Notizie - Analisi del problema del collegamento tra gruppi elettrogeni diesel e accumulo di energia

Ecco una spiegazione dettagliata in inglese dei quattro aspetti fondamentali dell'interconnessione tra gruppi elettrogeni diesel e sistemi di accumulo di energia. Questo sistema energetico ibrido (spesso chiamato microrete ibrida "Diesel + Accumulo") è una soluzione avanzata per migliorare l'efficienza, ridurre il consumo di carburante e garantire un'alimentazione elettrica stabile, ma il suo controllo è estremamente complesso.

Panoramica delle questioni fondamentali

Problema di inversione di potenza da 100 ms: come impedire che l'accumulo di energia restituisca potenza al generatore diesel, proteggendolo così.
Potenza costante: come mantenere il motore diesel costantemente in funzione nella sua zona di alta efficienza.
Interruzione improvvisa dell'accumulo di energia: come gestire l'impatto quando il sistema di accumulo di energia si scollega improvvisamente dalla rete.
Problema di potenza reattiva: come coordinare la condivisione della potenza reattiva tra le due fonti per garantire la stabilità della tensione.

1. Il problema della potenza inversa di 100 ms

Descrizione del problema:
La potenza inversa si verifica quando l'energia elettrica fluisce dal sistema di accumulo (o dal carico) verso il gruppo elettrogeno diesel. Per il motore diesel, questo agisce come un "motore", azionando il motore stesso. Questo è estremamente pericoloso e può portare a:

Danni meccanici: la guida anomala del motore può danneggiare componenti come l'albero motore e le bielle.
Instabilità del sistema: provoca fluttuazioni nella velocità (frequenza) e nella tensione del motore diesel, con conseguente potenziale arresto.

La necessità di risolverlo entro 100 ms esiste perché i generatori diesel hanno una grande inerzia meccanica e i loro sistemi di regolazione della velocità rispondono lentamente (in genere nell'ordine dei secondi). Non possono contare su se stessi per sopprimere rapidamente questo ritorno di energia elettrica. Il compito deve essere gestito dal sistema di conversione di potenza (PCS) a risposta ultrarapida del sistema di accumulo di energia.

Soluzione:

Principio fondamentale: "Il diesel precede, l'accumulo segue". Nell'intero sistema, il gruppo elettrogeno diesel funge da sorgente di riferimento di tensione e frequenza (ovvero, modalità di controllo V/F), analogamente alla "rete". Il sistema di accumulo di energia funziona in modalità di controllo a potenza costante (PQ), in cui la sua potenza di uscita è determinata esclusivamente dai comandi di un controller master.
Logica di controllo:
1. Monitoraggio in tempo reale: il controller master del sistema (o lo stesso PCS di archiviazione) monitora la potenza in uscita (P_diesel) e la direzione del generatore diesel in tempo reale a una velocità molto elevata (ad esempio, migliaia di volte al secondo).
2. Punto di riferimento della potenza: il punto di riferimento della potenza per il sistema di accumulo di energia (P_set) deve soddisfare:P_load(potenza di carico totale) =P_diesel+P_set.
3. Regolazione rapida: quando il carico diminuisce improvvisamente, causandoP_dieselper avere un andamento negativo, il controller deve inviare entro pochi millisecondi un comando al PCS di accumulo per ridurre immediatamente la sua potenza di scarica o passare alla potenza di assorbimento (carica). Questo assorbe l'energia in eccesso nelle batterie, garantendoP_dieselrimane positivo.
Misure di sicurezza tecniche:
- Comunicazione ad alta velocità: sono necessari protocolli di comunicazione ad alta velocità (ad esempio, bus CAN, Fast Ethernet) tra il controller diesel, il PCS di stoccaggio e il controller master del sistema per garantire un ritardo minimo nei comandi.
- Risposta rapida PCS: le moderne unità di storage PCS hanno tempi di risposta dell'alimentazione molto più rapidi di 100 ms, spesso entro 10 ms, il che le rende pienamente in grado di soddisfare questo requisito.
- Protezione ridondante: oltre al collegamento di controllo, un relè di protezione da inversione di potenza viene solitamente installato all'uscita del generatore diesel come barriera hardware finale. Tuttavia, il suo tempo di intervento potrebbe essere di poche centinaia di millisecondi, quindi funge principalmente da protezione di backup; la protezione rapida principale si basa sul sistema di controllo.

2. Potenza di uscita costante

Descrizione del problema:
I motori diesel funzionano al massimo dell'efficienza e con le emissioni più basse in un intervallo di carico compreso tra circa il 60% e l'80% della loro potenza nominale. I carichi bassi causano "wet stacking" e accumulo di carbonio, mentre i carichi elevati aumentano drasticamente il consumo di carburante e ne riducono la durata. L'obiettivo è isolare il diesel dalle fluttuazioni di carico, mantenendolo stabile a un setpoint efficiente.

Soluzione:

Strategia di controllo “Peak Shaving e Valley Filling”:
1. Imposta punto base: il gruppo elettrogeno diesel funziona con una potenza di uscita costante impostata sul suo punto di efficienza ottimale (ad esempio, il 70% della potenza nominale).
2. Regolamento di stoccaggio:
  - Quando la richiesta di carico > punto di riferimento diesel: la potenza carente (P_load - P_diesel_set) è integrato dallo scarico del sistema di accumulo di energia.
  - Quando la richiesta di carico < punto di riferimento diesel: la potenza in eccesso (P_diesel_set - P_load) viene assorbita dal sistema di accumulo di energia in carica.
Vantaggi del sistema:
- Il motore diesel funziona costantemente ad alta efficienza e senza intoppi, prolungandone la durata e riducendo i costi di manutenzione.
- Il sistema di accumulo di energia attenua le drastiche fluttuazioni del carico, prevenendo l'inefficienza e l'usura causate dai frequenti cambi di carico del gasolio.
- Il consumo complessivo di carburante è notevolmente ridotto.

3. Interruzione improvvisa dell'accumulo di energia

Descrizione del problema:
Il sistema di accumulo di energia potrebbe improvvisamente interrompersi a causa di un guasto della batteria, di un guasto del PCS o di un intervento di protezione. L'energia precedentemente gestita dall'accumulo (sia in fase di generazione che di consumo) viene immediatamente trasferita interamente al gruppo elettrogeno diesel, creando un enorme shock elettrico.

Rischi:

Se l'accumulo si stava scaricando (sostenendo il carico), la sua disconnessione trasferisce l'intero carico al diesel, causando potenzialmente sovraccarico, calo di frequenza (velocità) e arresto di protezione.
Se l'accumulo si stava caricando (assorbendo energia in eccesso), la sua disconnessione lascia l'energia in eccesso del diesel senza alcun luogo dove andare, causando potenzialmente potenza inversa e sovratensione, innescando anche uno spegnimento.

Soluzione:

Riserva di rotazione laterale diesel: il gruppo elettrogeno diesel non deve essere dimensionato solo in base al suo punto di efficienza ottimale. Deve avere una capacità di riserva dinamica. Ad esempio, se il carico massimo del sistema è di 1000 kW e il diesel funziona a 700 kW, la capacità nominale del diesel deve essere superiore a 700 kW + il massimo carico potenziale di gradino (o la potenza massima dell'accumulo), ad esempio, selezionando un'unità da 1000 kW, si ottiene una riserva di 300 kW in caso di guasto dell'accumulo.
Controllo rapido del carico:
1. Monitoraggio in tempo reale del sistema: monitora costantemente lo stato e il flusso di alimentazione del sistema di storage.
2. Rilevamento guasti: quando viene rilevata una disconnessione improvvisa dell'accumulo, il controller master invia immediatamente un segnale di rapida riduzione del carico al controller diesel.
3. Risposta del motore diesel: il controller del motore diesel interviene immediatamente (ad esempio, riducendo rapidamente l'iniezione di carburante) per cercare di ridurre la potenza in base al nuovo carico. La capacità di riserva rotante consente di guadagnare tempo per questa risposta meccanica più lenta.
Ultima risorsa: distacco del carico: se lo shock di potenza è troppo elevato per essere gestito dal diesel, la protezione più affidabile è quella di distaccare i carichi non critici, dando priorità alla sicurezza dei carichi critici e del generatore stesso. Uno schema di distacco del carico è un requisito di protezione essenziale nella progettazione del sistema.

4. Problema della potenza reattiva

Descrizione del problema:
La potenza reattiva viene utilizzata per stabilire campi magnetici ed è fondamentale per mantenere la stabilità della tensione nei sistemi a corrente alternata. Sia il generatore diesel che il PCS di accumulo devono partecipare alla regolazione della potenza reattiva.

Generatore diesel: controlla la potenza reattiva in uscita e la tensione regolando la corrente di eccitazione. La sua capacità di potenza reattiva è limitata e la sua risposta è lenta.
PCS di accumulo: la maggior parte delle unità PCS moderne sono a quattro quadranti, il che significa che possono iniettare o assorbire potenza reattiva in modo indipendente e rapido (a condizione che non superino la loro potenza apparente nominale in kVA).

Sfida: come coordinare entrambi per garantire la stabilità della tensione del sistema senza sovraccaricare nessuna delle due unità.

Soluzione:

Strategie di controllo:
1. Tensione regolata dal diesel: il gruppo elettrogeno diesel è impostato in modalità V/F, responsabile della definizione della tensione e della frequenza di riferimento del sistema. Fornisce una "sorgente di tensione" stabile.
2. Lo stoccaggio partecipa alla regolazione reattiva (facoltativo):
  - Modalità PQ: l'archiviazione gestisce solo la potenza attiva (P), con potenza reattiva (Q) impostato su zero. Il diesel fornisce tutta la potenza reattiva. Questo è il metodo più semplice, ma grava sul diesel.
  - Modalità di invio della potenza reattiva: il controller master del sistema invia comandi di potenza reattiva (Q_set) al PCS di accumulo in base alle condizioni di tensione attuali. Se la tensione di sistema è bassa, comanda all'accumulo di iniettare potenza reattiva; se è alta, comanda all'accumulo di assorbire potenza reattiva. Ciò alleggerisce il carico sul diesel, consentendogli di concentrarsi sulla produzione di potenza attiva, garantendo al contempo una stabilizzazione della tensione più precisa e rapida.
  - Modalità di controllo del fattore di potenza (PF): viene impostato un fattore di potenza target (ad esempio 0,95) e l'accumulo regola automaticamente la sua uscita reattiva per mantenere un fattore di potenza complessivo costante ai terminali del generatore diesel.
Considerazioni sulla capacità: il PCS di accumulo deve essere dimensionato con una capacità di potenza apparente (kVA) sufficiente. Ad esempio, un PCS da 500 kW che produce 400 kW di potenza attiva può fornire un massimo disqrt(500² - 400²) = 300kVArdi potenza reattiva. Se la richiesta di potenza reattiva è elevata, è necessario un PCS più grande.

Riepilogo

Il raggiungimento di un'interconnessione stabile tra un gruppo elettrogeno diesel e un sistema di accumulo di energia dipende dal controllo gerarchico:

Livello hardware: selezionare un PCS di archiviazione a risposta rapida e un controller del generatore diesel con interfacce di comunicazione ad alta velocità.
Livello di controllo: utilizzare un'architettura fondamentale di "Diesel imposta V/F, Storage esegue PQ". Un controller di sistema ad alta velocità esegue la distribuzione della potenza in tempo reale per il "peak shaving/valley filling" della potenza attiva e il supporto della potenza reattiva.
Livello di protezione: la progettazione del sistema deve includere piani di protezione completi: protezione da inversione di potenza, protezione da sovraccarico e strategie di controllo del carico (anche di distacco del carico) per gestire la disconnessione improvvisa dell'accumulo.

Grazie alle soluzioni descritte sopra, è possibile affrontare efficacemente i quattro problemi chiave da voi sollevati per realizzare un sistema di alimentazione ibrido diesel-accumulatore di energia efficiente, stabile e affidabile.