Аналіз праблемы сувязі паміж дызель-генератарнымі ўстаноўкамі і назапашвальнікамі энергіі

Вось падрабязнае тлумачэнне на англійскай мове чатырох асноўных праблем, якія тычацца ўзаемасувязі дызель-генератарных установак і сістэм назапашвання энергіі. Гэтая гібрыдная энергетычная сістэма (часта называемая гібрыднай мікрасеткай «Дызель + назапашванне») з'яўляецца перадавым рашэннем для павышэння эфектыўнасці, зніжэння спажывання паліва і забеспячэння стабільнага электразабеспячэння, але яе кіраванне вельмі складанае.

Агляд асноўных праблем

1. Праблема зваротнай магутнасці 100 мс: як прадухіліць зваротную падачу энергіі на дызель-генератар ад назапашвальніка энергіі, тым самым абараняючы яго.
2. Пастаянная выходная магутнасць: як падтрымліваць дызельны рухавік у пастаяннай зоне высокай эфектыўнасці.
3. Раптоўнае адключэнне сістэмы захоўвання энергіі: як справіцца з наступствамі раптоўнага адключэння сістэмы захоўвання энергіі ад сеткі.
4. Праблема рэактыўнай магутнасці: як каардынаваць размеркаванне рэактыўнай магутнасці паміж двума крыніцамі для забеспячэння стабільнасці напружання.

1. Праблема зваротнай магутнасці 100 мс

Апісанне праблемы:
Зваротная магутнасць узнікае, калі электрычная энергія паступае ад сістэмы назапашвання энергіі (або нагрузкі) назад да дызель-генератарнай устаноўкі. Для дызельнага рухавіка гэта дзейнічае як «рухавік», які прыводзіць у рух рухавік. Гэта надзвычай небяспечна і можа прывесці да:

• Механічныя пашкоджанні: няправільная праца рухавіка можа пашкодзіць такія кампаненты, як каленчаты вал і шатуны.
• Нестабільнасць сістэмы: выклікае ваганні хуткасці (частоты) і напружання дызельнага рухавіка, што можа прывесці да яго адключэння.

Патрабаванне вырашаць гэтую праблему на працягу 100 мс існуе таму, што дызель-генератары маюць вялікую механічную інерцыю, а іх сістэмы рэгулявання хуткасці рэагуюць павольна (звычайна парадку секунд). Яны не могуць разлічваць на сябе, каб хутка падавіць гэты электрычны зваротны паток. Гэтая задача павінна быць выканана звышхуткай сістэмай пераўтварэння энергіі (PCS) сістэмы назапашвання энергіі.

Рашэнне:

• Асноўны прынцып: «Дызель лідзіруе, назапашванне ідзе за ім». Ва ўсёй сістэме дызель-генератарная ўстаноўка выступае ў якасці крыніцы апорнай напругі і частаты (г.зн. рэжым кіравання V/F), аналагічна «сетцы». Сістэма назапашвання энергіі працуе ў рэжыме кіравання пастаяннай магутнасцю (PQ), дзе яе выходная магутнасць вызначаецца выключна камандамі ад галоўнага кантролера.
• Логіка кіравання:
  1. Маніторынг у рэжыме рэальнага часу: галоўны кантролер сістэмы (або сама сістэма захоўвання дадзеных) кантралюе выходную магутнасць (P_дызель) і кірунак дызель-генератара ў рэжыме рэальнага часу з вельмі высокай хуткасцю (напрыклад, тысячы разоў у секунду).
  2. Зададзенае значэнне магутнасці: Зададзенае значэнне магутнасці для сістэмы назапашвання энергіі (P_set) павінны задавальняць:P_load(агульная магутнасць нагрузкі) =P_дызель+P_set.
  3. Хуткая рэгуляванне: калі нагрузка раптоўна памяншаецца, што прыводзіць даP_дызельКаб тэндэнцыя стала адмоўнай, кантролер павінен на працягу некалькіх мілісекунд адправіць каманду на сістэму захоўвання дадзеных PCS, каб неадкладна знізіць магутнасць разраду або пераключыцца на паглынанне энергіі (зарадку). Гэта паглынае лішнюю энергію ў акумулятары, забяспечваючыP_дызельзастаецца станоўчым.
• Тэхнічныя меры бяспекі:
  • Высокахуткасная сувязь: паміж кантролерам дызельнага рухавіка, сістэмай кіравання назапашваннем дадзеных і галоўным кантролерам сістэмы патрабуюцца высакахуткасныя камунікацыйныя пратаколы (напрыклад, шына CAN, хуткі Ethernet), каб забяспечыць мінімальную затрымку каманды.
  • Хуткае рэагаванне PCS: Сучасныя прылады PCS для захоўвання дадзеных маюць час рэагавання на патрабаванні харчавання значна хутчэйшы за 100 мс, часта ў межах 10 мс, што робіць іх цалкам здольнымі задаволіць гэтае патрабаванне.
  • Рэзервовая абарона: акрамя лініі кіравання, на выхадзе дызель-генератара звычайна ўсталёўваецца рэле абароны ад зваротнага харчавання ў якасці канчатковага апаратнага бар'ера. Аднак час яго спрацоўвання можа складаць некалькі сотняў мілісекунд, таму яно ў асноўным служыць рэзервовай абаронай; хуткая абарона асноўнага блока абапіраецца на сістэму кіравання.

2. Пастаянная выходная магутнасць

Апісанне праблемы:
Дызельныя рухавікі працуюць з максімальнай паліўнай эфектыўнасцю і найменшымі выкідамі ў дыяпазоне нагрузкі прыблізна 60%-80% ад іх намінальнай магутнасці. Нізкія нагрузкі выклікаюць «мокрае назапашванне» і назапашванне вугляроду, у той час як высокія нагрузкі рэзка павялічваюць расход паліва і скарачаюць тэрмін службы. Мэта складаецца ў тым, каб ізаляваць дызельны рухавік ад ваганняў нагрузкі, падтрымліваючы яго стабільным на эфектыўным заданым узроўні.

Рашэнне:

• Стратэгія кантролю «Зніжэнне пікаў і запаўненне западзін»:
  1. Устаноўленая базавая кропка: Дызель-генератарная ўстаноўка працуе на пастаяннай выходнай магутнасці, усталяванай у кропцы аптымальнай эфектыўнасці (напрыклад, 70% ад намінальнай магутнасці).
  2. Рэгламент захоўвання:
     • Калі патрабаванне да нагрузкі > зададзенага значэння дызельнага паліва: дэфіцытная магутнасць (P_load - P_diesel_set) дапаўняецца разрадкай сістэмы назапашвання энергіі.
     • Калі патрабаванне да нагрузкі < зададзенага значэння дызельнага паліва: лішняя магутнасць (P_diesel_set - P_load) паглынаецца сістэмай назапашвання энергіі падчас зарадкі.
• Перавагі сістэмы:
  • Дызельны рухавік працуе стабільна з высокай эфектыўнасцю і плаўна, што падаўжае яго тэрмін службы і зніжае выдаткі на тэхнічнае абслугоўванне.
  • Сістэма назапашвання энергіі згладжвае рэзкія ваганні нагрузкі, прадухіляючы неэфектыўнасць і знос, выкліканыя частымі зменамі нагрузкі на дызельнае паліва.
  • Агульны расход паліва значна зніжаецца.

3. Раптоўнае адключэнне назапашвання энергіі

Апісанне праблемы:
Сістэма назапашвання энергіі можа раптоўна адключыцца ад сеткі з-за адмовы акумулятара, няспраўнасці сістэмы PCS або спрацоўвання абароны. Энергія, якая раней апрацоўвалася назапашвальнікам (незалежна ад таго, генеравала яна або спажывала), імгненна цалкам перадаецца на дызель-генератарную ўстаноўку, што стварае магутны ўдар напружання.

Рызыкі:

• Калі назапашвальнік разраджаўся (падтрымліваў нагрузку), яго адключэнне пераключала поўную нагрузку на дызель, што магло прывесці да перагрузкі, падзення частаты (хуткасці) і ахоўнага адключэння.
• Калі акумулятар зараджаўся (паглынаў лішнюю магутнасць), яго адключэнне пакідае лішнюю магутнасць дызеля без магчымасці выдаткаваць, што можа прывесці да зваротнага ходу магутнасці і перанапружання, а таксама да адключэння.

Рашэнне:

• Рэзерв кручэння дызельнага генератара: Дызель-генератарная ўстаноўка павінна разлічвацца не толькі на аптымальную кропку эфектыўнасці. Яна павінна мець дынамічны рэзервовы запас магутнасці. Напрыклад, калі максімальная нагрузка сістэмы складае 1000 кВт, а дызель працуе на магутнасці 700 кВт, намінальная магутнасць дызеля павінна быць большай за 700 кВт + найбольшая патэнцыйная ступеньчатая нагрузка (або максімальная магутнасць назапашвальніка), напрыклад, абраны агрэгат магутнасцю 1000 кВт забяспечвае буфер у 300 кВт на выпадак збою назапашвальніка.
• Хуткае кіраванне нагрузкай:
  1. Маніторынг сістэмы ў рэжыме рэальнага часу: бесперапынна кантралюе стан і паток энергіі сістэмы захоўвання дадзеных.
  2. Выяўленне няспраўнасці: Пры выяўленні раптоўнага адключэння акумулятара галоўны кантролер неадкладна пасылае сігнал хуткага зніжэння нагрузкі на дызельны кантролер.
  3. Рэакцыя дызельнага рухавіка: Кантролер дызельнага рухавіка рэагуе неадкладна (напрыклад, хутка змяншае ўпырск паліва), спрабуючы знізіць магутнасць у адпаведнасці з новай нагрузкай. Рэзервовая магутнасць кручэння дае час для гэтай больш павольнай механічнай рэакцыі.
• Апошні сродак: адключэнне нагрузкі: калі скачок напружання занадта вялікі для дызельнага рухавіка, найбольш надзейнай абаронай з'яўляецца адключэнне некрытычных нагрузак, надаючы прыярытэт бяспецы крытычных нагрузак і самога генератара. Схема адключэння нагрузкі з'яўляецца важным патрабаваннем абароны пры праектаванні сістэмы.

4. Праблема рэактыўнай магутнасці

Апісанне праблемы:
Рэактыўная магутнасць выкарыстоўваецца для стварэння магнітных палёў і мае вырашальнае значэнне для падтрымання стабільнасці напружання ў сістэмах пераменнага току. Як дызель-генератар, так і сістэма назапашвання рэактыўнай магутнасці павінны ўдзельнічаць у рэгуляванні рэактыўнай магутнасці.

• Дызель-генератар: рэгулюе рэактыўную магутнасць і напружанне, рэгулюючы ток узбуджэння. Яго рэактыўная магутнасць абмежаваная, а рэакцыя павольная.
• Сістэмы захоўвання PCS: Большасць сучасных блокаў PCS маюць чатыры квадрантныя характарыстыкі, гэта значыць, яны могуць самастойна і хутка ўводзіць або паглынаць рэактыўную магутнасць (пры ўмове, што яны не перавышаюць сваю бачную намінальную магутнасць кВА).

Задача: Як скаардынаваць абодва, каб забяспечыць стабільнасць напружання сістэмы без перагрузкі любога з блокаў.

Рашэнне:

• Стратэгіі кантролю:
  1. Дызель рэгулюе напружанне: Дызель-генератарная ўстаноўка настроена на рэжым V/F, які адказвае за ўстанаўленне апорнага напружання і частаты сістэмы. Ён забяспечвае стабільную «крыніцу напружання».
  2. Захоўванне ўдзельнічае ў рэактыўным рэгуляванні (неабавязкова):
     • Рэжым PQ: назапашвальнік апрацоўвае толькі актыўную магутнасць (P), з рэактыўнай магутнасцю (Q) усталяваны на нуль. Дызель забяспечвае ўсю рэактыўную магутнасць. Гэта самы просты метад, але ён нагружае дызель.
     • Рэжым дыспетчарскай перадачы рэактыўнай магутнасці: галоўны кантролер сістэмы пасылае каманды рэактыўнай магутнасці (Q_set) да сістэмы захоўвання PCS на аснове бягучых умоў напружання. Калі напружанне сістэмы нізкае, падайце каманду назапашвальніку ўводзіць рэактыўную магутнасць; калі высокае, падайце каманду на паглынанне рэактыўнай магутнасці. Гэта здымае нагрузку на дызель, дазваляючы яму засяродзіцца на выходнай актыўнай магутнасці, адначасова забяспечваючы больш дакладную і хуткую стабілізацыю напружання.
     • Рэжым кіравання каэфіцыентам магутнасці (PF): Устанаўліваецца мэтавы каэфіцыент магутнасці (напрыклад, 0,95), і назапашвальнік аўтаматычна рэгулюе сваю рэактыўную магутнасць, каб падтрымліваць пастаянны агульны каэфіцыент магутнасці на клеммах дызель-генератара.
• Улік магутнасці: Сістэма назапашвання энергіі (PCS) павінна мець дастатковую бачную магутнасць (кВА). Напрыклад, сістэма назапашвання энергіі магутнасцю 500 кВт, якая выдае 400 кВт актыўнай магутнасці, можа забяспечыць максімумsqrt(500² - 400²) = 300 кВАррэактыўнай магутнасці. Калі попыт на рэактыўную магутнасць высокі, патрабуецца большы PCS.

Кароткі змест

Паспяховае дасягненне стабільнай узаемасувязі паміж дызель-генератарнай устаноўкай і назапашвальнікам энергіі залежыць ад іерархічнага кіравання:

1. Апаратны ўзровень: выберыце хуткаадгучную сістэму захоўвання дадзеных PCS і кантролер дызель-генератара з высакахуткаснымі інтэрфейсамі сувязі.
2. Кіруючы ўзровень: выкарыстоўвайце фундаментальную архітэктуру «дызель задае напружанне/частоту, назапашвальнік — рэгуляванне хуткасці». Высокахуткасны сістэмны кантролер выконвае размеркаванне магутнасці ў рэжыме рэальнага часу для «скарачэння пікаў/запаўнення спадаў» актыўнай магутнасці і падтрымкі рэактыўнай магутнасці.
3. Узровень абароны: Праект сістэмы павінен уключаць комплексныя планы абароны: абарону ад зваротнага харчавання, абарону ад перагрузкі і стратэгіі кіравання нагрузкай (нават скідання нагрузкі) для апрацоўкі раптоўнага адключэння назапашвальніка.

З дапамогай апісаных вышэй рашэнняў можна эфектыўна вырашыць чатыры ключавыя праблемы, якія вы ўзнялі, каб пабудаваць эфектыўную, стабільную і надзейную гібрыдную энергасістэму дызельнага паліва і акумулятара энергіі.