Hírek - A dízelgenerátorok és az energiatárolás közötti összekapcsolás problémájának elemzése

Íme egy részletes angol nyelvű magyarázat a dízelgenerátor-egységek és az energiatároló rendszerek összekapcsolásával kapcsolatos négy fő kérdésről. Ez a hibrid energiarendszer (gyakran „dízel + tároló” hibrid mikrohálózatnak is nevezik) egy fejlett megoldás a hatékonyság javítására, az üzemanyag-fogyasztás csökkentésére és a stabil energiaellátás biztosítására, de a vezérlése rendkívül összetett.

Alapvető problémák áttekintése

100 ms-os fordított tápellátási probléma: Hogyan akadályozhatjuk meg, hogy az energiatároló visszatáplálja az energiát a dízelgenerátorba, ezáltal védve azt.
Állandó teljesítmény: Hogyan lehet a dízelmotort folyamatosan a nagy hatásfokú zónájában üzemeltetni?
Az energiatároló hirtelen lekapcsolása: Hogyan kezeljük a hálózatról való hirtelen leválások hatását?
Meddőteljesítmény probléma: Hogyan lehet koordinálni a meddőteljesítmény megosztását a két forrás között a feszültségstabilitás biztosítása érdekében.

1. A 100 ms-os fordított tápellátási probléma

Probléma leírása:
Fordított teljesítmény akkor keletkezik, amikor az elektromos energia az energiatároló rendszerből (vagy a terhelésből) visszaáramlik a dízelgenerátor-aggregát felé. A dízelmotor esetében ez egy „motorként” működik, amely meghajtja a motort. Ez rendkívül veszélyes, és a következőkhöz vezethet:

Mechanikai sérülések: A motor rendellenes vezetése károsíthatja az olyan alkatrészeket, mint a főtengely és a hajtórudak.
Rendszer instabilitása: A dízelmotor fordulatszámának (frekvenciájának) és feszültségének ingadozását okozza, ami potenciálisan leálláshoz vezethet.

A 100 ms-on belüli megoldás követelménye azért áll fenn, mert a dízelgenerátorok nagy mechanikai tehetetlenséggel rendelkeznek, és sebességszabályozó rendszereik lassan reagálnak (jellemzően másodpercek nagyságrendjében). Nem hagyatkozhatnak önmagukra ennek az elektromos visszaáramlásnak a gyors elnyomásában. A feladatot az energiatároló rendszer ultragyorsan reagáló teljesítményátalakító rendszerének (PCS) kell kezelnie.

Megoldás:

Alapelv: „Dízel vezet, energiatárolás következik.” A teljes rendszerben a dízelgenerátor a feszültség- és frekvenciareferencia-forrásként működik (azaz V/F vezérlési módban), hasonlóan a „hálózathoz”. Az energiatároló rendszer állandó teljesítményű (PQ) vezérlési módban működik, ahol a kimeneti teljesítményét kizárólag a fő vezérlő parancsai határozzák meg.
Vezérlőlogika:
1. Valós idejű monitorozás: A rendszer fő vezérlője (vagy maga a tároló PCS) figyeli a kimeneti teljesítményt (P_dízel) és a dízelgenerátor iránya valós időben, nagyon nagy sebességgel (pl. másodpercenként több ezerszer).
2. Teljesítmény-alapérték: Az energiatároló rendszer teljesítmény-alapértéke (P_készlet) teljesítenie kell a következőket:P_terhelés(teljes terhelési teljesítmény) =P_dízel+P_készlet.
3. Gyors beállítás: Amikor a terhelés hirtelen csökken, amiP_dízelnegatív trend eléréséhez a vezérlőnek néhány milliszekundumon belül parancsot kell küldenie a tároló PCS-nek, hogy azonnal csökkentse a kisütési teljesítményét, vagy átváltson energiaelnyelőre (töltésre). Ez elnyeli a felesleges energiát az akkumulátorokban, biztosítva aP_dízelpozitív marad.
Műszaki biztosítékok:
- Nagysebességű kommunikáció: A dízelvezérlő, a tároló PCS és a rendszer fővezérlője között nagysebességű kommunikációs protokollokra (pl. CAN busz, gyors Ethernet) van szükség a parancsok késleltetésének minimalizálása érdekében.
- PCS gyors válaszidő: A modern PCS tárolóegységek tápellátás-válaszideje jóval gyorsabb, mint 100 ms, gyakran 10 ms-on belül van, így teljes mértékben képesek megfelelni ennek a követelménynek.
- Redundáns védelem: A vezérlőkapcsolaton túl általában egy fordított teljesítményvédelmi relét szerelnek fel a dízelgenerátor kimenetére végső hardveres gátként. Ennek működési ideje azonban néhány száz milliszekundum is lehet, így elsősorban tartalék védelemként szolgál; a mag gyorsvédelme a vezérlőrendszerre támaszkodik.

2. Állandó teljesítmény

Probléma leírása:
A dízelmotorok maximális üzemanyag-hatékonysággal és a legalacsonyabb kibocsátással a névleges teljesítményük körülbelül 60%-80%-os terhelési tartományában működnek. Az alacsony terhelés „nedves rétegződést” és koromlerakódást okoz, míg a nagy terhelés drasztikusan növeli az üzemanyag-fogyasztást és csökkenti az élettartamot. A cél a dízelmotor elszigetelése a terhelésingadozásoktól, és annak stabil, hatékony alapértéken tartása.

Megoldás:

„Csúcsvágás és völgyfeltöltés” szabályozási stratégia:
1. Beállított alapérték: A dízelgenerátor egységet állandó teljesítményen üzemeltetik, amely az optimális hatásfok pontján van beállítva (pl. a névleges teljesítmény 70%-a).
2. Tárolási szabályozás:
  - Amikor a terhelésigény > a dízel alapértéke: A hiányzó teljesítmény (P_load - P_diesel_set) kiegészíti az energiatároló rendszer kisütése.
  - Amikor a terhelésigény < Dízel alapérték: A többletteljesítmény (P_dízel_készlet - P_terhelés) az energiatároló rendszer töltése során nyelődik el.
Rendszer előnyei:
- A dízelmotor következetesen magas hatásfokkal, simán működik, meghosszabbítva élettartamát és csökkentve a karbantartási költségeket.
- Az energiatároló rendszer kisimítja a drasztikus terhelésingadozásokat, megakadályozva a gyakori dízelterhelés-változások okozta hatástalanságot és kopást.
- Az üzemanyag-fogyasztás összességében jelentősen csökken.

3. Az energiatárolás hirtelen lekapcsolása

Probléma leírása:
Az energiatároló rendszer hirtelen leállhat akkumulátorhiba, PCS hiba vagy védelmi kioldások miatt. A korábban a tároló által kezelt energia (legyen az termelés vagy fogyasztás) azonnal teljes egészében a dízelgenerátorra kerül, ami hatalmas áramlökést okoz.

Kockázatok:

Ha a tároló lemerült (a terhelést támogatta), akkor a leválasztása a teljes terhelést a dízelmotorra helyezi át, ami túlterhelést, frekvencia- (sebesség-) esést és védelmi leállást okozhat.
Ha a tároló töltődött (felesleges energiát nyelt el), akkor annak lekapcsolása miatt a dízelmotor felesleges energiája sehová sem juthat, ami fordított teljesítményt és túlfeszültséget okozhat, ami szintén leállást válthat ki.

Megoldás:

Dízel oldali forgási tartalék: A dízelgenerátort nem szabad csak az optimális hatásfokpontja alapján méretezni. Dinamikus tartalékkapacitással kell rendelkeznie. Például, ha a maximális rendszerterhelés 1000 kW, és a dízel 700 kW-on üzemel, a dízel névleges kapacitásának nagyobbnak kell lennie, mint 700 kW + a legnagyobb potenciális lépcsős terhelés (vagy a tároló maximális teljesítménye), pl. egy 1000 kW-os egységet kell kiválasztani, amely 300 kW-os puffert biztosít a tároló meghibásodása esetén.
Gyors terhelésvezérlés:
1. Rendszer valós idejű monitorozása: Folyamatosan figyeli a tárolórendszer állapotát és energiaáramlását.
2. Hibaészlelés: Hirtelen tárolólekapcsolás észlelésekor a fő vezérlő azonnal gyors terheléscsökkentő jelet küld a dízelvezérlőnek.
3. Dízel válasz: A dízelvezérlő azonnal cselekszik (pl. gyorsan csökkenti az üzemanyag-befecskendezést), hogy megpróbálja csökkenteni a teljesítményt az új terhelésnek megfelelően. A forgó tartalékkapacitás időt nyer erre a lassabb mechanikai válaszra.
Végső megoldás: Terheléscsökkentés: Ha a túlfeszültség túl nagy ahhoz, hogy a dízelmotor kezelni tudja, a legmegbízhatóbb védelem a nem kritikus terhelések lekapcsolása, elsőbbséget biztosítva a kritikus terhelések és maga a generátor biztonságának. A terheléscsökkentési séma alapvető védelmi követelmény a rendszertervezésben.

4. Reaktív teljesítmény probléma

Probléma leírása:
A meddő teljesítmény mágneses mezők létrehozására szolgál, és kulcsfontosságú a feszültségstabilitás fenntartásához a váltakozó áramú rendszerekben. Mind a dízelgenerátornak, mind a tároló PCS-nek részt kell vennie a meddő teljesítmény szabályozásában.

Dízelgenerátor: A gerjesztőáram változtatásával szabályozza a meddőteljesítményt és a feszültséget. Meddőteljesítmény-képessége korlátozott, és a válaszideje lassú.
Tároló PCS: A legtöbb modern PCS egység négynegyedes, ami azt jelenti, hogy önállóan és gyorsan képesek betáplálni vagy elnyelni a reaktív teljesítményt (feltéve, hogy nem haladják meg a látszólagos teljesítményüket (kVA)).

Kihívás: Hogyan lehet mindkettőt összehangolni a rendszerfeszültség stabilitásának biztosítása érdekében anélkül, hogy bármelyik egységet túlterhelnénk.

Megoldás:

Ellenőrzési stratégiák:
1. Dízel szabályozza a feszültséget: A dízelgenerátor V/F üzemmódra van állítva, amely a rendszer feszültség- és frekvenciareferenciájának meghatározásáért felelős. Stabil „feszültségforrást” biztosít.
2. A tárolás részt vesz a reaktív szabályozásban (opcionális):
  - PQ mód: A tároló csak az aktív energiát kezeli (P), reaktív teljesítménnyel (Q) nullára állítva. A dízel biztosítja az összes reaktív teljesítményt. Ez a legegyszerűbb módszer, de terheli a dízelt.
  - Meddő teljesítmény elosztási mód: A rendszer fő vezérlője meddő teljesítmény parancsokat küld (Q_készlet) a tároló PCS-hez az aktuális feszültségviszonyok alapján. Ha a rendszerfeszültség alacsony, akkor a tároló reaktív teljesítmény betáplálására utasítja; ha magas, akkor a reaktív teljesítmény elnyelésére. Ez tehermentesíti a dízelt, lehetővé téve, hogy az a hatásos teljesítmény leadására összpontosítson, miközben finomabb és gyorsabb feszültségstabilizálást biztosít.
  - Teljesítménytényező (PF) szabályozási mód: Beállítanak egy célzott teljesítménytényezőt (pl. 0,95), és a tároló automatikusan módosítja a reaktív kimenetét, hogy állandó teljes teljesítménytényezőt tartson fenn a dízelgenerátor kapcsain.
Kapacitási szempontok: A tároló PCS-t megfelelő látszólagos teljesítménykapacitással (kVA) kell méretezni. Például egy 500 kW-os PCS, amely 400 kW aktív teljesítményt ad le, maximum ...négyzet(500² - 400²) = 300 kVAra reaktív teljesítményből. Ha a reaktív teljesítményigény magas, nagyobb PCS-re van szükség.

Összefoglalás

A dízelgenerátor és az energiatároló közötti stabil összekapcsolás sikeres megvalósítása a hierarchikus vezérlésen múlik:

Hardverréteg: Válasszon egy gyorsan reagáló tároló PCS-t és egy nagy sebességű kommunikációs interfészekkel rendelkező dízelgenerátor-vezérlőt.
Vezérlőréteg: Alkalmazzon egy alapvető architektúrát, amely elvei a „Dízel feszültség- és feszültségszabályozást, a tároló pedig teljesítmény-minőséget” határoz meg. Egy nagy sebességű rendszervezérlő valós idejű teljesítményelosztást végez az aktív teljesítmény „csúcskiegyenlítése/völgyfeltöltése” és a reaktív teljesítmény támogatása érdekében.
Védelmi réteg: A rendszertervnek átfogó védelmi terveket kell tartalmaznia: fordított tápellátás-védelmet, túlterhelés-védelmet és terhelésszabályozási (akár terheléscsökkentési) stratégiákat a tároló hirtelen lekapcsolásának kezelésére.

A fent leírt megoldásokon keresztül a felvetett négy kulcsfontosságú probléma hatékonyan kezelhető egy hatékony, stabil és megbízható dízel-energiatároló hibrid energiarendszer kiépítése érdekében.