Анализ проблемы сопряжения дизель-генераторных установок с накопителями энергии

Ниже представлено подробное объяснение на английском языке четырёх основных вопросов, связанных с взаимодействием дизель-генераторных установок и систем накопления энергии. Эта гибридная энергетическая система (часто называемая гибридной микросетью «дизель + накопитель») — передовое решение для повышения эффективности, снижения расхода топлива и обеспечения стабильного электроснабжения, однако её управление весьма сложно.

Обзор основных проблем

1. Проблема обратной мощности 100 мс: как предотвратить обратную подачу энергии от накопителя энергии на дизельный генератор, тем самым защищая его.
2. Постоянная выходная мощность: как обеспечить постоянную работу дизельного двигателя в зоне максимальной эффективности.
3. Внезапное отключение накопителя энергии: как справиться с последствиями внезапного отключения системы накопления энергии от сети.
4. Проблема реактивной мощности: как координировать распределение реактивной мощности между двумя источниками, чтобы обеспечить стабильность напряжения.

1. Проблема обратной мощности 100 мс

Описание проблемы:
Обратная мощность возникает, когда электрическая энергия поступает из системы накопления энергии (или нагрузки) обратно в дизель-генераторную установку. Для дизельного двигателя это действует как «мотор», приводя его в движение. Это чрезвычайно опасно и может привести к:

• Механические повреждения: Неправильная эксплуатация двигателя может привести к повреждению таких компонентов, как коленчатый вал и шатуны.
• Нестабильность системы: вызывает колебания скорости (частоты) и напряжения дизельного двигателя, что может привести к его отключению.

Требование устранения этой проблемы в течение 100 мс обусловлено большой механической инерцией дизельных генераторов и их медленным реагированием систем регулирования скорости (обычно порядка секунд). Они не могут самостоятельно обеспечить быстрое подавление этого обратного электрического потока. Эту задачу должна выполнять сверхбыстро реагирующая система преобразования энергии (PCS) системы накопления энергии.

Решение:

• Основной принцип: «Дизель лидирует, накопитель следует за ним». Во всей системе дизель-генераторная установка выступает в качестве источника опорного напряжения и частоты (т.е. в режиме управления V/F), аналогично «сети». Система накопления энергии работает в режиме управления постоянной мощностью (PQ), где её выходная мощность определяется исключительно командами главного контроллера.
• Логика управления:
  1. Мониторинг в реальном времени: главный контроллер системы (или сама система хранения PCS) контролирует выходную мощность (P_diesel) и направление дизель-генератора в реальном времени с очень высокой скоростью (например, тысячи раз в секунду).
  2. Уставка мощности: Уставка мощности для системы хранения энергии (P_set) должны удовлетворять:P_load(общая мощность нагрузки) =P_diesel+P_set.
  3. Быстрая регулировка: когда нагрузка внезапно уменьшается, вызываяP_dieselДля достижения отрицательного тренда контроллер должен в течение нескольких миллисекунд подать команду в систему управления накопителем на немедленное снижение мощности разряда или переход на режим поглощения энергии (заряда). Это позволяет перенаправить избыточную энергию в аккумуляторы, обеспечиваяP_dieselостается положительным.
• Технические меры безопасности:
  • Высокоскоростная связь: для обеспечения минимальной задержки команд между контроллером дизельного двигателя, PCS-системой хранения данных и главным контроллером системы требуются высокоскоростные протоколы связи (например, шина CAN, Fast Ethernet).
  • Быстрый отклик PCS: Современные PCS-устройства хранения данных имеют время отклика питания гораздо меньше 100 мс, часто в пределах 10 мс, что делает их полностью способными удовлетворить это требование.
  • Резервная защита: Помимо линии управления, на выходе дизель-генератора обычно устанавливается реле защиты от обратной мощности в качестве последнего аппаратного барьера. Однако время его срабатывания может составлять несколько сотен миллисекунд, поэтому оно выполняет преимущественно резервную функцию; основная быстродействующая защита основана на системе управления.

2. Постоянная выходная мощность

Описание проблемы:
Дизельные двигатели работают с максимальной топливной экономичностью и минимальным уровнем выбросов в диапазоне нагрузок примерно от 60% до 80% от номинальной мощности. Низкие нагрузки приводят к «влажному» сгоранию и образованию нагара, а высокие нагрузки резко увеличивают расход топлива и сокращают срок службы. Цель — изолировать дизельный двигатель от колебаний нагрузки, поддерживая его стабильный эффективный режим работы.

Решение:

• Стратегия управления «сглаживание пиков и заполнение долин»:
  1. Установить базовую точку: дизель-генераторная установка работает с постоянной выходной мощностью, установленной в точке оптимальной эффективности (например, 70% от номинальной мощности).
  2. Правила хранения:
     • Когда требуемая нагрузка > уставки дизельного двигателя: Недостающая мощность (P_load - P_diesel_set) дополняется разрядкой системы хранения энергии.
     • Когда требуемая нагрузка < уставки дизельного двигателя: избыточная мощность (P_diesel_set - P_load) поглощается зарядкой системы хранения энергии.
• Преимущества системы:
  • Дизельный двигатель работает стабильно и плавно, что продлевает его срок службы и снижает затраты на техническое обслуживание.
  • Система накопления энергии сглаживает резкие колебания нагрузки, предотвращая неэффективность и износ, вызванные частыми изменениями нагрузки дизельного двигателя.
  • Общий расход топлива значительно снижен.

3. Внезапное отключение накопителя энергии

Описание проблемы:
Система накопления энергии может внезапно выйти из строя из-за отказа аккумуляторной батареи, сбоя в работе системы управления электропитанием (PCS) или срабатывания защиты. Вся энергия, ранее подаваемая накопителем (как генерируемая, так и потребляемая), мгновенно переводится на дизель-генераторную установку, что приводит к мощному скачку напряжения.

Риски:

• Если накопитель разряжался (поддерживая нагрузку), то его отключение переводит всю нагрузку на дизель, что может привести к перегрузке, падению частоты (скорости) и защитному отключению.
• Если накопитель заряжался (поглощал избыточную мощность), его отключение не позволит излишкам мощности дизеля деваться, что может привести к возникновению обратной мощности и перенапряжения, а также к отключению.

Решение:

• Резервный дизельный генератор: Дизель-генераторная установка должна быть рассчитана не только на оптимальный КПД. Она должна иметь динамический резерв мощности. Например, если максимальная нагрузка системы составляет 1000 кВт, а дизельный генератор работает на мощности 700 кВт, номинальная мощность дизельного генератора должна превышать 700 кВт + максимальная потенциальная нагрузка ступени (или максимальная мощность накопителя). Например, следует выбрать агрегат мощностью 1000 кВт, обеспечивающий резерв 300 кВт на случай отказа накопителя.
• Быстрое управление загрузкой:
  1. Мониторинг системы в реальном времени: непрерывный мониторинг состояния и потока мощности системы хранения.
  2. Обнаружение неисправностей: при обнаружении внезапного отключения накопителя главный контроллер немедленно отправляет сигнал быстрого снижения нагрузки на дизельный контроллер.
  3. Реакция дизельного двигателя: контроллер дизельного двигателя реагирует немедленно (например, быстро уменьшает подачу топлива), пытаясь снизить мощность в соответствии с новой нагрузкой. Резервная мощность вращения позволяет выиграть время для этой более медленной механической реакции.
• Крайняя мера: отключение нагрузки. Если скачок мощности слишком силён для дизельного генератора, наиболее надёжной защитой является отключение некритических нагрузок, отдавая приоритет безопасности критических нагрузок и самого генератора. Схема отключения нагрузки — важнейшее требование к системе защиты.

4. Проблема реактивной мощности

Описание проблемы:
Реактивная мощность используется для создания магнитных полей и имеет решающее значение для поддержания стабильности напряжения в системах переменного тока. В регулировании реактивной мощности должны участвовать как дизель-генератор, так и система управления накопителем.

• Дизельный генератор: регулирует выходную реактивную мощность и напряжение, регулируя ток возбуждения. Его реактивная мощность ограничена, а реакция медленная.
• Системы хранения данных PCS: Большинство современных устройств PCS являются четырехквадрантными, что означает, что они могут независимо и быстро вводить или поглощать реактивную мощность (при условии, что они не превышают свою полную номинальную мощность в кВА).

Задача: как скоординировать оба устройства, чтобы обеспечить стабильность напряжения системы, не перегружая ни один из них.

Решение:

• Стратегии контроля:
  1. Дизельный генератор управляет напряжением: Дизель-генераторная установка настроена на режим V/F, отвечающий за формирование опорного напряжения и частоты системы. Он обеспечивает стабильный «источник напряжения».
  2. Хранение участвует в реактивной регуляции (необязательно):
     • Режим PQ: хранилище обрабатывает только активную мощность (P), с реактивной мощностью (Q) установлен на ноль. Дизель обеспечивает всю реактивную мощность. Это самый простой способ, но он нагружает дизель.
     • Режим распределения реактивной мощности: главный контроллер системы отправляет команды реактивной мощности (Q_set) к системе управления накопителем в зависимости от текущего напряжения. Если напряжение в системе низкое, дайте команду накопителю на выдачу реактивной мощности; если высокое, дайте команду на поглощение реактивной мощности. Это снижает нагрузку на дизельный двигатель, позволяя ему сосредоточиться на выработке активной мощности, обеспечивая при этом более точную и быструю стабилизацию напряжения.
     • Режим управления коэффициентом мощности (PF): устанавливается целевой коэффициент мощности (например, 0,95), и накопитель автоматически регулирует свою реактивную мощность для поддержания постоянного общего коэффициента мощности на клеммах дизель-генератора.
• Учет емкости: система хранения PCS должна быть рассчитана на достаточную полную мощность (кВА). Например, PCS мощностью 500 кВт, выдающая 400 кВт активной мощности, может обеспечить максимумsqrt(500² - 400²) = 300 кВАрреактивной мощности. При высоком потреблении реактивной мощности требуется более мощная система управления.

Краткое содержание

Успешное достижение стабильной взаимосвязи между дизель-генераторной установкой и накопителем энергии зависит от иерархического управления:

1. Аппаратный уровень: выберите быстродействующую систему хранения данных PCS и контроллер дизель-генератора с высокоскоростными интерфейсами связи.
2. Уровень управления: использование базовой архитектуры «Дизель задаёт напряжение/частоту, накопитель обеспечивает качество электроэнергии». Высокоскоростной системный контроллер осуществляет распределение мощности в режиме реального времени для сглаживания пиков активной мощности и заполнения пиков, а также поддержки реактивной мощности.
3. Уровень защиты: конструкция системы должна включать комплексные планы защиты: защиту от обратной мощности, защиту от перегрузки и стратегии управления нагрузкой (даже сброс нагрузки) для обработки внезапного отключения хранилища.

Благодаря описанным выше решениям четыре ключевые проблемы, которые вы подняли, могут быть эффективно решены для создания эффективной, стабильной и надежной гибридной энергосистемы с дизельным топливом и накопителем энергии.