Novice - Analiza problema povezave med dizelskimi generatorji in shranjevanjem energije

Tukaj je podrobna razlaga v angleščini štirih ključnih vprašanj v zvezi z medsebojno povezavo dizelskih generatorjev in sistemov za shranjevanje energije. Ta hibridni energetski sistem (pogosto imenovan hibridno mikro omrežje »dizel + shranjevanje«) je napredna rešitev za izboljšanje učinkovitosti, zmanjšanje porabe goriva in zagotavljanje stabilne oskrbe z električno energijo, vendar je njegovo upravljanje zelo zapleteno.

Pregled ključnih vprašanj

Problem povratne moči 100 ms: Kako preprečiti, da bi shranjevanje energije dovajalo energijo nazaj v dizelski generator in ga s tem zaščitili.
Konstantna izhodna moč: Kako ohraniti dizelski motor v območju visoke učinkovitosti, ki je stalno v uporabi.
Nenadna prekinitev shranjevanja energije: Kako ravnati v primeru nenadnega izpada omrežja shranjevalnika energije.
Problem jalove moči: Kako uskladiti delitev jalove moči med obema viroma, da se zagotovi stabilnost napetosti.

1. Problem povratne moči 100 ms

Opis težave:
Do povratne moči pride, ko električna energija teče iz sistema za shranjevanje energije (ali bremena) nazaj proti dizelskemu generatorju. Za dizelski motor to deluje kot "motor", ki ga poganja. To je izjemno nevarno in lahko povzroči:

Mehanske poškodbe: Nenormalno delovanje motorja lahko poškoduje komponente, kot sta ročična gred in ojnice.
Nestabilnost sistema: Povzroča nihanja hitrosti (frekvence) in napetosti dizelskega motorja, kar lahko privede do zaustavitve.

Zahteva po rešitvi v 100 ms obstaja, ker imajo dizelski generatorji veliko mehansko vztrajnost in se njihovi sistemi za regulacijo hitrosti odzivajo počasi (običajno v nekaj sekundah). Ne morejo se zanašati na sebe, da bi hitro zatrli ta električni povratni tok. Nalogo mora opraviti ultra hitro odzivni sistem za pretvorbo energije (PCS) sistema za shranjevanje energije.

Rešitev:

Osnovno načelo: »Dizel vodi, shranjevanje sledi.« V celotnem sistemu deluje dizelski generator kot vir referenčne napetosti in frekvence (tj. način krmiljenja V/F), analogno »omrežju«. Sistem za shranjevanje energije deluje v načinu krmiljenja s konstantno močjo (PQ), kjer njegovo izhodno moč določajo izključno ukazi glavnega krmilnika.
Logika krmiljenja:
1. Spremljanje v realnem času: Glavni krmilnik sistema (ali sam sistem za shranjevanje) spremlja izhodno moč (P_dizel) in smer dizelskega generatorja v realnem času z zelo veliko hitrostjo (npr. tisočkrat na sekundo).
2. Nastavljena vrednost moči: Nastavljena vrednost moči za sistem za shranjevanje energije (P_set) mora izpolnjevati:P_obremenitev(skupna moč obremenitve) =P_dizel+P_set.
3. Hitra prilagoditev: Ko se obremenitev nenadoma zmanjša, kar povzročiP_dizelZa negativen trend mora krmilnik v nekaj milisekundah poslati ukaz shranjevalnemu PCS-ju, da takoj zmanjša moč praznjenja ali preklopi na absorpcijsko moč (polnjenje). To absorbira odvečno energijo v baterije in tako zagotoviP_dizelostaja pozitiven.
Tehnični zaščitni ukrepi:
- Visokohitrostna komunikacija: Med dizelskim krmilnikom, sistemom PCS za shranjevanje podatkov in glavnim krmilnikom sistema so potrebni visokohitrostni komunikacijski protokoli (npr. vodilo CAN, hitri Ethernet), da se zagotovi minimalna zakasnitev ukazov.
- Hiter odziv PCS: Sodobne enote PCS za shranjevanje podatkov imajo odzivne čase veliko hitrejše od 100 ms, pogosto znotraj 10 ms, zaradi česar so v celoti sposobne izpolniti to zahtevo.
- Redundantna zaščita: Poleg krmilne povezave je na izhodu dizelskega generatorja običajno nameščen rele za zaščito pred povratno močjo kot končna strojna pregrada. Vendar je njegov čas delovanja lahko nekaj sto milisekund, zato služi predvsem kot rezervna zaščita; hitra zaščita jedra se zanaša na krmilni sistem.

2. Konstantna izhodna moč

Opis težave:
Dizelski motorji delujejo z največjo učinkovitostjo porabe goriva in najnižjimi emisijami v območju obremenitve približno 60 %–80 % svoje nazivne moči. Nizke obremenitve povzročajo »mokro nalaganje« in kopičenje ogljika, medtem ko visoke obremenitve drastično povečajo porabo goriva in skrajšajo življenjsko dobo. Cilj je izolirati dizelski motor od nihanj obremenitve in ga ohraniti stabilnega na učinkoviti nastavljeni vrednosti.

Rešitev:

Strategija nadzora »odstranjevanje vrhov in zapolnjevanje dolin«:
1. Nastavljena izhodna točka: Dizelski generator deluje s konstantno izhodno močjo, nastavljeno na optimalno točko učinkovitosti (npr. 70 % nazivne moči).
2. Uredba o skladiščenju:
  - Ko je obremenitev > nastavljena vrednost dizelskega goriva: Pomanjkljiva moč (P_obremenitev - P_dizelski_nabor) dopolnjuje praznjenje sistema za shranjevanje energije.
  - Ko je obremenitev < nastavljena vrednost dizelskega goriva: Presežna moč (P_dizelski_nabor - P_obremenitev) se absorbira med polnjenjem sistema za shranjevanje energije.
Prednosti sistema:
- Dizelski motor deluje dosledno z visoko učinkovitostjo in gladko, kar podaljšuje njegovo življenjsko dobo in zmanjšuje stroške vzdrževanja.
- Sistem za shranjevanje energije izravna drastična nihanja obremenitve in tako prepreči neučinkovitost ter obrabo, ki jo povzročajo pogoste spremembe obremenitve dizelskega motorja.
- Skupna poraba goriva se znatno zmanjša.

3. Nenadna prekinitev shranjevanja energije

Opis težave:
Sistem za shranjevanje energije lahko nenadoma izpade zaradi okvare baterije, napake PCS ali sprožitve zaščite. Energija, ki jo je prej obdeloval sistem za shranjevanje energije (ne glede na to, ali jo je proizvajal ali porabljal), se v celoti prenese na dizelski generator, kar povzroči močan električni šok.

Tveganja:

Če se je shranjevalnik praznil (podpiral obremenitev), se zaradi njegovega odklopa polna obremenitev prenese na dizelski motor, kar lahko povzroči preobremenitev, padec frekvence (hitrosti) in zaščitni izklop.
Če se je shranjevalnik polnil (absorbiral presežno energijo), zaradi prekinitve povezave presežna energija dizelskega motorja nima kam iti, kar lahko povzroči povratno moč in prenapetost, kar lahko sproži tudi izklop.

Rešitev:

Rezerva za bočno vrtenje dizelskega generatorja: Dizelski generatorski agregat ne sme biti dimenzioniran le glede na svojo optimalno točko učinkovitosti. Imeti mora dinamično rezervno zmogljivost. Na primer, če je največja obremenitev sistema 1000 kW in dizelski motor deluje z močjo 700 kW, mora biti nazivna zmogljivost dizelskega motorja večja od 700 kW + največja potencialna stopenjska obremenitev (ali največja moč shranjevalnika), npr. izbrana enota z močjo 1000 kW zagotavlja 300 kW rezervo za primer okvare shranjevalnika.
Hitri nadzor obremenitve:
1. Spremljanje sistema v realnem času: Neprekinjeno spremlja stanje in pretok energije sistema za shranjevanje.
2. Zaznavanje napak: Ob zaznavi nenadnega izklopa shranjevanja glavni krmilnik takoj pošlje signal za hitro zmanjšanje obremenitve krmilniku dizelskega motorja.
3. Odziv dizelskega motorja: Krmilnik dizelskega motorja takoj ukrepa (npr. hitro zmanjša vbrizgavanje goriva), da bi poskušal zmanjšati moč, da bi se prilagodil novi obremenitvi. Vrteča se rezervna zmogljivost kupi čas za ta počasnejši mehanski odziv.
Zadnja možnost: Odklop obremenitve: Če je sunek električne energije prevelik, da bi ga dizelski motor obvladoval, je najzanesljivejša zaščita odklop nekritičnih obremenitev, pri čemer se daje prednost varnosti kritičnih obremenitev in samega generatorja. Shema odklopa obremenitve je bistvena zaščitna zahteva pri zasnovi sistema.

4. Problem reaktivne moči

Opis težave:
Jalova moč se uporablja za vzpostavitev magnetnih polj in je ključnega pomena za ohranjanje stabilnosti napetosti v sistemih z izmeničnim tokom. Tako dizelski generator kot sistem za shranjevanje jalove moči (PCS) morata sodelovati pri regulaciji jalove moči.

Dizelski generator: Nadzoruje izhodno jalovo moč in napetost z uravnavanjem vzbujevalnega toka. Njegova zmogljivost jalove moči je omejena in odziv je počasen.
Shranjevalni PCS: Večina sodobnih enot PCS je štirikvadrantnih, kar pomeni, da lahko neodvisno in hitro vbrizgavajo ali absorbirajo jalovo moč (pod pogojem, da ne presežejo svoje navidezne nazivne moči kVA).

Izziv: Kako uskladiti oboje, da se zagotovi stabilnost napetosti sistema, ne da bi se pri tem preobremenila katera koli enota.

Rešitev:

Strategije nadzora:
1. Dizelski generator uravnava napetost: Dizelski generator je nastavljen na način V/F, ki je odgovoren za vzpostavitev referenčne napetosti in frekvence sistema. Zagotavlja stabilen »vir napetosti«.
2. Shranjevanje sodeluje pri reaktivni regulaciji (neobvezno):
  - Način PQ: Shranjevanje upravlja samo aktivno moč (P), z jalovo močjo (Q) nastavljeno na nič. Dizel zagotavlja vso jalovo moč. To je najpreprostejša metoda, vendar obremenjuje dizel.
  - Način dispečiranja jalove moči: Glavni krmilnik sistema pošilja ukaze za jalovo moč (Q_set) v sistem za shranjevanje PCS na podlagi trenutnih napetostnih pogojev. Če je napetost sistema nizka, ukažite shranjevalniku, da dovaja jalovo moč; če je visoka, ukažite, da absorbira jalovo moč. To razbremeni dizelski motor in mu omogoči, da se osredotoči na izhodno aktivno moč, hkrati pa zagotavlja natančnejšo in hitrejšo stabilizacijo napetosti.
  - Način krmiljenja faktorja moči (PF): Nastavljen je ciljni faktor moči (npr. 0,95) in shranjevalnik samodejno prilagodi svojo jalovo izhodno moč, da ohrani konstanten skupni faktor moči na sponkah dizelskega generatorja.
Upoštevanje zmogljivosti: Shranjevalni PCS mora biti dimenzioniran z zadostno navidezno močjo (kVA). Na primer, 500 kW PCS, ki oddaja 400 kW aktivne moči, lahko zagotovi največsqrt(500² - 400²) = 300kVArjalove moči. Če je povpraševanje po jalovi moči veliko, je potreben večji PCS.

Povzetek

Uspešno doseganje stabilne medsebojne povezave med dizelskim generatorjem in shranjevalnikom energije je odvisno od hierarhičnega nadzora:

Strojna plast: Izberite hitro odzivni sistem za shranjevanje podatkov PCS in krmilnik dizelskega generatorja z visokohitrostnimi komunikacijskimi vmesniki.
Krmilna plast: Uporabite temeljno arhitekturo »Dizel določa V/F, shramba pa PQ«. Visokohitrostni sistemski krmilnik izvaja razporejanje moči v realnem času za »zmanjševanje konic/zapolnjevanje dolin« aktivne moči in podporo jalove moči.
Zaščitna plast: Zasnova sistema mora vključevati celovite načrte zaščite: zaščito pred obratno močjo, zaščito pred preobremenitvijo in strategije za nadzor obremenitve (celo odklop obremenitve) za obvladovanje nenadnega izklopa shranjevanja.

Z zgoraj opisanimi rešitvami je mogoče učinkovito obravnavati štiri ključna vprašanja, ki ste jih izpostavili, da bi zgradili učinkovit, stabilen in zanesljiv hibridni sistem za shranjevanje energije z dizelskim motorjem.