Novinky - Analýza problému propojení dieselových generátorových soustrojí a systémů pro ukládání energie

Zde je podrobný anglický výklad čtyř klíčových problémů týkajících se propojení dieselových generátorových soustrojí a systémů pro ukládání energie. Tento hybridní energetický systém (často nazývaný hybridní mikrosíť „diesel + úložiště“) je pokročilým řešením pro zlepšení účinnosti, snížení spotřeby paliva a zajištění stabilního napájení, ale jeho ovládání je velmi složité.

Přehled klíčových problémů

Problém se zpětným výkonem 100 ms: Jak zabránit zpětnému napájení dieselového generátoru ze strany akumulace energie a tím jej chránit.
Konstantní výkon: Jak udržet vznětový motor v konzistentním režimu s vysokou účinností.
Náhlé odpojení systému pro ukládání energie: Jak se vypořádat s dopadem náhlého výpadku systému pro ukládání energie od sítě.
Problém jalového výkonu: Jak koordinovat sdílení jalového výkonu mezi dvěma zdroji, aby byla zajištěna stabilita napětí.

1. Problém se 100ms zpětným výkonem

Popis problému:
K zpětnému výkonu dochází, když elektrická energie proudí ze systému pro ukládání energie (nebo zátěže) zpět do dieselového generátoru. U dieselového motoru to funguje jako „motor“, který ho pohání. To je extrémně nebezpečné a může vést k:

Mechanické poškození: Abnormální chod motoru může poškodit součásti, jako je klikový hřídel a ojnice.
Nestabilita systému: Způsobuje kolísání otáček (frekvence) a napětí vznětového motoru, což může vést k jeho vypnutí.

Požadavek na vyřešení problému do 100 ms existuje proto, že dieselové generátory mají velkou mechanickou setrvačnost a jejich systémy regulace otáček reagují pomalu (obvykle v řádu sekund). Nemohou se spolehnout na to, že tento zpětný tok rychle potlačí samy. Úkol musí zvládnout ultrarychle reagující systém přeměny energie (PCS) systému skladování energie.

Řešení:

Základní princip: „Dieselový generátor vede, úložiště následuje.“ V celém systému funguje dieselový generátor jako zdroj referenčního napětí a frekvence (tj. režim řízení V/F), analogicky k „síti“. Systém úložiště energie pracuje v režimu řízení s konstantním výkonem (PQ), kde je jeho výstupní výkon určen výhradně povely z hlavního regulátoru.
Řídicí logika:
1. Monitorování v reálném čase: Hlavní řídicí jednotka systému (nebo samotný úložný systém PCS) monitoruje výstupní výkon (P_diesel) a směr dieselového generátoru v reálném čase velmi vysokou rychlostí (např. tisíckrát za sekundu).
2. Požadovaná hodnota výkonu: Požadovaná hodnota výkonu pro systém akumulace energie (P_set) musí splňovat:P_zatížení(celkový výkon zátěže) =P_diesel+P_set.
3. Rychlé nastavení: Když se zatížení náhle sníží, což způsobíP_dieselAby se trend změnil na negativní, musí regulátor během několika milisekund vyslat příkaz do úložného PCS, aby okamžitě snížil vybíjecí výkon nebo přepnul na absorpční výkon (nabíjení). Tím se přebytečná energie absorbuje do baterií a zajistí se takP_dieselzůstává pozitivní.
Technická ochranná opatření:
- Vysokorychlostní komunikace: Mezi řídicí jednotkou naftového motoru, úložným PCS a hlavní řídicí jednotkou systému jsou vyžadovány vysokorychlostní komunikační protokoly (např. sběrnice CAN, rychlý Ethernet), aby se zajistilo minimální zpoždění příkazů.
- Rychlá odezva PCS: Moderní úložné jednotky PCS mají dobu odezvy napájení mnohem rychlejší než 100 ms, často do 10 ms, což je činí plně schopnými splnit tento požadavek.
- Redundantní ochrana: Za řídicím vedením je na výstupu dieselového generátoru obvykle instalováno ochranné relé proti zpětnému napájení jako konečná hardwarová bariéra. Jeho doba působení však může být několik stovek milisekund, takže slouží primárně jako záložní ochrana; rychlá ochrana jádra se spoléhá na řídicí systém.

2. Konstantní výstupní výkon

Popis problému:
Vznětové motory pracují s maximální úsporou paliva a nejnižšími emisemi v rozsahu zatížení přibližně 60 %–80 % jejich jmenovitého výkonu. Nízké zatížení způsobuje „mokré usazování“ a hromadění uhlíku, zatímco vysoké zatížení drasticky zvyšuje spotřebu paliva a zkracuje životnost. Cílem je izolovat vznětový motor od kolísání zatížení a udržet ho stabilní na efektivní nastavené hodnotě.

Řešení:

Strategie řízení „vyrovnávání vrcholů a vyplňování údolí“:
1. Nastavený základní bod: Soustrojí dieselového generátoru je provozováno s konstantním výkonem nastaveným na bod optimálního výkonu (např. 70 % jmenovitého výkonu).
2. Předpisy pro skladování:
  - Když je požadavek na zatížení > požadovaná hodnota pro naftu: Nedostatečný výkon (P_zátěž - P_nafta_sada) je doplněno vybíjením systému skladování energie.
  - Když je požadavek na zatížení < požadovaná hodnota pro naftu: Přebytečný výkon (P_diesel_set - P_load) je absorbována nabíjením systému ukládání energie.
Výhody systému:
- Dieselový motor běží konzistentně s vysokou účinností a hladce, což prodlužuje jeho životnost a snižuje náklady na údržbu.
- Systém akumulace energie vyhlazuje drastické výkyvy zatížení a zabraňuje neefektivitě a opotřebení způsobenému častými změnami zatížení naftového motoru.
- Celková spotřeba paliva je výrazně snížena.

3. Náhlé odpojení úložiště energie

Popis problému:
Systém pro ukládání energie se může náhle odpojit v důsledku selhání baterie, poruchy systému PCS nebo vypnutí ochrany. Energie, kterou dříve zpracovával systém pro ukládání energie (ať už generoval nebo spotřebovával), je okamžitě kompletně převedena do dieselového generátoru, což způsobí masivní výpadek proudu.

Rizika:

Pokud se úložiště vybíjelo (neslo zátěž), jeho odpojení přeneslo plné zatížení na naftový motor, což mohlo způsobit přetížení, pokles frekvence (rychlosti) a ochranné vypnutí.
Pokud se úložiště nabíjelo (absorbovalo přebytečný výkon), jeho odpojení zanechá přebytečný výkon dieselového motoru bez možnosti odevzdání, což může způsobit zpětný výkon a přepětí, a také spustit vypnutí.

Řešení:

Rezerva pro boční otáčení dieselového generátoru: Dieselový generátor nesmí být dimenzován pouze s ohledem na optimální bod účinnosti. Musí mít dynamickou rezervní kapacitu. Například pokud je maximální zatížení systému 1000 kW a dieselový generátor pracuje s výkonem 700 kW, jmenovitý výkon dieselového generátoru musí být větší než 700 kW + největší potenciální skokové zatížení (nebo maximální výkon úložiště), např. vybrána jednotka s výkonem 1000 kW poskytuje rezervu 300 kW pro případ selhání úložiště.
Rychlé ovládání zátěže:
1. Monitorování systému v reálném čase: Neustále monitoruje stav a tok energie úložného systému.
2. Detekce poruchy: Po detekci náhlého odpojení úložiště hlavní řídicí jednotka okamžitě odešle signál o rychlém snížení zátěže do řídicí jednotky naftového motoru.
3. Reakce vznětového motoru: Řídicí jednotka vznětového motoru reaguje okamžitě (např. rychle snižuje vstřikování paliva), aby se pokusila snížit výkon tak, aby odpovídal nové zátěži. Rezervní kapacita v rotujícím motoru poskytuje čas pro tuto pomalejší mechanickou reakci.
Poslední možnost: Odpojení zátěže: Pokud je výkyv proudu příliš velký na to, aby ho dieselový generátor zvládl, nejspolehlivější ochranou je odpojení nekritických zátěží s prioritou pro bezpečnost kritických zátěží a samotného generátoru. Systém odpojení zátěže je základním ochranným požadavkem v návrhu systému.

4. Problém s jalovým výkonem

Popis problému:
Jalový výkon se používá k vytváření magnetických polí a je klíčový pro udržení stability napětí ve střídavých systémech. Na regulaci jalového výkonu se musí podílet jak dieselový generátor, tak i akumulační PCS.

Dieselový generátor: Řídí jalový výkon a napětí úpravou budicího proudu. Jeho schopnost dodávat jalový výkon je omezená a jeho odezva je pomalá.
Akumulační PCS: Většina moderních jednotek PCS je čtyřkvadrantová, což znamená, že mohou nezávisle a rychle dodávat nebo absorbovat jalový výkon (za předpokladu, že nepřekročí svůj zdánlivý jmenovitý výkon kVA).

Výzva: Jak koordinovat obojí, aby byla zajištěna stabilita napětí systému, aniž by došlo k přetížení kterékoli z jednotek.

Řešení:

Kontrolní strategie:
1. Dieselový generátor reguluje napětí: Dieselový generátor je nastaven na režim V/F, který je zodpovědný za nastavení referenčního napětí a frekvence systému. Poskytuje stabilní „zdroj napětí“.
2. Skladování se podílí na reaktivní regulaci (volitelné):
  - Režim PQ: Úložiště zpracovává pouze aktivní výkon (P), s jalovým výkonem (Q) nastaveno na nulu. Veškerý jalový výkon dodává dieselový motor. Toto je nejjednodušší metoda, ale zatěžuje dieselový motor.
  - Režim řízení jalového výkonu: Hlavní řídicí jednotka systému odesílá příkazy pro jalový výkon (Q_set) do úložného PCS na základě aktuálních napěťových podmínek. Pokud je napětí v systému nízké, pověřte úložiště přivedením jalového výkonu; pokud je vysoké, pověřte ho absorbováním jalového výkonu. Tím se uleví dieselovému motoru a umožní se soustředit na výstup činného výkonu a zároveň se zajistí jemnější a rychlejší stabilizace napětí.
  - Režim řízení účiníku (PF): Nastaví se cílový účiník (např. 0,95) a úložiště automaticky upravuje svůj jalový výstup tak, aby udržovalo konstantní celkový účiník na svorkách dieselového generátoru.
Zvážení kapacity: Akumulační PCS musí být dimenzován s dostatečnou zdánlivou výkonovou kapacitou (kVA). Například 500kW PCS s činným výkonem 400 kW může poskytnout maximálněsqrt(500² - 400²) = 300kVArjalového výkonu. Pokud je poptávka po jalovém výkonu vysoká, je nutný větší PCS.

Shrnutí

Úspěšné dosažení stabilního propojení mezi dieselovým generátorem a úložištěm energie závisí na hierarchickém řízení:

Hardwarová vrstva: Vyberte rychle reagující úložný systém PCS a řídicí jednotku dieselového generátoru s vysokorychlostními komunikačními rozhraními.
Řídicí vrstva: Využívá základní architekturu „Diesel nastavuje V/F, Storage provádí PQ“. Vysokorychlostní systémový řídicí systém provádí řízení výkonu v reálném čase pro „vyrovnávání špiček/vyplňování útlumů“ činného výkonu a podporu jalového výkonu.
Ochranná vrstva: Návrh systému musí zahrnovat komplexní plány ochrany: ochranu proti zpětnému napájení, ochranu proti přetížení a strategie řízení zátěže (i odlehčení zátěže) pro zvládnutí náhlého odpojení úložiště.

Prostřednictvím výše popsaných řešení lze efektivně řešit čtyři klíčové problémy, které jste nastolili, a vybudovat tak efektivní, stabilní a spolehlivý hybridní energetický systém s dieselovým motorem a úložištěm energie.