ניתוח בעיית הקישור בין מערכות גנרטורים דיזל לאגירת אנרגיה

הנה הסבר מפורט באנגלית על ארבע הסוגיות המרכזיות בנוגע לחיבור בין מערכות גנרטורים דיזל ומערכות אגירת אנרגיה. מערכת אנרגיה היברידית זו (המכונה לעתים קרובות מיקרו-רשת היברידית "דיזל + אגירה") היא פתרון מתקדם לשיפור היעילות, הפחתת צריכת דלק והבטחת אספקת חשמל יציבה, אך הבקרה שלה מורכבת ביותר.

סקירת נושאים מרכזיים

1. בעיית הספק הפוך של 100ms: כיצד למנוע מאגירת אנרגיה להזין חשמל בחזרה לגנרטור הדיזל, ובכך להגן עליו.
2. תפוקת כוח קבועה: כיצד לשמור על מנוע דיזל פועל באופן עקבי באזור היעילות הגבוהה שלו.
3. ניתוק פתאומי של אחסון אנרגיה: כיצד להתמודד עם ההשפעה כאשר מערכת אחסון האנרגיה נותקת לפתע מהרשת.
4. בעיית הספק ריאקטיבי: כיצד לתאם את שיתוף ההספק הריאקטיבי בין שני המקורות כדי להבטיח יציבות מתח.

1. בעיית ההספק ההפוך של 100ms

תיאור הבעיה:
הספק הפוך מתרחש כאשר אנרגיה חשמלית זורמת ממערכת אחסון האנרגיה (או העומס) חזרה לכיוון סט גנרטור הדיזל. עבור מנוע הדיזל, זה פועל כמו "מנוע", המניע את המנוע. זה מסוכן ביותר ויכול להוביל ל:

• נזק מכני: נהיגה לא תקינה של המנוע עלולה לגרום נזק לרכיבים כמו גל הארכובה ומוטות החיבור.
• חוסר יציבות במערכת: גורם לתנודות במהירות (תדר) ובמתח של מנוע הדיזל, מה שעלול להוביל לכיבוי.

הדרישה לפתור זאת תוך 100 מילישניות קיימת מכיוון שלגנרטורים דיזל יש אינרציה מכנית גדולה ומערכות בקרת המהירות שלהם מגיבות לאט (בדרך כלל בסדר גודל של שניות). הם אינם יכולים לסמוך על עצמם כדי לדכא במהירות את הזרימה החשמלית החוזרת הזו. המשימה חייבת להיעשות על ידי מערכת המרת הספק (PCS) בעלת תגובה אולטרה-מהירה של מערכת אחסון האנרגיה.

פִּתָרוֹן:

• עיקרון ליבה: "סולר מוביל, אגירה אחריה." במערכת כולה, סט גנרטור הדיזל משמש כמקור ייחוס מתח ותדר (כלומר, מצב בקרת V/F), בדומה ל"רשת החשמל". מערכת אגירת האנרגיה פועלת במצב בקרת הספק קבוע (PQ), שבו הספק המוצא שלה נקבע אך ורק על ידי פקודות מבקר ראשי.
• לוגיקת בקרה:
  1. ניטור בזמן אמת: בקר המערכת הראשי (או יחידת האחסון עצמה) מנטר את עוצמת הפלט (דיזל P) וכיוון גנרטור הדיזל בזמן אמת במהירות גבוהה מאוד (למשל, אלפי פעמים בשנייה).
  2. נקודת הגדרת הספק: נקודת ההגדרה של ההספק עבור מערכת אחסון האנרגיה (P_set) חייב לעמוד בדרישות:טעינת P(הספק עומס כולל) =דיזל P+P_set.
  3. כוונון מהיר: כאשר העומס יורד לפתע, מה שגורםדיזל Pכדי להגיע למגמה שלילית, על הבקר לשלוח תוך מספר מילישניות פקודה למערכת האחסון (PCS) להפחית באופן מיידי את עוצמת הפריקה שלו או לעבור לטעינה (ספיגה). פעולה זו סופגת את האנרגיה העודפת לתוך הסוללות, ומבטיחהדיזל Pנשאר חיובי.
• אמצעי הגנה טכניים:
  • תקשורת במהירות גבוהה: נדרשים פרוטוקולי תקשורת במהירות גבוהה (למשל, אפיק CAN, Ethernet מהיר) בין בקר הדיזל, יחידת האחסון PCS ובקר המערכת הראשי כדי להבטיח עיכוב פקודה מינימלי.
  • תגובה מהירה של מחשבי PC: ליחידות אחסון מודרניות של מחשבי PC יש זמני תגובה מהירים בהרבה מ-100 מילישניות, לרוב בתוך 10 מילישניות, מה שהופך אותן למסוגלות לעמוד בדרישה זו במלואן.
  • הגנה יתירה: מעבר לקישור הבקרה, ממסר הגנה מפני הספק הפוך מותקן בדרך כלל ביציאת גנרטור הדיזל כמחסום חומרה סופי. עם זאת, זמן הפעולה שלו עשוי להיות כמה מאות מילישניות, כך שהוא משמש בעיקר כהגנה גיבוי; ההגנה המהירה של הליבה מסתמכת על מערכת הבקרה.

2. תפוקת חשמל קבועה

תיאור הבעיה:
מנועי דיזל פועלים ביעילות דלק שיא ובפליטות הנמוכות ביותר בטווח עומסים של כ-60%-80% מההספק המדורג שלהם. עומסים נמוכים גורמים ל"הצטברות רטובה" והצטברות פחמן, בעוד שעומסים גבוהים מגדילים באופן דרסטי את צריכת הדלק ומקצרים את תוחלת החיים. המטרה היא לבודד את הסולר מתנודות העומס, ולשמור עליו יציב בנקודת ייעוד יעילה.

פִּתָרוֹן:

• אסטרטגיית בקרה של "גילוח שיא ומילוי עמק":
  1. נקודת בסיס מוגדרת: סט גנרטור הדיזל מופעל בהספק קבוע שנקבע בנקודת היעילות האופטימלית שלו (למשל, 70% מההספק המדורג).
  2. תקנת אחסון:
     • כאשר דרישת העומס גדולה מנקודת ההגדרה של דיזל: ההספק החסר (P_load - P_diesel_set) משלים על ידי פריקת מערכת אגירת אנרגיה.
     • כאשר דרישת העומס נמוכה מנקודת הקביעה של דיזל: עודף ההספק (סט_דיזל_P - טעינת_P) נספג על ידי טעינת מערכת אגירת האנרגיה.
• יתרונות המערכת:
  • מנוע הדיזל פועל באופן עקבי ביעילות גבוהה, בצורה חלקה, מאריך את חייו ומפחית את עלויות התחזוקה.
  • מערכת אגירת האנרגיה מחליקה תנודות דרסטיות בעומס, ומונעת את חוסר היעילות והבלאי הנגרמים משינויים תכופים בעומס הדיזל.
  • צריכת הדלק הכוללת מופחתת משמעותית.

3. ניתוק פתאומי של אחסון אנרגיה

תיאור הבעיה:
מערכת אגירת האנרגיה עלולה לנתק את עצמה פתאום עקב כשל בסוללה, תקלה במערכת ההפעלה (PCS) או ניתוקים של הגנה. החשמל שטופל בעבר על ידי מערכת האחסון (בין אם בייצור או בצריכה) מועבר באופן מיידי כולו למערכת גנרטור הדיזל, ויוצר הלם חשמל עצום.

סיכונים:

• אם המאגר היה פורק (תומך בעומס), ניתוקו מעביר את העומס המלא למנוע הדיזל, מה שעלול לגרום לעומס יתר, ירידת תדירות (מהירות) וכיבוי מגן.
• אם האחסון היה בטעינה (סופג עודף חשמל), ניתוקו משאיר את עודף החשמל של הדיזל ללא מקום ללכת, מה שעלול לגרום להספק הפוך ומתח יתר, מה שגם יגרום לכיבוי.

פִּתָרוֹן:

• רזרבת סיבוב צדדית של דיזל: אין להתאים את גודל סט גנרטור הדיזל רק לנקודת היעילות האופטימלית שלו. עליו להיות בעל קיבולת רזרבית דינמית. לדוגמה, אם העומס המרבי של המערכת הוא 1000 קילוואט והדיזל פועל בהספק של 700 קילוואט, ההספק המדורג של הדיזל חייב להיות גדול מ-700 קילוואט + עומס המדרגות הפוטנציאלי הגדול ביותר (או ההספק המרבי של האחסון), לדוגמה, נבחרה יחידה של 1000 קילוואט, המספקת חיץ של 300 קילוואט לכשל באחסון.
• בקרת עומס מהירה:
  1. ניטור מערכת בזמן אמת: ניטור רציף של המצב וזרימת החשמל של מערכת האחסון.
  2. גילוי תקלות: עם גילוי ניתוק פתאומי של האחסון, הבקר הראשי שולח מיד אות להפחתת עומס מהירה לבקר הדיזל.
  3. תגובת דיזל: בקר הדיזל פועל באופן מיידי (למשל, מפחית במהירות את הזרקת הדלק) כדי לנסות להפחית את ההספק בהתאם לעומס החדש. קיבולת הרזרבה הסובבת קונה זמן לתגובה מכנית איטית יותר זו.
• מוצא אחרון: ניתוק עומסים: אם זעזוע הכוח גדול מדי מכדי שהדיזל יוכל להתמודד איתו, ההגנה האמינה ביותר היא ניתוק עומסים שאינם קריטיים, תוך מתן עדיפות לבטיחות העומסים הקריטיים ולגנרטור עצמו. תוכנית ניתוק עומסים היא דרישת הגנה חיונית בתכנון המערכת.

4. בעיית הספק ריאקטיבי

תיאור הבעיה:
הספק ריאקטיבי משמש ליצירת שדות מגנטיים והוא חיוני לשמירה על יציבות מתח במערכות AC. גם גנרטור הדיזל וגם יחידת האחסון של ה-PCS צריכים להשתתף בוויסות ההספק הריאקטיבי.

• גנרטור דיזל: שולט על תפוקת ההספק הריאקטיבי ועל המתח על ידי התאמת זרם העירור שלו. יכולת ההספק הריאקטיבי שלו מוגבלת ותגובתו איטית.
• אחסון PCS: רוב יחידות PCS המודרניות הן בעלות ארבעה רבעים, כלומר הן יכולות להזריק או לספוג הספק ריאקטיבי באופן עצמאי ובמהירות (בתנאי שהן אינן חורגות מדירוג ההספק הנראה שלהן בקילוואנטרי (kVA).

אתגר: כיצד לתאם את שניהם כדי להבטיח יציבות מתח המערכת מבלי להעמיס יתר על המידה על אף אחת מהיחידות.

פִּתָרוֹן:

• אסטרטגיות בקרה:
  1. דיזל מווסת את המתח: סט גנרטור הדיזל מוגדר למצב V/F, האחראי על קביעת ייחוס המתח והתדר של המערכת. הוא מספק "מקור מתח" יציב.
  2. אחסון משתתף בוויסות ריאקטיבי (אופציונלי):
     • מצב PQ: האחסון מטפל רק באנרגיה פעילה (P), עם הספק ריאקטיבי (Q) מוגדר לאפס. מנוע הדיזל מספק את כל ההספק הריאקטיבי. זוהי השיטה הפשוטה ביותר אך היא מכבידה על מנוע הדיזל.
     • מצב שיגור הספק ריאקטיבי: בקר המערכת הראשי שולח פקודות הספק ריאקטיבי (קבוצת Q) למערכת האחסון PCS בהתבסס על תנאי המתח הנוכחיים. אם מתח המערכת נמוך, תנו פקודה לאחסון להזריק הספק ריאקטיבי; אם גבוה, תנו פקודה לו לספוג הספק ריאקטיבי. זה מקל על העומס על הדיזל, ומאפשר לו להתמקד בתפוקת הספק אקטיבית, תוך מתן ייצוב מתח עדין ומהיר יותר.
     • מצב בקרת גורם הספק (PF): נקבע גורם הספק יעד (למשל, 0.95), והאחסון מתאים אוטומטית את הפלט הריאקטיבי שלו כדי לשמור על גורם הספק כולל קבוע בהדקים של גנרטור הדיזל.
• שיקול קיבולת: יש להתאים את גודל רכיב ה-PCS לאחסון לקיבולת הספק נראית לעין (kVA) מספקת. לדוגמה, רכיב PCS של 500 קילוואט המפיק 400 קילוואט של הספק פעיל יכול לספק מקסימום שלר"ר (500² - 400²) = 300kVArשל הספק ריאקטיבי. אם דרישת ההספק הריאקטיבי גבוהה, נדרש PCS גדול יותר.

תַקצִיר

השגת מוצלחת של חיבור יציב בין סט גנרטור דיזל לאגירת אנרגיה תלויה בבקרה היררכית:

1. שכבת חומרה: בחירת בקר אחסון בעל תגובה מהירה ובקר גנרטור דיזל עם ממשקי תקשורת במהירות גבוהה.
2. שכבת בקרה: שימוש בארכיטקטורה בסיסית של "דיזל קובע V/F, אחסון מבצע PQ". בקר מערכת במהירות גבוהה מבצע שיגור הספק בזמן אמת עבור "גילוח שיא/מילוי עמק" של הספק אקטיבי ותמיכה בהספק ריאקטיבי.
3. שכבת הגנה: תכנון המערכת חייב לכלול תוכניות הגנה מקיפות: הגנה מפני מתח הפוכה, הגנה מפני עומס יתר ואסטרטגיות לבקרת עומס (אפילו ניתוק עומס) כדי להתמודד עם ניתוק פתאומי של אחסון.

באמצעות הפתרונות שתוארו לעיל, ניתן לטפל ביעילות בארבע הסוגיות המרכזיות שהעלית כדי לבנות מערכת חשמל היברידית לאגירת אנרגיה בדיזל יעילה, יציבה ואמינה.