy): Większość nowoczesnych systemów mocy to systemy czterokwadrantowe, co oznacza, że ​​mogą one samodzielnie i szybko wprowadzać lub absorbować moc bierną (pod warunkiem, że nie przekraczają swojej znamionowej mocy pozornej kVA).

Wyzwanie: Jak skoordynować oba działania, aby zapewnić stabilność napięcia systemu, nie przeciążając żadnej z jednostek.

Rozwiązanie:

• Strategie kontroli:
  1. Napięcie sterowane silnikiem Diesla: Agregat prądotwórczy Diesla jest ustawiony w trybie V/F, który odpowiada za ustalenie napięcia i częstotliwości odniesienia systemu. Zapewnia stabilne „źródło napięcia”.
  2. Magazynowanie uczestniczy w regulacji reaktywnej (opcjonalnie):
     • Tryb PQ: Magazyn obsługuje tylko moc czynną (P), z mocą bierną (Q) ustawione na zero. Silnik wysokoprężny dostarcza całą moc bierną. To najprostsza metoda, ale obciąża silnik wysokoprężny.
     • Tryb wysyłania mocy biernej: Główny kontroler systemu wysyła polecenia dotyczące mocy biernej (Zestaw Q) do zasobnika PCS w oparciu o aktualne warunki napięcia. Jeśli napięcie w systemie jest niskie, należy nakazać zasobnikowi wprowadzenie mocy biernej; jeśli jest wysokie, należy nakazać mu absorpcję mocy biernej. To odciąża silnik wysokoprężny, pozwalając mu skupić się na mocy czynnej, zapewniając jednocześnie dokładniejszą i szybszą stabilizację napięcia.
     • Tryb sterowania współczynnikiem mocy (PF): Ustawiany jest docelowy współczynnik mocy (np. 0,95), a magazyn energii automatycznie dostosowuje swoją moc bierną w celu utrzymania stałego ogólnego współczynnika mocy na zaciskach generatora diesla.
• Rozważenie pojemności: Magazyn PCS musi mieć odpowiednią moc pozorną (kVA). Na przykład, magazyn PCS o mocy 500 kW i mocy czynnej 400 kW może zapewnić maksymalniesqrt(500² - 400²) = 300 kVArmocy biernej. Jeśli zapotrzebowanie na moc bierną jest wysokie, wymagany jest większy PCS.

Streszczenie

Osiągnięcie stabilnego połączenia między agregatem prądotwórczym Diesla a magazynem energii zależy od kontroli hierarchicznej:

1. Warstwa sprzętowa: Wybierz szybko reagujący system pamięci masowej i sterownik generatora diesla z szybkimi interfejsami komunikacyjnymi.
2. Warstwa sterowania: zastosuj podstawową architekturę „Diesel ustawia V/F, Storage wykonuje PQ”. Szybki kontroler systemu realizuje dyspozycję mocy w czasie rzeczywistym w celu „ograniczenia szczytów mocy/wypełnienia dolin” oraz wsparcia mocy biernej.
3. Warstwa ochronna: Projekt systemu musi obejmować kompleksowe plany zabezpieczeń: zabezpieczenie przed odwrotnym zasilaniem, zabezpieczenie przed przeciążeniem i strategie kontroli obciążenia (nawet wyłączania obciążenia) w celu radzenia sobie z nagłym odłączeniem magazynu energii.

Opisane powyżej rozwiązania pozwolą skutecznie rozwiązać cztery kluczowe problemy, które Pan podniósł, co pozwoli na zbudowanie wydajnego, stabilnego i niezawodnego hybrydowego systemu zasilania opartego na oleju napędowym i magazynowaniu energii.