Notícies - Anàlisi del problema de la connexió entre els grups electrògens dièsel i l'emmagatzematge d'energia

Aquí teniu una explicació detallada en anglès dels quatre problemes principals relacionats amb la interconnexió de grups electrògens dièsel i sistemes d'emmagatzematge d'energia. Aquest sistema energètic híbrid (sovint anomenat microxarxa híbrida "Dièsel + Emmagatzematge") és una solució avançada per millorar l'eficiència, reduir el consum de combustible i garantir un subministrament d'energia estable, però el seu control és molt complex.

Visió general dels problemes principals

Problema de potència inversa de 100 ms: Com evitar que l'emmagatzematge d'energia retroalimenti el generador dièsel i, per tant, el protegeixi.
Potència de sortida constant: Com mantenir el motor dièsel funcionant de manera consistent en la seva zona d'alta eficiència.
Desconnexió sobtada de l'emmagatzematge d'energia: com gestionar l'impacte quan el sistema d'emmagatzematge d'energia es desconnecta sobtadament de la xarxa.
Problema de potència reactiva: Com coordinar la compartició de la potència reactiva entre les dues fonts per garantir l'estabilitat del voltatge.

1. El problema de la potència inversa de 100 ms

Descripció del problema:
La potència inversa es produeix quan l'energia elèctrica flueix des del sistema d'emmagatzematge d'energia (o la càrrega) cap al grup electrogen dièsel. Per al motor dièsel, això actua com un "motor", impulsant el motor. Això és extremadament perillós i pot provocar:

Danys mecànics: Un funcionament anormal del motor pot danyar components com el cigonyal i les bieles.
Inestabilitat del sistema: Provoca fluctuacions en la velocitat (freqüència) i el voltatge del motor dièsel, cosa que pot provocar l'aturada.

El requisit de resoldre-ho en 100 ms existeix perquè els generadors dièsel tenen una gran inèrcia mecànica i els seus sistemes de regulació de velocitat responen lentament (normalment de l'ordre de segons). No poden confiar en si mateixos per suprimir ràpidament aquest reflux elèctric. La tasca ha de ser gestionada pel sistema de conversió de potència (PCS) de resposta ultraràpida del sistema d'emmagatzematge d'energia.

Solució:

Principi bàsic: "El dièsel condueix, l'emmagatzematge segueix". En tot el sistema, el grup electrogen dièsel actua com a font de referència de voltatge i freqüència (és a dir, mode de control V/F), anàleg a la "xarxa". El sistema d'emmagatzematge d'energia funciona en mode de control de potència constant (PQ), on la seva potència de sortida es determina únicament mitjançant ordres d'un controlador mestre.
Lògica de control:
1. Monitorització en temps real: El controlador mestre del sistema (o el propi PCS d'emmagatzematge) monitoritza la potència de sortida (P_dièsel) i la direcció del generador dièsel en temps real a una velocitat molt alta (per exemple, milers de vegades per segon).
2. Punt de consigna de potència: el punt de consigna de potència per al sistema d'emmagatzematge d'energia (Conjunt_P) ha de complir:P_load(potència de càrrega total) =P_dièsel+Conjunt_P.
3. Ajust ràpid: quan la càrrega disminueix sobtadament, cosa que provocaP_dièselper tenir una tendència negativa, el controlador ha d'enviar una ordre al PCS d'emmagatzematge en pocs mil·lisegons per reduir immediatament la seva potència de descàrrega o canviar a potència d'absorció (càrrega). Això absorbeix l'excés d'energia a les bateries, garantintP_dièselcontinua sent positiu.
Mesures de seguretat tècniques:
- Comunicació d'alta velocitat: Es requereixen protocols de comunicació d'alta velocitat (per exemple, bus CAN, Ethernet ràpid) entre el controlador dièsel, el PCS d'emmagatzematge i el controlador mestre del sistema per garantir un retard mínim de les ordres.
- Resposta ràpida PCS: Les unitats d'emmagatzematge PCS modernes tenen temps de resposta d'energia molt més ràpids que 100 ms, sovint dins dels 10 ms, cosa que les fa totalment capaces de complir aquest requisit.
- Protecció redundant: Més enllà de l'enllaç de control, normalment s'instal·la un relé de protecció de potència inversa a la sortida del generador dièsel com a barrera final de maquinari. Tanmateix, el seu temps de funcionament pot ser d'uns quants centenars de mil·lisegons, de manera que serveix principalment com a protecció de reserva; la protecció ràpida principal depèn del sistema de control.

2. Sortida de potència constant

Descripció del problema:
Els motors dièsel funcionen amb la màxima eficiència de combustible i les emissions més baixes dins d'un rang de càrrega d'aproximadament el 60%-80% de la seva potència nominal. Les càrregues baixes provoquen "apilament humit" i acumulació de carboni, mentre que les càrregues altes augmenten dràsticament el consum de combustible i redueixen la vida útil. L'objectiu és aïllar el dièsel de les fluctuacions de càrrega, mantenint-lo estable en un punt de consigna eficient.

Solució:

Estratègia de control de "Peak Shaving and Valley Farciment":
1. Punt base establert: El grup electrogen dièsel funciona a una potència de sortida constant establerta al seu punt d'eficiència òptima (per exemple, el 70% de la potència nominal).
2. Reglament d'emmagatzematge:
  - Quan la demanda de càrrega > el punt de consigna del dièsel: la potència deficient (P_càrrega - P_conjunt_dièsel) es complementa amb la descàrrega del sistema d'emmagatzematge d'energia.
  - Quan la demanda de càrrega < punt de consigna dièsel: l'excés de potència (Conjunt_dièsel_P - Càrrega_P) és absorbida pel sistema d'emmagatzematge d'energia durant la càrrega.
Beneficis del sistema:
- El motor dièsel funciona de manera consistent amb alta eficiència, suaument, allargant la seva vida útil i reduint els costos de manteniment.
- El sistema d'emmagatzematge d'energia suavitza les fluctuacions dràstiques de càrrega, evitant la ineficiència i el desgast causats pels canvis freqüents de càrrega del dièsel.
- El consum total de combustible es redueix significativament.

3. Desconnexió sobtada de l'emmagatzematge d'energia

Descripció del problema:
El sistema d'emmagatzematge d'energia es pot desconnectar sobtadament a causa d'una fallada de la bateria, un error del PCS o salts de protecció. L'energia que anteriorment gestionava l'emmagatzematge (tant si generava com si consumia) es transfereix instantàniament i completament al grup electrogen dièsel, creant una gran descàrrega de potència.

Riscos:

Si l'emmagatzematge s'estava descarregant (suportant la càrrega), la seva desconnexió transfereix tota la càrrega al dièsel, cosa que pot causar una sobrecàrrega, una caiguda de freqüència (velocitat) i una aturada protectora.
Si l'emmagatzematge s'estava carregant (absorbint l'excés d'energia), la seva desconnexió deixa l'excés d'energia del dièsel sense cap lloc on anar, cosa que pot causar energia inversa i sobretensió, i també desencadenar una apagada.

Solució:

Reserva de gir lateral dièsel: El grup electrogen dièsel no s'ha de dimensionar només pel seu punt d'eficiència òptim. Ha de tenir capacitat de reserva dinàmica. Per exemple, si la càrrega màxima del sistema és de 1000 kW i el dièsel funciona a 700 kW, la capacitat nominal del dièsel ha de ser superior a 700 kW + la càrrega esglaonada potencial més gran (o la potència màxima de l'emmagatzematge), p. ex., una unitat de 1000 kW seleccionada, proporciona un buffer de 300 kW per a una fallada d'emmagatzematge.
Control de càrrega ràpida:
1. Monitorització en temps real del sistema: Monitoritza contínuament l'estat i el flux d'energia del sistema d'emmagatzematge.
2. Detecció d'errors: En detectar una desconnexió sobtada de l'emmagatzematge, el controlador mestre envia immediatament un senyal de reducció ràpida de càrrega al controlador dièsel.
3. Resposta del dièsel: El controlador dièsel actua immediatament (per exemple, reduint ràpidament la injecció de combustible) per intentar reduir la potència per adaptar-se a la nova càrrega. La capacitat de reserva giratòria dóna temps a aquesta resposta mecànica més lenta.
Últim recurs: Descàrrega: Si la descàrrega és massa gran perquè el dièsel la pugui gestionar, la protecció més fiable és descarregant les càrregues no crítiques, prioritzant la seguretat de les càrregues crítiques i del propi generador. Un esquema de descàrrega és un requisit de protecció essencial en el disseny del sistema.

4. Problema de la potència reactiva

Descripció del problema:
L'energia reactiva s'utilitza per establir camps magnètics i és crucial per mantenir l'estabilitat de la tensió en sistemes de corrent altern. Tant el generador dièsel com el PCS d'emmagatzematge han de participar en la regulació de la potència reactiva.

Generador dièsel: Controla la sortida de potència reactiva i el voltatge ajustant el corrent d'excitació. La seva capacitat de potència reactiva és limitada i la seva resposta és lenta.
Emmagatzematge PCS: La majoria de les unitats PCS modernes són de quatre quadrants, és a dir, que poden injectar o absorbir energia reactiva de manera independent i ràpida (sempre que no superin la seva potència aparent en kVA).

Repte: Com coordinar tots dos per garantir l'estabilitat del voltatge del sistema sense sobrecarregar cap de les unitats.

Solució:

Estratègies de control:
1. El dièsel controla el voltatge: El grup electrogen dièsel està configurat en mode V/F, responsable d'establir la referència de voltatge i freqüència del sistema. Proporciona una "font de voltatge" estable.
2. L'emmagatzematge participa en la regulació reactiva (opcional):
  - Mode PQ: L'emmagatzematge només gestiona l'energia activa (P), amb potència reactiva (Q) posat a zero. El dièsel proporciona tota la potència reactiva. Aquest és el mètode més senzill però sobrecarrega el dièsel.
  - Mode de despatx de potència reactiva: el controlador mestre del sistema envia ordres de potència reactiva (Conjunt de Q) al PCS d'emmagatzematge en funció de les condicions de voltatge actuals. Si el voltatge del sistema és baix, ordena a l'emmagatzematge que injecti potència reactiva; si és alt, ordena que absorbeixi potència reactiva. Això alleuja la càrrega del dièsel, permetent-li centrar-se en la sortida de potència activa, alhora que proporciona una estabilització de voltatge més precisa i ràpida.
  - Mode de control del factor de potència (PF): S'estableix un factor de potència objectiu (per exemple, 0,95) i l'emmagatzematge ajusta automàticament la seva sortida reactiva per mantenir un factor de potència global constant als terminals del generador dièsel.
Consideració de la capacitat: El PCS d'emmagatzematge ha de tenir una dimensionada amb una capacitat de potència aparent (kVA) suficient. Per exemple, un PCS de 500 kW que genera 400 kW de potència activa pot proporcionar un màxim dequadrat(500² - 400²) = 300 kVArde potència reactiva. Si la demanda de potència reactiva és alta, cal un PCS més gran.

Resum

Aconseguir una interconnexió estable entre un grup electrogen dièsel i l'emmagatzematge d'energia depèn del control jeràrquic:

Capa de maquinari: seleccioneu un PCS d'emmagatzematge de resposta ràpida i un controlador de generador dièsel amb interfícies de comunicació d'alta velocitat.
Capa de control: Empra una arquitectura fonamental de "El dièsel estableix V/F, l'emmagatzematge fa PQ". Un controlador de sistema d'alta velocitat realitza el despatx de potència en temps real per a la "reducció de pics/ompliment de valls" de potència activa i el suport de potència reactiva.
Capa de protecció: El disseny del sistema ha d'incloure plans de protecció integrals: protecció contra alimentació inversa, protecció contra sobrecàrregues i estratègies de control de càrrega (fins i tot descàrrega) per gestionar la desconnexió sobtada de l'emmagatzematge.

A través de les solucions descrites anteriorment, els quatre problemes clau que heu plantejat es poden abordar de manera eficaç per construir un sistema d'energia híbrid d'emmagatzematge d'energia dièsel eficient, estable i fiable.