Dyzelinių generatorių ir energijos kaupimo sujungimo problemos analizė

Čia pateikiamas išsamus keturių pagrindinių problemų, susijusių su dyzelinių generatorių ir energijos kaupimo sistemų sujungimu, paaiškinimas anglų kalba. Ši hibridinė energijos sistema (dažnai vadinama „dyzelino + kaupimo“ hibridiniu mikrotinklu) yra pažangus sprendimas, skirtas pagerinti efektyvumą, sumažinti degalų sąnaudas ir užtikrinti stabilų energijos tiekimą, tačiau jos valdymas yra labai sudėtingas.

Pagrindinių problemų apžvalga

1. 100 ms atvirkštinės galios problema: kaip užkirsti kelią energijos kaupimui iš atgalinio energijos tiekimo į dyzelinį generatorių, tokiu būdu jį apsaugant.
2. Pastovi galia: kaip užtikrinti, kad dyzelinis variklis veiktų nuolat didelio efektyvumo zonoje.
3. Staigus energijos kaupimo sistemos atjungimas: kaip reaguoti į poveikį, kai energijos kaupimo sistema staiga atsijungia nuo tinklo.
4. Reaktyviosios galios problema: kaip koordinuoti reaktyviosios galios pasidalijimą tarp dviejų šaltinių, kad būtų užtikrintas įtampos stabilumas.

1. 100 ms atvirkštinio maitinimo problema

Problemos aprašymas:
Atvirkštinė energija atsiranda, kai elektros energija teka iš energijos kaupimo sistemos (arba apkrovos) atgal į dyzelinio generatoriaus agregatą. Dyzelinio variklio atveju tai veikia kaip „variklis“, sukant variklį. Tai itin pavojinga ir gali sukelti:

• Mechaniniai pažeidimai: Neįprastas variklio veikimas gali pažeisti tokius komponentus kaip alkūninis velenas ir švaistikliai.
• Sistemos nestabilumas: sukelia dyzelinio variklio greičio (dažnio) ir įtampos svyravimus, dėl kurių jis gali išsijungti.

Reikalavimas išspręsti šią problemą per 100 ms egzistuoja todėl, kad dyzeliniai generatoriai turi didelę mechaninę inerciją, o jų greičio reguliavimo sistemos reaguoja lėtai (paprastai sekundžių eilės tvarka). Jie negali pasikliauti savimi, kad greitai slopintų šį elektros atgalinį srautą. Šią užduotį turi atlikti itin greitai reaguojanti energijos kaupimo sistemos galios konversijos sistema (PCS).

Sprendimas:

• Pagrindinis principas: „Dyzelinas veda, kaupimas seka.“ Visoje sistemoje dyzelinis generatorius veikia kaip įtampos ir dažnio etaloninis šaltinis (t. y. V/F valdymo režimas), analogiškai „tinklui“. Energijos kaupimo sistema veikia pastovios galios (PQ) valdymo režimu, kai jos išėjimo galią nustato tik pagrindinio valdiklio komandos.
• Valdymo logika:
  1. Stebėjimas realiuoju laiku: sistemos pagrindinis valdiklis (arba pati saugojimo PCS) stebi išėjimo galią (P_dyzelinas) ir dyzelinio generatoriaus kryptį realiuoju laiku labai dideliu greičiu (pvz., tūkstančius kartų per sekundę).
  2. Galios nustatymas: energijos kaupimo sistemos galios nustatymo vertė (P_rinkinys) turi atitikti:P_apkrova(bendra apkrovos galia) =P_dyzelinas+P_rinkinys.
  3. Greitas reguliavimas: Kai apkrova staiga sumažėja, dėl toP_dyzelinasnorint pasiekti neigiamą tendenciją, valdiklis per kelias milisekundes turi nusiųsti komandą kaupimo sistemos komponentui (PCS), kad šis nedelsdamas sumažintų iškrovimo galią arba persijungtų į absorbcinę galią (įkrovimą). Tai absorbuoja energijos perteklių į baterijas, užtikrindamasP_dyzelinasišlieka teigiamas.
• Techninės apsaugos priemonės:
  • Didelės spartos ryšys: siekiant užtikrinti minimalų komandų vėlavimą, tarp dyzelinio valdiklio, saugojimo PCS ir sistemos pagrindinio valdiklio reikalingi didelės spartos ryšio protokolai (pvz., CAN magistralė, greitasis Ethernet).
  • PCS greitasis reagavimas: Šiuolaikinių PCS saugojimo įrenginių maitinimo atsako laikas yra daug greitesnis nei 100 ms, dažnai per 10 ms, todėl jie visiškai atitinka šį reikalavimą.
  • Apsauga nuo perkrovų: Be valdymo jungties, dyzelinio generatoriaus išėjime paprastai įrengiama atvirkštinės galios apsaugos relė kaip galutinis aparatinės įrangos barjeras. Tačiau jos veikimo laikas gali būti keli šimtai milisekundžių, todėl ji pirmiausia atlieka atsarginės apsaugos funkciją; pagrindinė greitoji apsauga priklauso nuo valdymo sistemos.

2. Pastovi galia

Problemos aprašymas:
Dyzeliniai varikliai veikia maksimaliai efektyviai naudodami degalus ir išmesdami mažiausią teršalų kiekį, kai apkrova yra maždaug 60–80 % jų vardinės galios. Mažos apkrovos sukelia „šlapią kaupimąsi“ ir anglies kaupimąsi, o didelės apkrovos smarkiai padidina degalų sąnaudas ir sutrumpina tarnavimo laiką. Tikslas – izoliuoti dyzelinį variklį nuo apkrovos svyravimų, išlaikant jo stabilumą efektyvioje nustatytoje vertėje.

Sprendimas:

• „Piko skutimo ir slėnių užpildymo“ kontrolės strategija:
  1. Nustatytas bazinis taškas: dyzelinis generatorius veikia pastovia galia, nustatyta optimalaus efektyvumo taške (pvz., 70 % vardinės galios).
  2. Sandėliavimo reglamentas:
     • Kai apkrovos poreikis > dyzelino nustatytoji vertė: trūkstama galia (P_apkrova - P_dyzelino_rinkinys) papildo energijos kaupimo sistemos iškrovimas.
     • Kai apkrovos poreikis < dyzelino nustatytoji vertė: perteklinė galia (P_dyzelino_rinkinys - P_apkrova) sugeria energijos kaupimo sistemos įkrovimas.
• Sistemos privalumai:
  • Dyzelinis variklis veikia sklandžiai ir dideliu efektyvumu, todėl pailgėja jo tarnavimo laikas ir sumažėja priežiūros išlaidos.
  • Energijos kaupimo sistema išlygina didelius apkrovos svyravimus, užkirsdama kelią neefektyvumui ir nusidėvėjimui, kurį sukelia dažni dyzelinių variklių apkrovos pokyčiai.
  • Bendros degalų sąnaudos gerokai sumažėja.

3. Staigus energijos kaupimo sistemos atjungimas

Problemos aprašymas:
Energijos kaupimo sistema gali staiga nustoti veikti dėl akumuliatoriaus gedimo, kompiuterio valdymo bloko gedimo arba apsaugos suveikimo. Anksčiau kaupimo sistemoje apdorota (generuojama arba vartojama) energija akimirksniu perduodama dyzeliniam generatoriui, sukeldamas didžiulį energijos šoką.

Rizika:

• Jei akumuliatorius išsikraudavo (palaikydamas apkrovą), jį atjungus visa apkrova perkeliama į dyzeliną, o tai gali sukelti perkrovą, dažnio (greičio) kritimą ir apsauginį išsijungimą.
• Jei akumuliatorius buvo įkraunamas (sugeriantis perteklinę energiją), jį atjungus, dyzelinio variklio perteklinė energija netenka galios, todėl gali atsirasti atvirkštinė energija ir viršįtampis, taip pat galintis sukelti išsijungimą.

Sprendimas:

• Dyzelinio variklio sukimosi rezervas: dyzelinio generatoriaus dydis negali būti parinktas tik pagal optimalų efektyvumo tašką. Jis turi turėti dinaminę atsarginę galią. Pavyzdžiui, jei maksimali sistemos apkrova yra 1000 kW, o dyzelinis variklis veikia 700 kW galia, dyzelinio variklio vardinė galia turi būti didesnė nei 700 kW + didžiausia galima laiptelio apkrova (arba maksimali kaupiklio galia), pvz., pasirinktas 1000 kW įrenginys, užtikrinantis 300 kW buferį kaupiklio gedimo atveju.
• Greitas apkrovos valdymas:
  1. Sistemos stebėjimas realiuoju laiku: Nuolat stebi saugojimo sistemos būseną ir energijos srautą.
  2. Gedimų aptikimas: Aptikęs staigų kaupiklio atjungimą, pagrindinis valdiklis nedelsdamas siunčia greito apkrovos mažinimo signalą dyzelinio variklio valdikliui.
  3. Dyzelinio variklio reakcija: Dyzelinio variklio valdiklis reaguoja nedelsdamas (pvz., greitai sumažina degalų įpurškimą), bandydamas sumažinti galią, kad ji atitiktų naują apkrovą. Besisukanti rezervinė talpa suteikia laiko šiai lėtesnei mechaninei reakcijai.
• Kraštutinė priemonė: apkrovos mažinimas: jei įtampos šuolis yra per didelis, kad dyzelinas galėtų jį atlaikyti, patikimiausia apsauga yra atjungti nekritines apkrovas, teikiant pirmenybę kritinių apkrovų ir paties generatoriaus saugumui. Apkrovos mažinimo schema yra esminis apsaugos reikalavimas projektuojant sistemą.

4. Reaktyviosios galios problema

Problemos aprašymas:
Reaktyvioji galia naudojama magnetiniams laukams sukurti ir yra labai svarbi įtampos stabilumui palaikyti kintamosios srovės sistemose. Tiek dyzelinis generatorius, tiek kaupimo sistema turi dalyvauti reaktyviosios galios reguliavime.

• Dyzelinis generatorius: kontroliuoja reaktyviosios galios išvestį ir įtampą, reguliuodamas sužadinimo srovę. Jo reaktyviosios galios galimybės yra ribotos, o atsakas lėtas.
• Reaktyviosios energijos kaupimo sistemos: Dauguma šiuolaikinių reaktyviosios energijos kaupimo įrenginių yra keturių kvadrantų, tai reiškia, kad jie gali savarankiškai ir greitai tiekti arba absorbuoti reaktyviąją galią (jei neviršija savo tariamosios galios kVA).

Iššūkis: kaip suderinti abu, kad būtų užtikrintas sistemos įtampos stabilumas neperkraunant nė vieno įrenginio.

Sprendimas:

• Kontrolės strategijos:
  1. Dyzelinas reguliuoja įtampą: Dyzelinis generatorius nustatytas V/F režimu, kuris yra atsakingas už sistemos įtampos ir dažnio etalonų nustatymą. Jis užtikrina stabilų „įtampos šaltinį“.
  2. Sandėliavimas dalyvauja reaktyviajame reguliavime (neprivaloma):
     • PQ režimas: saugykla apdoroja tik aktyviąją galią (P), su reaktyvia galia (Q) nustatytas į nulį. Dyzelinas tiekia visą reaktyviąją galią. Tai paprasčiausias metodas, bet apkrauna dyzeliną.
     • Reaktyviosios galios paskirstymo režimas: sistemos pagrindinis valdiklis siunčia reaktyviosios galios komandas (Q_rinkinys) į kaupimo sistemos valdymo bloką (PCS) pagal esamas įtampos sąlygas. Jei sistemos įtampa žema, duokite kaupimo įrenginiui komandą tiekti reaktyviąją galią; jei aukšta, duokite jam komandą absorbuoti reaktyviąją galią. Tai sumažina dyzelinio variklio apkrovą, leisdama jam sutelkti dėmesį į aktyviosios galios išvestį, tuo pačiu užtikrinant tikslesnį ir greitesnį įtampos stabilizavimą.
     • Galios koeficiento (PF) valdymo režimas: nustatomas tikslinis galios koeficientas (pvz., 0,95), o akumuliatorius automatiškai reguliuoja savo reaktyviąją išvestį, kad dyzelinio generatoriaus gnybtuose būtų palaikomas pastovus bendras galios koeficientas.
• Talpos įvertinimas: kaupimo sistemos (PCS) dydis turi būti pakankamas, kad būtų užtikrinta pakankama tariamoji galia (kVA). Pavyzdžiui, 500 kW PCS, kurios aktyvioji galia yra 400 kW, gali tiekti daugiausiaikv. m² (500² - 400²) = 300 kVArreaktyviosios galios. Jei reaktyviosios galios poreikis didelis, reikalingas didesnis PCS.

Santrauka

Sėkmingas stabilus dyzelinio generatoriaus ir energijos kaupimo sistemos sujungimas priklauso nuo hierarchinio valdymo:

1. Aparatinės įrangos sluoksnis: pasirinkite greitai reaguojančią kaupimo PCS ir dyzelinio generatoriaus valdiklį su didelės spartos ryšio sąsajomis.
2. Valdymo sluoksnis: naudojama pagrindinė architektūra „Dyzelinas nustato V/F, kaupimas atlieka PQ“. Didelės spartos sistemos valdiklis atlieka realaus laiko energijos paskirstymą aktyviosios galios „piko mažinimui / slėnio užpildymui“ ir reaktyviosios galios palaikymui.
3. Apsaugos sluoksnis: sistemos projekte turi būti numatyti išsamūs apsaugos planai: atvirkštinio maitinimo apsauga, apsauga nuo perkrovų ir apkrovos valdymo (net apkrovos mažinimo) strategijos, skirtos staigiam saugyklos atjungimui.

Taikant aukščiau aprašytus sprendimus, galima veiksmingai išspręsti keturias pagrindines jūsų iškeltas problemas, siekiant sukurti efektyvią, stabilią ir patikimą hibridinę dyzelinių energijos kaupimo sistemą.