Ανάλυση του προβλήματος της σύνδεσης μεταξύ των ηλεκτρογεννητριών ντίζελ και της αποθήκευσης ενέργειας

Ακολουθεί μια λεπτομερής αγγλική εξήγηση των τεσσάρων βασικών ζητημάτων σχετικά με τη διασύνδεση των ηλεκτροπαραγωγών ζευγών ντίζελ και των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας. Αυτό το υβριδικό ενεργειακό σύστημα (συχνά αποκαλούμενο υβριδικό μικροδίκτυο «Ντίζελ + Αποθήκευση») αποτελεί μια προηγμένη λύση για τη βελτίωση της απόδοσης, τη μείωση της κατανάλωσης καυσίμου και τη διασφάλιση σταθερής παροχής ενέργειας, αλλά ο έλεγχός του είναι εξαιρετικά πολύπλοκος.

Επισκόπηση Βασικών Θεμάτων

1. Πρόβλημα με αντίστροφη τροφοδοσία ρεύματος 100ms: Πώς να αποτρέψετε την αποθήκευση ενέργειας από την αντίστροφη τροφοδοσία ρεύματος στη γεννήτρια ντίζελ, προστατεύοντάς την έτσι.
2. Σταθερή Ισχύς Εξόδου: Πώς να διατηρείτε τον κινητήρα ντίζελ σε σταθερή λειτουργία στη ζώνη υψηλής απόδοσής του.
3. Ξαφνική Αποσύνδεση της Αποθήκευσης Ενέργειας: Πώς να αντιμετωπίσετε τις επιπτώσεις όταν το σύστημα αποθήκευσης ενέργειας αποσυνδεθεί ξαφνικά από το δίκτυο.
4. Πρόβλημα άεργου ισχύος: Πώς να συντονίσετε την κατανομή της άεργου ισχύος μεταξύ των δύο πηγών για να διασφαλίσετε τη σταθερότητα της τάσης.

1. Το πρόβλημα της αντίστροφης τροφοδοσίας των 100ms

Περιγραφή προβλήματος:
Αντίστροφη ισχύς συμβαίνει όταν η ηλεκτρική ενέργεια ρέει από το σύστημα αποθήκευσης ενέργειας (ή το φορτίο) πίσω προς το σετ γεννήτριας ντίζελ. Για τον κινητήρα ντίζελ, αυτό λειτουργεί σαν «κινητήρα», που κινεί τον κινητήρα. Αυτό είναι εξαιρετικά επικίνδυνο και μπορεί να οδηγήσει σε:

• Μηχανική Βλάβη: Η μη φυσιολογική λειτουργία του κινητήρα μπορεί να προκαλέσει ζημιά σε εξαρτήματα όπως ο στροφαλοφόρος άξονας και οι μπιέλες.
• Ασταθής λειτουργία συστήματος: Προκαλεί διακυμάνσεις στην ταχύτητα (συχνότητα) και την τάση του πετρελαιοκινητήρα, με πιθανές συνέπειες την απενεργοποίηση.

Η απαίτηση για επίλυσή του εντός 100ms υπάρχει επειδή οι γεννήτριες ντίζελ έχουν μεγάλη μηχανική αδράνεια και τα συστήματα ελέγχου ταχύτητας ανταποκρίνονται αργά (συνήθως της τάξης των δευτερολέπτων). Δεν μπορούν να βασίζονται στον εαυτό τους για να καταστείλουν γρήγορα αυτήν την ηλεκτρική αντίστροφη ροή. Η εργασία πρέπει να διεκπεραιώνεται από το εξαιρετικά γρήγορο Σύστημα Μετατροπής Ισχύος (PCS) του συστήματος αποθήκευσης ενέργειας.

Διάλυμα:

• Βασική Αρχή: «Το ντίζελ προηγείται, η αποθήκευση ακολουθεί». Σε ολόκληρο το σύστημα, το σετ γεννήτριας ντίζελ λειτουργεί ως πηγή αναφοράς τάσης και συχνότητας (δηλαδή, λειτουργία ελέγχου V/F), ανάλογη με το «δίκτυο». Το σύστημα αποθήκευσης ενέργειας λειτουργεί σε λειτουργία ελέγχου σταθερής ισχύος (PQ), όπου η ισχύς εξόδου του καθορίζεται αποκλειστικά από εντολές από έναν κύριο ελεγκτή.
• Λογική ελέγχου:
  1. Παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο: Ο κύριος ελεγκτής συστήματος (ή ο ίδιος ο υπολογιστής αποθήκευσης PCS) παρακολουθεί την ισχύ εξόδου (P_ντίζελ) και την κατεύθυνση της γεννήτριας ντίζελ σε πραγματικό χρόνο με πολύ υψηλή ταχύτητα (π.χ., χιλιάδες φορές ανά δευτερόλεπτο).
  2. Σημείο ρύθμισης ισχύος: Το σημείο ρύθμισης ισχύος για το σύστημα αποθήκευσης ενέργειας (P_set) πρέπει να ικανοποιεί:P_load(συνολική ισχύς φορτίου) =P_ντίζελ+P_set.
  3. Ταχεία Ρύθμιση: Όταν το φορτίο μειώνεται απότομα, προκαλώνταςP_ντίζελγια να έχει αρνητική τάση, ο ελεγκτής πρέπει μέσα σε λίγα χιλιοστά του δευτερολέπτου να στείλει μια εντολή στον υπολογιστή αποθήκευσης PCS για να μειώσει αμέσως την ισχύ εκφόρτισης ή να μεταβεί σε ισχύ απορρόφησης (φόρτιση). Αυτό απορροφά την πλεονάζουσα ενέργεια στις μπαταρίες, διασφαλίζοντας ότιP_ντίζελπαραμένει θετική.
• Τεχνικές ασφαλιστικές δικλείδες:
  • Επικοινωνία Υψηλής Ταχύτητας: Απαιτούνται πρωτόκολλα επικοινωνίας υψηλής ταχύτητας (π.χ., δίαυλος CAN, γρήγορο Ethernet) μεταξύ του ελεγκτή ντίζελ, του PCS αποθήκευσης και του κύριου ελεγκτή συστήματος για να εξασφαλιστεί η ελάχιστη καθυστέρηση εντολών.
  • Ταχεία Απόκριση PCS: Οι σύγχρονες μονάδες αποθήκευσης PCS έχουν χρόνους απόκρισης ισχύος πολύ ταχύτερους από 100ms, συχνά εντός 10ms, γεγονός που τις καθιστά πλήρως ικανές να ανταποκριθούν σε αυτήν την απαίτηση.
  • Προστασία από Πλεονάζουσα Ισχύ: Πέρα από τη σύνδεση ελέγχου, ένα ρελέ προστασίας αντίστροφης ισχύος εγκαθίσταται συνήθως στην έξοδο της γεννήτριας ντίζελ ως τελικό φράγμα υλικού. Ωστόσο, ο χρόνος λειτουργίας του μπορεί να είναι μερικές εκατοντάδες χιλιοστά του δευτερολέπτου, επομένως χρησιμεύει κυρίως ως εφεδρική προστασία. Η βασική ταχεία προστασία βασίζεται στο σύστημα ελέγχου.

2. Σταθερή ισχύς εξόδου

Περιγραφή προβλήματος:
Οι κινητήρες ντίζελ λειτουργούν με μέγιστη απόδοση καυσίμου και τις χαμηλότερες εκπομπές ρύπων σε ένα εύρος φορτίου περίπου 60%-80% της ονομαστικής τους ισχύος. Τα χαμηλά φορτία προκαλούν «υγρή συσσώρευση» και συσσώρευση άνθρακα, ενώ τα υψηλά φορτία αυξάνουν δραστικά την κατανάλωση καυσίμου και μειώνουν τη διάρκεια ζωής. Στόχος είναι η απομόνωση του ντίζελ από τις διακυμάνσεις του φορτίου, διατηρώντας το σταθερό σε ένα αποτελεσματικό σημείο ρύθμισης.

Διάλυμα:

• Στρατηγική ελέγχου «Ξυρίσματος Κορυφής και Γεμίσματος Κοιλάδας»:
  1. Ρύθμιση σημείου βάσης: Το σετ γεννήτριας ντίζελ λειτουργεί με σταθερή ισχύ εξόδου που έχει οριστεί στο σημείο βέλτιστης απόδοσής του (π.χ., 70% της ονομαστικής ισχύος).
  2. Κανονισμός αποθήκευσης:
     • Όταν η ζήτηση φορτίου > το σημείο ρύθμισης ντίζελ: Η ελλειμματική ισχύς (P_load - P_diesel_set) συμπληρώνεται από την εκφόρτιση του συστήματος αποθήκευσης ενέργειας.
     • Όταν η ζήτηση φορτίου < σημείο ρύθμισης ντίζελ: Η πλεονάζουσα ισχύς (P_diesel_set - P_load) απορροφάται από τη φόρτιση του συστήματος αποθήκευσης ενέργειας.
• Πλεονεκτήματα συστήματος:
  • Ο κινητήρας ντίζελ λειτουργεί σταθερά με υψηλή απόδοση, ομαλά, παρατείνοντας τη διάρκεια ζωής του και μειώνοντας το κόστος συντήρησης.
  • Το σύστημα αποθήκευσης ενέργειας εξομαλύνει τις δραστικές διακυμάνσεις του φορτίου, αποτρέποντας την αναποτελεσματικότητα και τη φθορά που προκαλούνται από τις συχνές αλλαγές φορτίου ντίζελ.
  • Η συνολική κατανάλωση καυσίμου μειώνεται σημαντικά.

3. Ξαφνική αποσύνδεση της αποθήκευσης ενέργειας

Περιγραφή προβλήματος:
Το σύστημα αποθήκευσης ενέργειας ενδέχεται να απενεργοποιηθεί ξαφνικά λόγω βλάβης της μπαταρίας, σφάλματος PCS ή διακοπτών προστασίας. Η ενέργεια που προηγουμένως διαχειριζόταν η αποθήκευση (είτε παρήγαγε είτε κατανάλωνε) μεταφέρεται αμέσως εξ ολοκλήρου στο σετ γεννήτριας ντίζελ, δημιουργώντας ένα τεράστιο σοκ ισχύος.

Κίνδυνοι:

• Εάν η αποθήκευση εκφορτιζόταν (υποστηρίζοντας το φορτίο), η αποσύνδεσή της μεταφέρει το πλήρες φορτίο στο ντίζελ, προκαλώντας ενδεχομένως υπερφόρτωση, πτώση συχνότητας (ταχύτητας) και προστατευτική διακοπή λειτουργίας.
• Εάν η αποθήκευση φορτιζόταν (απορροφώντας την πλεονάζουσα ισχύ), η αποσύνδεσή της αφήνει την πλεονάζουσα ισχύ του ντίζελ χωρίς να πάει πουθενά, προκαλώντας ενδεχομένως αντίστροφη ισχύ και υπέρταση, προκαλώντας επίσης διακοπή λειτουργίας.

Διάλυμα:

• Εφεδρεία Πλευρικής Περιστροφής Ντίζελ: Το σετ γεννήτριας ντίζελ δεν πρέπει να έχει μέγεθος μόνο για το βέλτιστο σημείο απόδοσής του. Πρέπει να έχει δυναμική εφεδρική χωρητικότητα. Για παράδειγμα, εάν το μέγιστο φορτίο συστήματος είναι 1000kW και το ντίζελ λειτουργεί στα 700kW, η ονομαστική χωρητικότητα του ντίζελ πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 700kW + το μεγαλύτερο πιθανό βηματικό φορτίο (ή τη μέγιστη ισχύ της αποθήκευσης), π.χ., μια μονάδα 1000kW που επιλέγεται, παρέχει ένα buffer 300kW για μια βλάβη αποθήκευσης.
• Γρήγορος έλεγχος φόρτωσης:
  1. Παρακολούθηση συστήματος σε πραγματικό χρόνο: Παρακολουθεί συνεχώς την κατάσταση και τη ροή ισχύος του συστήματος αποθήκευσης.
  2. Ανίχνευση σφάλματος: Μόλις εντοπιστεί μια ξαφνική αποσύνδεση της αποθήκευσης, ο κύριος ελεγκτής στέλνει αμέσως ένα σήμα γρήγορης μείωσης φορτίου στον ελεγκτή ντίζελ.
  3. Απόκριση Ντίζελ: Ο ελεγκτής ντίζελ ενεργεί αμέσως (π.χ., μειώνοντας γρήγορα την έγχυση καυσίμου) για να προσπαθήσει να μειώσει την ισχύ ώστε να ταιριάζει με το νέο φορτίο. Η εφεδρική χωρητικότητα περιστροφής αγοράζει χρόνο για αυτήν την πιο αργή μηχανική απόκριση.
• Τελευταία Καταφυγή: Απόρριψη Φορτίου: Εάν το σοκ ισχύος είναι πολύ μεγάλο για να το χειριστεί το ντίζελ, η πιο αξιόπιστη προστασία είναι η απόρριψη μη κρίσιμων φορτίων, δίνοντας προτεραιότητα στην ασφάλεια των κρίσιμων φορτίων και της ίδιας της γεννήτριας. Ένα σχέδιο απόρριψης φορτίου είναι μια απαραίτητη απαίτηση προστασίας στο σχεδιασμό του συστήματος.

4. Πρόβλημα άεργου ισχύος

Περιγραφή προβλήματος:
Η άεργος ισχύς χρησιμοποιείται για τη δημιουργία μαγνητικών πεδίων και είναι κρίσιμη για τη διατήρηση της σταθερότητας της τάσης στα συστήματα εναλλασσόμενου ρεύματος. Τόσο η γεννήτρια ντίζελ όσο και το PCS αποθήκευσης πρέπει να συμμετέχουν στη ρύθμιση της άεργης ισχύος.

• Γεννήτρια ντίζελ: Ελέγχει την άεργο ισχύ εξόδου και την τάση ρυθμίζοντας το ρεύμα διέγερσης. Η ικανότητα άεργου ισχύος της είναι περιορισμένη και η απόκρισή της είναι αργή.
• PCS αποθήκευσης: Οι περισσότερες σύγχρονες μονάδες PCS είναι τετραγωνικές, που σημαίνει ότι μπορούν ανεξάρτητα και γρήγορα να εγχέουν ή να απορροφούν άεργο ισχύ (υπό την προϋπόθεση ότι δεν υπερβαίνουν την φαινομενική ονομαστική ισχύ τους σε kVA).

Πρόκληση: Πώς να συντονίσετε και τα δύο για να διασφαλίσετε τη σταθερότητα της τάσης του συστήματος χωρίς να υπερφορτώσετε καμία από τις δύο μονάδες.

Διάλυμα:

• Στρατηγικές Ελέγχου:
  1. Το ντίζελ ρυθμίζει την τάση: Το σετ γεννήτριας ντίζελ έχει ρυθμιστεί σε λειτουργία V/F, υπεύθυνη για τον καθορισμό της τάσης και της συχνότητας αναφοράς του συστήματος. Παρέχει μια σταθερή «πηγή τάσης».
  2. Η αποθήκευση συμμετέχει στην αντιδραστική ρύθμιση (Προαιρετικό):
     • Λειτουργία PQ: Η αποθήκευση χειρίζεται μόνο την ενεργή ισχύ (P), με άεργο ισχύ (Q) ρυθμισμένο στο μηδέν. Το ντίζελ παρέχει όλη την άεργο ισχύ. Αυτή είναι η απλούστερη μέθοδος αλλά επιβαρύνει το ντίζελ.
     • Λειτουργία Κατανομής Άεργου Ισχύος: Ο κύριος ελεγκτής του συστήματος στέλνει εντολές άεργου ισχύος (Q_set) στον PCS αποθήκευσης με βάση τις τρέχουσες συνθήκες τάσης. Εάν η τάση του συστήματος είναι χαμηλή, δώστε εντολή στον αποθηκευτικό χώρο να εγχύσει άεργο ισχύ. Εάν είναι υψηλή, δώστε εντολή να απορροφήσει άεργο ισχύ. Αυτό ανακουφίζει το βάρος του ντίζελ, επιτρέποντάς του να επικεντρωθεί στην ενεργό ισχύ εξόδου, παρέχοντας παράλληλα λεπτότερη και ταχύτερη σταθεροποίηση τάσης.
     • Λειτουργία ελέγχου συντελεστή ισχύος (PF): Ορίζεται ένας συντελεστής ισχύος-στόχος (π.χ. 0,95) και η αποθήκευση προσαρμόζει αυτόματα την άεργο ισχύ της για να διατηρήσει έναν σταθερό συνολικό συντελεστή ισχύος στους ακροδέκτες της γεννήτριας ντίζελ.
• Εξέταση Χωρητικότητας: Το PCS αποθήκευσης πρέπει να έχει επαρκές μέγεθος φαινομενικής ισχύος (kVA). Για παράδειγμα, ένα PCS 500kW που αποδίδει 400kW ενεργού ισχύος μπορεί να παρέχει μέγιστοτετραγωνική ίντσα (500² - 400²) = 300kVArάεργου ισχύος. Εάν η ζήτηση άεργου ισχύος είναι υψηλή, απαιτείται μεγαλύτερο PCS.

Περίληψη

Η επιτυχής επίτευξη σταθερής διασύνδεσης μεταξύ ενός σετ γεννήτριας ντίζελ και μιας αποθήκευσης ενέργειας εξαρτάται από τον ιεραρχικό έλεγχο:

1. Επίπεδο υλικού: Επιλέξτε ένα PCS αποθήκευσης ταχείας απόκρισης και έναν ελεγκτή γεννήτριας ντίζελ με διεπαφές επικοινωνίας υψηλής ταχύτητας.
2. Επίπεδο ελέγχου: Χρησιμοποιεί μια βασική αρχιτεκτονική «Το ντίζελ ορίζει V/F, η αποθήκευση κάνει PQ». Ένας ελεγκτής συστήματος υψηλής ταχύτητας εκτελεί αποστολή ισχύος σε πραγματικό χρόνο για την ενεργό ισχύ «εξομάλυνση αιχμής/πλήρωση κοιλάδας» και την υποστήριξη της άεργου ισχύος.
3. Επίπεδο προστασίας: Ο σχεδιασμός του συστήματος πρέπει να περιλαμβάνει ολοκληρωμένα σχέδια προστασίας: προστασία από αντίστροφη ισχύ, προστασία από υπερφόρτωση και στρατηγικές ελέγχου φορτίου (ακόμη και απόρριψης φορτίου) για την αντιμετώπιση της ξαφνικής αποσύνδεσης της αποθήκευσης.

Μέσω των λύσεων που περιγράφονται παραπάνω, τα τέσσερα βασικά ζητήματα που θίξατε μπορούν να αντιμετωπιστούν αποτελεσματικά για την κατασκευή ενός αποδοτικού, σταθερού και αξιόπιστου υβριδικού συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας ντίζελ-αποθήκευσης ενέργειας.