تحليل مشكلة الربط بين مجموعات مولدات الديزل وتخزين الطاقة

إليكم شرحًا مفصلاً باللغة الإنجليزية للقضايا الأساسية الأربعة المتعلقة بربط مولدات الديزل وأنظمة تخزين الطاقة. يُعد نظام الطاقة الهجين هذا (الذي يُطلق عليه غالبًا اسم الشبكة الصغيرة الهجينة "ديزل + تخزين") حلاً متطورًا لتحسين الكفاءة، وتقليل استهلاك الوقود، وضمان إمداد طاقة مستقر، إلا أن التحكم فيه معقد للغاية.

نظرة عامة على القضايا الأساسية

1. مشكلة الطاقة العكسية 100 مللي ثانية: كيفية منع تخزين الطاقة من تغذية الطاقة العكسية إلى مولد الديزل، وبالتالي حمايته.
2. إنتاج طاقة ثابت: كيفية الحفاظ على تشغيل محرك الديزل باستمرار في منطقة الكفاءة العالية.
3. انقطاع مفاجئ لتخزين الطاقة: كيفية التعامل مع التأثير عندما ينقطع نظام تخزين الطاقة فجأة عن الشبكة.
4. مشكلة الطاقة التفاعلية: كيفية تنسيق تقاسم الطاقة التفاعلية بين المصدرين لضمان استقرار الجهد.

1. مشكلة الطاقة العكسية 100 مللي ثانية

وصف المشكلة:
تحدث الطاقة العكسية عندما تتدفق الطاقة الكهربائية من نظام تخزين الطاقة (أو الحمل) عائدةً إلى مجموعة مولدات الديزل. بالنسبة لمحرك الديزل، يعمل هذا كمحرك، مما يُشغّله. هذا خطير للغاية وقد يؤدي إلى:

• الأضرار الميكانيكية: يمكن أن يؤدي التشغيل غير الطبيعي للمحرك إلى إتلاف مكونات مثل العمود المرفقي وقضبان التوصيل.
• عدم استقرار النظام: يسبب تقلبات في سرعة محرك الديزل (التردد) والجهد، مما قد يؤدي إلى التوقف.

يتطلب حل هذه المشكلة في غضون 100 مللي ثانية أن تكون مولدات الديزل ذات قصور ذاتي ميكانيكي كبير، وأن أنظمة التحكم في سرعتها بطيئة الاستجابة (عادةً في غضون ثوانٍ). لا يمكنها الاعتماد على نفسها في كبح هذا التدفق الكهربائي العكسي بسرعة. يجب أن تتم هذه المهمة بواسطة نظام تحويل الطاقة فائق السرعة (PCS) التابع لنظام تخزين الطاقة.

حل:

• المبدأ الأساسي: "الديزل يقود، والتخزين يتبع". في النظام بأكمله، تعمل مجموعة مولدات الديزل كمصدر مرجعي للجهد والتردد (أي في وضع التحكم V/F)، على غرار "الشبكة". يعمل نظام تخزين الطاقة في وضع التحكم بالقدرة الثابتة (PQ)، حيث تُحدد طاقة الخرج فقط بأوامر من وحدة تحكم رئيسية.
• منطق التحكم:
  1. المراقبة في الوقت الفعلي: تقوم وحدة التحكم الرئيسية للنظام (أو وحدة تخزين الكمبيوتر نفسها) بمراقبة طاقة الإخراج (ديزل) واتجاه مولد الديزل في الوقت الحقيقي بسرعة عالية جدًا (على سبيل المثال، آلاف المرات في الثانية).
  2. نقطة ضبط الطاقة: نقطة ضبط الطاقة لنظام تخزين الطاقة (مجموعة P) يجب أن يرضي:تحميل P(إجمالي طاقة الحمل) =ديزل+مجموعة P.
  3. التعديل السريع: عندما ينخفض ​​الحمل فجأة، مما يتسبب فيديزلللاتجاه السلبي، يجب على وحدة التحكم، في غضون بضعة مللي ثانية، إرسال أمر إلى وحدة تخزين الطاقة (PCS) لتقليل طاقة التفريغ فورًا أو الانتقال إلى طاقة الامتصاص (الشحن). يؤدي هذا إلى امتصاص الطاقة الزائدة في البطاريات، مما يضمنديزللا يزال إيجابيا.
• الضمانات الفنية:
  • الاتصالات عالية السرعة: هناك حاجة إلى بروتوكولات اتصال عالية السرعة (على سبيل المثال، ناقل CAN، وشبكة Ethernet السريعة) بين وحدة التحكم في الديزل، وأجهزة تخزين PCS، ووحدة التحكم الرئيسية للنظام لضمان الحد الأدنى من تأخير الأوامر.
  • الاستجابة السريعة لأجهزة الكمبيوتر: تتمتع وحدات تخزين أجهزة الكمبيوتر الحديثة بأوقات استجابة للطاقة أسرع بكثير من 100 مللي ثانية، وغالبًا في غضون 10 مللي ثانية، مما يجعلها قادرة تمامًا على تلبية هذا المتطلب.
  • حماية احتياطية: بعد وصلة التحكم، عادةً ما يُركّب مُرحّل حماية الطاقة العكسية عند مخرج مولد الديزل كحاجز نهائي. مع ذلك، قد لا يتجاوز وقت تشغيله بضع مئات من المللي ثانية، لذا فهو يعمل بشكل أساسي كحماية احتياطية؛ بينما تعتمد الحماية السريعة الأساسية على نظام التحكم.

2. خرج طاقة ثابت

وصف المشكلة:
تعمل محركات الديزل بأقصى كفاءة للوقود وأقل انبعاثات ضمن نطاق حمل يتراوح بين 60% و80% تقريبًا من قدرتها المقدرة. تُسبب الأحمال المنخفضة "تكدسًا رطبًا" وتراكمًا للكربون، بينما تُزيد الأحمال العالية من استهلاك الوقود بشكل كبير وتُقلل من عمرها الافتراضي. الهدف هو عزل الديزل عن تقلبات الحمل، والحفاظ على استقراره عند نقطة ضبط فعّالة.

حل:

• استراتيجية التحكم في "حلاقة الذروة وملء الوادي":
  1. تعيين نقطة الأساس: يتم تشغيل مجموعة المولدات الديزل عند خرج طاقة ثابت يتم ضبطه عند نقطة الكفاءة المثلى (على سبيل المثال، 70% من الطاقة المقدرة).
  2. تنظيم التخزين:
     • عندما يكون الطلب على الحمل > نقطة ضبط الديزل: الطاقة الناقصة (P_load - P_diesel_set) يتم استكماله بنظام تخزين الطاقة التفريغي.
     • عندما يكون طلب الحمل < نقطة ضبط الديزل: الطاقة الزائدة (مجموعة ديزل P - تحميل P) يتم امتصاصه بواسطة نظام تخزين الطاقة أثناء الشحن.
• فوائد النظام:
  • يعمل محرك الديزل باستمرار بكفاءة عالية وسلاسة، مما يطيل عمره ويقلل تكاليف الصيانة.
  • يعمل نظام تخزين الطاقة على تخفيف التقلبات الحادة في الأحمال، مما يمنع انخفاض الكفاءة والتآكل الناجم عن تغييرات أحمال الديزل المتكررة.
  • يتم تقليل استهلاك الوقود الإجمالي بشكل كبير.

3. الانقطاع المفاجئ لتخزين الطاقة

وصف المشكلة:
قد يتوقف نظام تخزين الطاقة فجأةً عن العمل بسبب عطل في البطارية، أو عطل في وحدة التحكم، أو انقطاعات في الحماية. تُنقل الطاقة التي كانت تُدار سابقًا بواسطة وحدة التخزين (سواءً كانت مُولّدة أو مُستهلكة) على الفور بالكامل إلى مجموعة مولدات الديزل، مما يُسبب صدمة كهربائية هائلة.

المخاطر:

• إذا كان المخزن يقوم بالتفريغ (يدعم الحمل)، فإن فصله ينقل الحمل الكامل إلى الديزل، مما قد يتسبب في زيادة الحمل، وانخفاض التردد (السرعة)، والإغلاق الوقائي.
• إذا كانت وحدة التخزين تقوم بالشحن (تمتص الطاقة الزائدة)، فإن فصلها لا يترك الطاقة الزائدة في الديزل مكانًا تذهب إليه، مما قد يتسبب في طاقة عكسية وزيادة الجهد، مما يؤدي أيضًا إلى إيقاف التشغيل.

حل:

• احتياطي الدوران الجانبي للديزل: يجب ألا يقتصر حجم مجموعة مولدات الديزل على نقطة كفاءتها المثلى فحسب، بل يجب أن تحتوي على سعة احتياطية ديناميكية. على سبيل المثال، إذا كان أقصى حمل للنظام 1000 كيلوواط، وكان الديزل يعمل بقدرة 700 كيلوواط، فيجب أن تكون السعة المقدرة للديزل أكبر من 700 كيلوواط + أقصى حمل تدريجي محتمل (أو أقصى طاقة تخزين). على سبيل المثال، عند اختيار وحدة بقدرة 1000 كيلوواط، يتم توفير احتياطي قدره 300 كيلوواط في حال تعطل وحدة التخزين.
• التحكم السريع في التحميل:
  1. مراقبة النظام في الوقت الفعلي: مراقبة حالة تدفق الطاقة لنظام التخزين بشكل مستمر.
  2. اكتشاف الخطأ: عند اكتشاف انقطاع مفاجئ للتخزين، يرسل وحدة التحكم الرئيسية على الفور إشارة سريعة لتقليل الحمل إلى وحدة التحكم في الديزل.
  3. استجابة الديزل: يعمل مُتحكم الديزل فورًا (مثلًا، عن طريق تقليل حقن الوقود بسرعة) لمحاولة خفض الطاقة لتتناسب مع الحمل الجديد. تُتيح سعة الاحتياطي الدوارة وقتًا لهذه الاستجابة الميكانيكية البطيئة.
• الحل الأخير: فصل الأحمال: إذا كانت صدمة الطاقة أكبر من قدرة الديزل على تحملها، فإن الحماية الأكثر موثوقية هي فصل الأحمال غير الحرجة، مع إعطاء الأولوية لسلامة الأحمال الحرجة والمولد نفسه. يُعدّ نظام فصل الأحمال متطلبًا أساسيًا للحماية في تصميم النظام.

4. مشكلة القدرة التفاعلية

وصف المشكلة:
تُستخدم الطاقة التفاعلية لإنشاء مجالات مغناطيسية، وهي ضرورية للحفاظ على استقرار الجهد في أنظمة التيار المتردد. يجب أن يشارك كلٌّ من مولد الديزل ووحدات التخزين (PCS) في تنظيم الطاقة التفاعلية.

• مولد ديزل: يتحكم في خرج الطاقة التفاعلية والجهد بتعديل تيار إثارته. قدرته التفاعلية محدودة، واستجابته بطيئة.
• وحدات تخزين PCS: تتكون معظم وحدات PCS الحديثة من أربعة أرباع، مما يعني أنها قادرة على حقن أو امتصاص الطاقة التفاعلية بشكل مستقل وسريع (بشرط ألا تتجاوز تصنيف قدرتها الظاهرية kVA).

التحدي: كيفية تنسيق كليهما لضمان استقرار جهد النظام دون زيادة تحميل أي وحدة.

حل:

• استراتيجيات التحكم:
  1. يتحكم الديزل بالجهد: مجموعة مولدات الديزل مضبوطة على وضع V/F، المسؤول عن تحديد الجهد والتردد المرجعي للنظام. يوفر هذا الوضع مصدر جهد مستقرًا.
  2. يشارك التخزين في التنظيم التفاعلي (اختياري):
     • وضع PQ: يتعامل التخزين فقط مع الطاقة النشطة (P)، مع القدرة التفاعلية (Q) مضبوط على الصفر. يوفر الديزل كامل القدرة التفاعلية. هذه هي الطريقة الأبسط، لكنها تُثقل كاهل الديزل.
     • وضع إرسال الطاقة التفاعلية: يرسل وحدة التحكم الرئيسية للنظام أوامر الطاقة التفاعلية (مجموعة أسئلة) إلى وحدة تخزين الطاقة (PCS) بناءً على ظروف الجهد الحالية. إذا كان جهد النظام منخفضًا، فأمر وحدة التخزين بحقن الطاقة التفاعلية؛ وإذا كان مرتفعًا، فأمرها بامتصاص الطاقة التفاعلية. هذا يُخفف العبء عن محرك الديزل، مما يسمح له بالتركيز على خرج الطاقة النشطة، مع توفير استقرار جهد أدق وأسرع.
     • وضع التحكم في عامل القدرة (PF): يتم تعيين عامل قدرة مستهدف (على سبيل المثال، 0.95)، ويقوم التخزين تلقائيًا بضبط خرجه التفاعلي للحفاظ على عامل قدرة إجمالي ثابت في محطات مولد الديزل.
• اعتبارات السعة: يجب أن تكون وحدات التخزين ذات سعة طاقة ظاهرة كافية (كيلو فولت أمبير). على سبيل المثال، وحدة تخزين بقدرة 500 كيلو واط تُنتج طاقة فعالة قدرها 400 كيلو واط، ويمكنها توفير حد أقصى قدرهالجذر التربيعي (500² - 400²) = 300 كيلو فولت أمبيرمن القدرة التفاعلية. إذا كان الطلب على القدرة التفاعلية مرتفعًا، يلزم جهاز PCS أكبر.

ملخص

يعتمد النجاح في تحقيق اتصال مستقر بين مجموعة مولدات الديزل وتخزين الطاقة على التحكم الهرمي:

1. طبقة الأجهزة: حدد أجهزة كمبيوتر تخزين سريعة الاستجابة ووحدة تحكم مولد ديزل مع واجهات اتصال عالية السرعة.
2. طبقة التحكم: تعتمد على بنية أساسية تعتمد على "الديزل يُحدد V/F، والتخزين يُحدد PQ". تُجري وحدة تحكم عالية السرعة في النظام توزيعًا فوريًا للطاقة لتوفير الطاقة النشطة (تقليص الذروة/ملء الوادي) ودعم الطاقة التفاعلية.
3. طبقة الحماية: يجب أن يتضمن تصميم النظام خطط حماية شاملة: حماية الطاقة العكسية، وحماية الحمل الزائد، واستراتيجيات التحكم في الحمل (حتى انقطاع الحمل) للتعامل مع الانقطاع المفاجئ للتخزين.

ومن خلال الحلول الموضحة أعلاه، يمكن معالجة القضايا الرئيسية الأربع التي أثرتها بشكل فعال لبناء نظام طاقة هجين لتخزين الطاقة بالديزل فعال ومستقر وموثوق به.