تحلیل مسئله ارتباط بین مجموعه‌های دیزل ژنراتور و ذخیره‌سازی انرژی

در اینجا توضیح مفصلی به زبان انگلیسی در مورد چهار مسئله اصلی در مورد اتصال مجموعه‌های دیزل ژنراتور و سیستم‌های ذخیره انرژی ارائه شده است. این سیستم انرژی هیبریدی (که اغلب ریزشبکه هیبریدی "دیزل + ذخیره‌سازی" نامیده می‌شود) یک راه حل پیشرفته برای بهبود راندمان، کاهش مصرف سوخت و تضمین تامین برق پایدار است، اما کنترل آن بسیار پیچیده است.

بررسی اجمالی مسائل اصلی

1. مشکل برق معکوس ۱۰۰ میلی‌ثانیه: چگونه از ذخیره انرژی و برگشت برق به ژنراتور دیزلی جلوگیری کنیم و از آن محافظت کنیم.
2. خروجی توان ثابت: چگونه موتور دیزل را به طور مداوم در منطقه راندمان بالای خود نگه داریم.
3. قطع ناگهانی سیستم ذخیره انرژی: چگونه می‌توان تأثیر قطع ناگهانی سیستم ذخیره انرژی از شبکه را مدیریت کرد.
4. مسئله توان راکتیو: چگونه می‌توان تقسیم توان راکتیو بین دو منبع را هماهنگ کرد تا پایداری ولتاژ تضمین شود.

۱. مشکل توان معکوس ۱۰۰ میلی‌ثانیه‌ای

شرح مشکل:
توان معکوس زمانی اتفاق می‌افتد که انرژی الکتریکی از سیستم ذخیره انرژی (یا بار) به سمت مجموعه دیزل ژنراتور جریان می‌یابد. برای موتور دیزل، این مانند یک "موتور" عمل می‌کند و موتور را به حرکت در می‌آورد. این بسیار خطرناک است و می‌تواند منجر به موارد زیر شود:

• آسیب مکانیکی: رانندگی غیرطبیعی موتور می‌تواند به اجزایی مانند میل لنگ و شاتون آسیب برساند.
• ناپایداری سیستم: باعث نوسانات در سرعت (فرکانس) و ولتاژ موتور دیزل می‌شود که به طور بالقوه منجر به خاموش شدن موتور می‌شود.

الزام به رفع آن در عرض ۱۰۰ میلی‌ثانیه وجود دارد زیرا ژنراتورهای دیزلی اینرسی مکانیکی زیادی دارند و سیستم‌های کنترل سرعت آنها به کندی پاسخ می‌دهند (معمولاً در حد ثانیه). آنها نمی‌توانند به خودشان تکیه کنند تا به سرعت این جریان برگشتی الکتریکی را سرکوب کنند. این کار باید توسط سیستم تبدیل توان (PCS) با پاسخ فوق‌العاده سریع سیستم ذخیره انرژی انجام شود.

راه حل:

• اصل اساسی: «دیزل، منبع تغذیه و ذخیره‌ساز را هدایت می‌کند.» در کل سیستم، دستگاه دیزل ژنراتور به عنوان منبع مرجع ولتاژ و فرکانس (یعنی حالت کنترل V/F) عمل می‌کند، مشابه «شبکه». سیستم ذخیره انرژی در حالت کنترل توان ثابت (PQ) عمل می‌کند، که در آن توان خروجی آن صرفاً توسط دستورات یک کنترل‌کننده اصلی تعیین می‌شود.
• منطق کنترل:
  1. نظارت بلادرنگ: کنترل‌کننده اصلی سیستم (یا خود رایانه ذخیره‌سازی) توان خروجی را نظارت می‌کند (پی_دیزل) و جهت دیزل ژنراتور را به صورت بلادرنگ با سرعت بسیار بالا (مثلاً هزاران بار در ثانیه) تنظیم می‌کند.
  2. نقطه تنظیم توان: نقطه تنظیم توان برای سیستم ذخیره انرژی (مجموعه_P) باید شرایط زیر را برآورده کند:بارگذاری(توان کل بار) =پی_دیزل+مجموعه_P.
  3. تنظیم سریع: هنگامی که بار به طور ناگهانی کاهش می‌یابد، باعث می‌شودپی_دیزلبرای اینکه روند منفی شود، کنترل‌کننده باید ظرف چند میلی‌ثانیه دستوری را به PCS ذخیره‌سازی ارسال کند تا فوراً توان تخلیه خود را کاهش دهد یا به توان جذبی (شارژ) تغییر کند. این کار انرژی اضافی را در باتری‌ها جذب می‌کند و تضمین می‌کندپی_دیزلمثبت باقی می‌ماند.
• حفاظت فنی:
  • ارتباط پرسرعت: پروتکل‌های ارتباطی پرسرعت (مثلاً CAN bus، Fast Ethernet) بین کنترلر دیزل، PCS ذخیره‌سازی و کنترلر اصلی سیستم برای تضمین حداقل تأخیر در فرمان مورد نیاز است.
  • پاسخ سریع PCS: واحدهای ذخیره‌سازی PCS مدرن زمان پاسخ به توان بسیار سریع‌تر از ۱۰۰ میلی‌ثانیه، اغلب در حدود ۱۰ میلی‌ثانیه، دارند که آنها را کاملاً قادر به برآورده کردن این نیاز می‌کند.
  • حفاظت افزونه: فراتر از لینک کنترل، یک رله حفاظت توان معکوس معمولاً در خروجی دیزل ژنراتور به عنوان یک مانع سخت‌افزاری نهایی نصب می‌شود. با این حال، زمان عملکرد آن ممکن است چند صد میلی‌ثانیه باشد، بنابراین در درجه اول به عنوان حفاظت پشتیبان عمل می‌کند؛ حفاظت سریع هسته به سیستم کنترل متکی است.

۲. توان خروجی ثابت

شرح مشکل:
موتورهای دیزلی در محدوده بار تقریباً 60 تا 80 درصد از توان نامی خود، با حداکثر راندمان سوخت و کمترین میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای کار می‌کنند. بارهای کم باعث "انباشت رطوبت" و تجمع کربن می‌شوند، در حالی که بارهای زیاد به شدت مصرف سوخت را افزایش داده و طول عمر را کاهش می‌دهند. هدف، جداسازی دیزل از نوسانات بار و حفظ پایداری آن در یک نقطه تنظیم کارآمد است.

راه حل:

• استراتژی کنترل «تراشیدن قله و پر کردن دره»:
  1. نقطه پایه تنظیم: دستگاه دیزل ژنراتور با توان خروجی ثابتی که در نقطه راندمان بهینه آن (مثلاً ۷۰٪ توان نامی) تنظیم شده است، کار می‌کند.
  2. مقررات انبارداری:
     • وقتی تقاضای بار > نقطه تنظیم دیزل: توان ناکافی (بار سوخت - مجموعه سوخت دیزل) با تخلیه سیستم ذخیره انرژی تکمیل می‌شود.
     • وقتی تقاضای بار کمتر از نقطه تنظیم دیزل باشد: توان اضافی (مجموعه_دیزل - بار_دیزل) توسط سیستم ذخیره انرژی در حال شارژ جذب می‌شود.
• مزایای سیستم:
  • موتور دیزل به طور مداوم با راندمان بالا و روان کار می‌کند، عمر آن را افزایش می‌دهد و هزینه‌های نگهداری را کاهش می‌دهد.
  • سیستم ذخیره انرژی، نوسانات شدید بار را تعدیل می‌کند و از ناکارآمدی و فرسودگی ناشی از تغییرات مکرر بار دیزل جلوگیری می‌کند.
  • مصرف سوخت کلی به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد.

۳. قطع ناگهانی ذخیره انرژی

شرح مشکل:
سیستم ذخیره انرژی ممکن است به دلیل خرابی باتری، خطای PCS یا قطعی‌های حفاظتی ناگهان از مدار خارج شود. برقی که قبلاً توسط ذخیره‌ساز (چه تولیدی و چه مصرفی) مدیریت می‌شد، فوراً به طور کامل به مجموعه دیزل ژنراتور منتقل می‌شود و یک شوک الکتریکی عظیم ایجاد می‌کند.

خطرات:

• اگر مخزن در حال تخلیه (حمایت از بار) بود، قطع آن کل بار را به دیزل منتقل می‌کند و به طور بالقوه باعث اضافه بار، افت فرکانس (سرعت) و خاموشی حفاظتی می‌شود.
• اگر منبع ذخیره در حال شارژ شدن بود (توان اضافی را جذب می‌کرد)، قطع اتصال آن باعث می‌شود توان اضافی دیزل جایی برای رفتن نداشته باشد و این امر به طور بالقوه باعث معکوس شدن توان و اضافه ولتاژ و همچنین خاموش شدن سیستم می‌شود.

راه حل:

• ذخیره چرخش جانبی دیزل: دستگاه دیزل ژنراتور نباید فقط برای نقطه راندمان بهینه آن اندازه گیری شود. باید دارای ظرفیت یدکی پویا باشد. به عنوان مثال، اگر حداکثر بار سیستم ۱۰۰۰ کیلووات باشد و دیزل با ۷۰۰ کیلووات کار کند، ظرفیت نامی دیزل باید بیشتر از ۷۰۰ کیلووات + بزرگترین بار پله‌ای بالقوه (یا حداکثر توان ذخیره‌ساز) باشد، مثلاً یک واحد ۱۰۰۰ کیلوواتی انتخاب شود که یک بافر ۳۰۰ کیلوواتی برای خرابی ذخیره‌ساز فراهم کند.
• کنترل بار سریع:
  1. نظارت بلادرنگ سیستم: به طور مداوم وضعیت و جریان برق سیستم ذخیره‌سازی را رصد می‌کند.
  2. تشخیص خطا: به محض تشخیص قطع ناگهانی منبع تغذیه، کنترل‌کننده اصلی بلافاصله یک سیگنال کاهش بار سریع به کنترل‌کننده دیزل ارسال می‌کند.
  3. پاسخ دیزل: کنترل‌کننده دیزل فوراً عمل می‌کند (مثلاً به سرعت تزریق سوخت را کاهش می‌دهد) تا سعی کند قدرت را برای مطابقت با بار جدید کاهش دهد. ظرفیت ذخیره چرخشی برای این پاسخ مکانیکی کندتر، زمان می‌خرد.
• آخرین راه حل: کاهش بار: اگر شوک الکتریکی برای دیزل بیش از حد بزرگ باشد که بتواند آن را تحمل کند، قابل اعتمادترین حفاظت، کاهش بارهای غیر بحرانی با اولویت دادن به ایمنی بارهای بحرانی و خود ژنراتور است. طرح کاهش بار یک الزام حفاظتی ضروری در طراحی سیستم است.

۴. مشکل توان راکتیو

شرح مشکل:
توان راکتیو برای ایجاد میدان‌های مغناطیسی استفاده می‌شود و برای حفظ پایداری ولتاژ در سیستم‌های AC بسیار مهم است. هم دیزل ژنراتور و هم PCS ذخیره‌سازی باید در تنظیم توان راکتیو مشارکت داشته باشند.

• دیزل ژنراتور: با تنظیم جریان تحریک خود، توان راکتیو خروجی و ولتاژ را کنترل می‌کند. قابلیت توان راکتیو آن محدود و پاسخ آن کند است.
• سیستم‌های ذخیره‌ساز توان راکتیو: اکثر واحدهای مدرن PCS چهار ربعی هستند، به این معنی که می‌توانند به طور مستقل و سریع توان راکتیو تزریق یا جذب کنند (مشروط بر اینکه از توان ظاهری نامی خود (kVA) تجاوز نکنند).

چالش: چگونه هر دو را هماهنگ کنیم تا پایداری ولتاژ سیستم بدون اضافه بار هر یک از واحدها تضمین شود.

راه حل:

• استراتژی‌های کنترل:
  1. دیزل، ولتاژ را کنترل می‌کند: دستگاه دیزل ژنراتور در حالت V/F تنظیم شده است که مسئول ایجاد مرجع ولتاژ و فرکانس سیستم است. این حالت یک «منبع ولتاژ» پایدار فراهم می‌کند.
  2. ذخیره‌سازی در تنظیم واکنشی شرکت می‌کند (اختیاری):
     • حالت PQ: ذخیره‌سازی فقط توان اکتیو را مدیریت می‌کند (P) ، با توان راکتیو (Q) روی صفر تنظیم شود. دیزل تمام توان راکتیو را تأمین می‌کند. این ساده‌ترین روش است اما بار زیادی را به دیزل تحمیل می‌کند.
     • حالت ارسال توان راکتیو: کنترل‌کننده اصلی سیستم، فرمان‌های توان راکتیو را ارسال می‌کند (مجموعه Q) بر اساس شرایط ولتاژ فعلی به PCS ذخیره‌ساز. اگر ولتاژ سیستم پایین باشد، به ذخیره‌ساز دستور دهید تا توان راکتیو تزریق کند؛ اگر بالا باشد، به آن دستور دهید تا توان راکتیو را جذب کند. این کار بار را از روی دیزل برمی‌دارد و به آن اجازه می‌دهد تا روی خروجی توان اکتیو تمرکز کند، در حالی که تثبیت ولتاژ دقیق‌تر و سریع‌تری را فراهم می‌کند.
     • حالت کنترل ضریب توان (PF): یک ضریب توان هدف (مثلاً ۰.۹۵) تنظیم می‌شود و ذخیره‌ساز به طور خودکار خروجی راکتیو خود را تنظیم می‌کند تا ضریب توان کلی ثابتی را در ترمینال‌های دیزل ژنراتور حفظ کند.
• ملاحظات ظرفیت: PCS ذخیره‌سازی باید با ظرفیت توان ظاهری کافی (kVA) اندازه‌گیری شود. به عنوان مثال، یک PCS 500 کیلوواتی که 400 کیلووات توان اکتیو تولید می‌کند، می‌تواند حداکثر ...sqrt(500² - 400²) = 300kVArتوان راکتیو. اگر تقاضای توان راکتیو زیاد باشد، PCS بزرگتری مورد نیاز است.

خلاصه

دستیابی موفقیت‌آمیز به یک اتصال پایدار بین یک دستگاه دیزل ژنراتور و سیستم ذخیره‌سازی انرژی به کنترل سلسله مراتبی بستگی دارد:

1. لایه سخت‌افزاری: یک PCS ذخیره‌سازی با پاسخگویی سریع و یک کنترلر دیزل ژنراتور با رابط‌های ارتباطی پرسرعت انتخاب کنید.
2. لایه کنترل: از یک معماری اساسی «مجموعه‌های دیزل V/F، ذخیره‌سازی PQ» استفاده کنید. یک کنترل‌کننده سیستم پرسرعت، توزیع توان را به صورت بلادرنگ برای «اصلاح اوج/پر کردن دره» توان اکتیو و پشتیبانی از توان راکتیو انجام می‌دهد.
3. لایه حفاظتی: طراحی سیستم باید شامل برنامه‌های حفاظتی جامع باشد: حفاظت از توان معکوس، حفاظت از اضافه بار و استراتژی‌های کنترل بار (حتی قطع بار) برای مدیریت قطع ناگهانی ذخیره‌سازی.

از طریق راهکارهای شرح داده شده در بالا، چهار مسئله کلیدی که مطرح کردید، می‌توانند به طور مؤثر برای ساخت یک سیستم قدرت هیبریدی ذخیره انرژی دیزلی کارآمد، پایدار و قابل اعتماد مورد توجه قرار گیرند.