Notícias - Análise do problema de interligação entre grupos geradores a diesel e armazenamento de energia

Aqui está uma explicação detalhada em inglês das quatro questões principais relacionadas à interconexão de grupos geradores a diesel e sistemas de armazenamento de energia. Este sistema de energia híbrido (frequentemente chamado de microrrede híbrida "Diesel + Armazenamento") é uma solução avançada para melhorar a eficiência, reduzir o consumo de combustível e garantir um fornecimento de energia estável, mas seu controle é altamente complexo.

Visão geral das questões principais

Problema de energia reversa de 100 ms: Como evitar que o armazenamento de energia retorne energia ao gerador a diesel, protegendo-o assim.
Saída de potência constante: como manter o motor diesel funcionando consistentemente em sua zona de alta eficiência.
Desconexão repentina do armazenamento de energia: como lidar com o impacto quando o sistema de armazenamento de energia cai repentinamente da rede.
Problema de energia reativa: como coordenar o compartilhamento de energia reativa entre as duas fontes para garantir a estabilidade da tensão.

1. O problema da potência reversa de 100 ms

Descrição do problema:
A potência reversa ocorre quando a energia elétrica flui do sistema de armazenamento de energia (ou da carga) de volta para o gerador a diesel. Para o motor a diesel, isso atua como um "motor", acionando o motor. Isso é extremamente perigoso e pode levar a:

Danos mecânicos: a condução anormal do motor pode danificar componentes como o virabrequim e as bielas.
Instabilidade do sistema: causa flutuações na velocidade (frequência) e na voltagem do motor diesel, podendo levar ao desligamento.

A necessidade de resolução em 100 ms existe porque os geradores a diesel têm grande inércia mecânica e seus sistemas de controle de velocidade respondem lentamente (tipicamente na ordem de segundos). Eles não podem confiar em si mesmos para suprimir rapidamente esse refluxo elétrico. A tarefa deve ser realizada pelo Sistema de Conversão de Energia (PCS) de resposta ultrarrápida do sistema de armazenamento de energia.

Solução:

Princípio fundamental: "O diesel lidera, o armazenamento segue". Em todo o sistema, o grupo gerador a diesel atua como fonte de referência de tensão e frequência (ou seja, modo de controle V/F), análogo à "rede". O sistema de armazenamento de energia opera no Modo de Controle de Potência Constante (PQ), onde sua potência de saída é determinada exclusivamente por comandos de um controlador mestre.
Lógica de controle:
1. Monitoramento em tempo real: O controlador mestre do sistema (ou o próprio PCS de armazenamento) monitora a potência de saída (P_diesel) e direção do gerador a diesel em tempo real a uma velocidade muito alta (por exemplo, milhares de vezes por segundo).
2. Ponto de ajuste de potência: O ponto de ajuste de potência para o sistema de armazenamento de energia (P_conjunto) deve satisfazer:P_carga(potência de carga total) =P_diesel+P_conjunto.
3. Ajuste rápido: quando a carga diminui repentinamente, causandoP_dieselPara uma tendência negativa, o controlador deve, em poucos milissegundos, enviar um comando ao PCS de armazenamento para reduzir imediatamente sua potência de descarga ou passar a absorver energia (carregar). Isso absorve o excesso de energia para as baterias, garantindoP_dieselcontinua positivo.
Salvaguardas técnicas:
- Comunicação de alta velocidade: protocolos de comunicação de alta velocidade (por exemplo, barramento CAN, Ethernet rápida) são necessários entre o controlador diesel, o PCS de armazenamento e o controlador mestre do sistema para garantir atraso mínimo no comando.
- Resposta rápida de PCS: as unidades de PCS de armazenamento modernas têm tempos de resposta de energia muito mais rápidos do que 100 ms, geralmente dentro de 10 ms, o que as torna totalmente capazes de atender a esse requisito.
- Proteção Redundante: Além do link de controle, um relé de proteção de potência reversa é geralmente instalado na saída do gerador a diesel como uma barreira de hardware final. No entanto, seu tempo de operação pode ser de algumas centenas de milissegundos, portanto, ele serve principalmente como proteção de backup; a proteção rápida principal depende do sistema de controle.

2. Saída de potência constante

Descrição do problema:
Motores a diesel operam com máxima eficiência de combustível e emissões mais baixas dentro de uma faixa de carga de aproximadamente 60% a 80% de sua potência nominal. Cargas baixas causam "empilhamento úmido" e acúmulo de carbono, enquanto cargas altas aumentam drasticamente o consumo de combustível e reduzem a vida útil. O objetivo é isolar o diesel das flutuações de carga, mantendo-o estável em um ponto de ajuste eficiente.

Solução:

Estratégia de controle de “redução de picos e preenchimento de vales”:
1. Definir ponto base: o grupo gerador a diesel é operado com uma potência de saída constante definida em seu ponto de eficiência ideal (por exemplo, 70% da potência nominal).
2. Regulamento de Armazenamento:
  - Quando a demanda de carga > Ponto de ajuste do diesel: a potência deficiente (P_carga - P_conjunto_diesel) é complementado pela descarga do sistema de armazenamento de energia.
  - Quando a demanda de carga < Ponto de ajuste do diesel: o excesso de potência (P_diesel_set - P_carga) é absorvida pelo carregamento do sistema de armazenamento de energia.
Benefícios do sistema:
- O motor diesel funciona de forma consistente com alta eficiência e suavidade, prolongando sua vida útil e reduzindo os custos de manutenção.
- O sistema de armazenamento de energia suaviza flutuações drásticas de carga, evitando a ineficiência e o desgaste causados por mudanças frequentes de carga de diesel.
- O consumo geral de combustível é reduzido significativamente.

3. Desconexão repentina do armazenamento de energia

Descrição do problema:
O sistema de armazenamento de energia pode ficar offline repentinamente devido a falha da bateria, falha do PCS ou disparos de proteção. A energia que antes era processada pelo armazenamento (seja gerando ou consumindo) é transferida instantaneamente e integralmente para o grupo gerador a diesel, criando um choque de energia massivo.

Riscos:

Se o armazenamento estiver descarregando (suportando a carga), sua desconexão transfere toda a carga para o diesel, potencialmente causando sobrecarga, queda de frequência (velocidade) e desligamento de proteção.
Se o armazenamento estiver carregando (absorvendo excesso de energia), sua desconexão deixará o excesso de energia do diesel sem ter para onde ir, o que pode causar energia reversa e sobretensão, o que também pode desencadear um desligamento.

Solução:

Reserva de Giro Lateral a Diesel: O grupo gerador a diesel não deve ser dimensionado apenas para seu ponto de eficiência ideal. Ele deve ter capacidade de reserva dinâmica. Por exemplo, se a carga máxima do sistema for de 1000 kW e o diesel operar a 700 kW, a capacidade nominal do diesel deve ser superior a 700 kW + a maior carga potencial de escalonamento (ou a potência máxima do armazenamento), por exemplo, uma unidade de 1000 kW selecionada, fornecendo uma reserva de 300 kW para uma falha no armazenamento.
Controle de Carga Rápida:
1. Monitoramento do sistema em tempo real: monitora continuamente o status e o fluxo de energia do sistema de armazenamento.
2. Detecção de falhas: ao detectar uma desconexão repentina do armazenamento, o controlador mestre envia imediatamente um sinal rápido de redução de carga para o controlador diesel.
3. Resposta do Diesel: O controlador do diesel atua imediatamente (por exemplo, reduzindo rapidamente a injeção de combustível) para tentar reduzir a potência para corresponder à nova carga. A capacidade de reserva de rotação permite ganhar tempo para essa resposta mecânica mais lenta.
Último Recurso: Corte de Carga: Se o choque de potência for muito grande para o motor diesel suportar, a proteção mais confiável é cortar cargas não críticas, priorizando a segurança das cargas críticas e do próprio gerador. Um esquema de corte de carga é um requisito de proteção essencial no projeto do sistema.

4. Problema de potência reativa

Descrição do problema:
A energia reativa é usada para estabelecer campos magnéticos e é crucial para manter a estabilidade da tensão em sistemas CA. Tanto o gerador a diesel quanto o PCS de armazenamento precisam participar da regulação da energia reativa.

Gerador a Diesel: Controla a potência reativa e a tensão ajustando sua corrente de excitação. Sua capacidade de potência reativa é limitada e sua resposta é lenta.
PCS de armazenamento: A maioria das unidades PCS modernas são de quatro quadrantes, o que significa que podem injetar ou absorver energia reativa de forma independente e rápida (desde que não excedam sua potência nominal aparente em kVA).

Desafio: Como coordenar ambos para garantir a estabilidade da tensão do sistema sem sobrecarregar nenhuma das unidades.

Solução:

Estratégias de controle:
1. O Diesel Controla a Tensão: O grupo gerador a diesel é configurado no modo V/F, responsável por estabelecer a referência de tensão e frequência do sistema. Ele fornece uma "fonte de tensão" estável.
2. O armazenamento participa da regulação reativa (opcional):
  - Modo PQ: O armazenamento manipula apenas a energia ativa (P), com potência reativa (Q) definido como zero. O diesel fornece toda a potência reativa. Este é o método mais simples, mas sobrecarrega o diesel.
  - Modo de despacho de potência reativa: O controlador mestre do sistema envia comandos de potência reativa (Q_conjunto) para o PCS de armazenamento com base nas condições de tensão atuais. Se a tensão do sistema estiver baixa, comande o armazenamento para injetar potência reativa; se estiver alta, comande-o para absorver potência reativa. Isso alivia a carga do motor diesel, permitindo que ele se concentre na saída de potência ativa, ao mesmo tempo em que proporciona uma estabilização de tensão mais precisa e rápida.
  - Modo de controle do fator de potência (FP): um fator de potência alvo (por exemplo, 0,95) é definido, e o armazenamento ajusta automaticamente sua saída reativa para manter um fator de potência geral constante nos terminais do gerador a diesel.
Consideração de Capacidade: O PCS de armazenamento deve ser dimensionado com capacidade de potência aparente (kVA) suficiente. Por exemplo, um PCS de 500 kW, gerando 400 kW de potência ativa, pode fornecer no máximosqrt(500² - 400²) = 300kVArde potência reativa. Se a demanda por potência reativa for alta, será necessário um PCS maior.

Resumo

Alcançar com sucesso uma interconexão estável entre um grupo gerador a diesel e o armazenamento de energia depende do controle hierárquico:

Camada de hardware: selecione um PCS de armazenamento de resposta rápida e um controlador de gerador a diesel com interfaces de comunicação de alta velocidade.
Camada de controle: Empregue uma arquitetura fundamental de “Diesel define V/F, armazenamento faz PQ”. Um controlador de sistema de alta velocidade executa o despacho de energia em tempo real para “redução de pico/preenchimento de vale” de energia ativa e suporte de energia reativa.
Camada de proteção: o projeto do sistema deve incluir planos de proteção abrangentes: proteção de energia reversa, proteção contra sobrecarga e estratégias de controle de carga (até mesmo redução de carga) para lidar com a desconexão repentina do armazenamento.

Por meio das soluções descritas acima, as quatro principais questões que você levantou podem ser abordadas de forma eficaz para construir um sistema de energia híbrido de armazenamento de energia a diesel eficiente, estável e confiável.