Noticias - Análisis del problema de la conexión entre grupos electrógenos diésel y almacenamiento de energía

Aquí se presenta una explicación detallada en inglés de los cuatro aspectos fundamentales de la interconexión de grupos electrógenos diésel y sistemas de almacenamiento de energía. Este sistema híbrido de energía (a menudo denominado microrred híbrida "Diésel + Almacenamiento") es una solución avanzada para mejorar la eficiencia, reducir el consumo de combustible y garantizar un suministro eléctrico estable, pero su control es muy complejo.

Descripción general de los problemas centrales

Problema de potencia inversa de 100 ms: ¿Cómo evitar que el almacenamiento de energía retroalimente energía al generador diésel, protegiéndolo así?
Potencia de salida constante: cómo mantener el motor diésel funcionando constantemente en su zona de alta eficiencia.
Desconexión repentina del almacenamiento de energía: cómo manejar el impacto cuando el sistema de almacenamiento de energía se desconecta repentinamente de la red.
Problema de potencia reactiva: cómo coordinar el reparto de potencia reactiva entre las dos fuentes para garantizar la estabilidad del voltaje.

1. El problema de la potencia inversa de 100 ms

Descripción del problema:
La potencia inversa se produce cuando la energía eléctrica fluye desde el sistema de almacenamiento de energía (o la carga) hacia el grupo electrógeno diésel. Para el motor diésel, esto actúa como un "motor", impulsándolo. Esto es extremadamente peligroso y puede provocar:

Daño mecánico: El manejo anormal del motor puede dañar componentes como el cigüeñal y las bielas.
Inestabilidad del sistema: provoca fluctuaciones en la velocidad (frecuencia) y el voltaje del motor diésel, lo que puede provocar su apagado.

El requisito de resolverlo en 100 ms existe porque los generadores diésel tienen una gran inercia mecánica y sus sistemas de regulación de velocidad responden lentamente (normalmente en segundos). No pueden confiar en sí mismos para suprimir rápidamente este reflujo eléctrico. La tarea debe ser gestionada por el Sistema de Conversión de Potencia (SCP) de respuesta ultrarrápida del sistema de almacenamiento de energía.

Solución:

Principio fundamental: «El diésel lidera, el almacenamiento sigue». En todo el sistema, el grupo electrógeno diésel actúa como fuente de referencia de voltaje y frecuencia (es decir, modo de control V/F), de forma análoga a la red eléctrica. El sistema de almacenamiento de energía opera en modo de control de potencia constante (PQ), donde su potencia de salida se determina únicamente mediante comandos de un controlador maestro.
Lógica de control:
1. Monitoreo en tiempo real: El controlador maestro del sistema (o el propio PCS de almacenamiento) monitorea la potencia de salida (P_diésel) y la dirección del generador diésel en tiempo real a una velocidad muy alta (por ejemplo, miles de veces por segundo).
2. Punto de ajuste de potencia: El punto de ajuste de potencia para el sistema de almacenamiento de energía (P_set) debe satisfacer:P_carga(potencia de carga total) =P_diésel+P_set.
3. Ajuste rápido: cuando la carga disminuye repentinamente, lo que provocaP_diéselPara que la tendencia sea negativa, el controlador debe enviar, en cuestión de milisegundos, una orden al PCS de almacenamiento para que reduzca inmediatamente su potencia de descarga o cambie a absorción de energía (carga). Esto absorbe el exceso de energía en las baterías, lo que garantiza...P_diéselSigue siendo positivo.
Salvaguardias técnicas:
- Comunicación de alta velocidad: se requieren protocolos de comunicación de alta velocidad (por ejemplo, bus CAN, Ethernet rápido) entre el controlador diésel, el PCS de almacenamiento y el controlador maestro del sistema para garantizar un retraso mínimo del comando.
- Respuesta rápida de PCS: Las unidades de almacenamiento PCS modernas tienen tiempos de respuesta de energía mucho más rápidos que 100 ms, a menudo dentro de los 10 ms, lo que las hace totalmente capaces de cumplir con este requisito.
- Protección redundante: Además del enlace de control, se suele instalar un relé de protección contra potencia inversa a la salida del generador diésel como barrera de hardware final. Sin embargo, su tiempo de operación puede ser de unos pocos cientos de milisegundos, por lo que sirve principalmente como protección de respaldo; la protección rápida principal depende del sistema de control.

2. Salida de potencia constante

Descripción del problema:
Los motores diésel funcionan con la máxima eficiencia de combustible y las emisiones más bajas dentro de un rango de carga de aproximadamente el 60 % al 80 % de su potencia nominal. Las cargas bajas provocan acumulación de carbono y carbonilla, mientras que las cargas altas aumentan drásticamente el consumo de combustible y reducen su vida útil. El objetivo es aislar el diésel de las fluctuaciones de carga, manteniéndolo estable en un punto de ajuste eficiente.

Solución:

Estrategia de control de “Reducción de picos y relleno de valles”:
1. Establecer punto base: el grupo electrógeno diésel funciona con una potencia de salida constante establecida en su punto de eficiencia óptimo (por ejemplo, 70 % de la potencia nominal).
2. Reglamento de almacenamiento:
  - Cuando la demanda de carga > el punto de ajuste de diésel: la potencia deficiente (P_load - P_diesel_set) se complementa con la descarga del sistema de almacenamiento de energía.
  - Cuando la demanda de carga < punto de ajuste de diésel: el exceso de potencia (P_diesel_set - P_carga) es absorbida por el sistema de almacenamiento de energía de carga.
Beneficios del sistema:
- El motor diésel funciona de manera constante, con alta eficiencia y sin problemas, lo que prolonga su vida útil y reduce los costos de mantenimiento.
- El sistema de almacenamiento de energía suaviza las fluctuaciones drásticas de carga, evitando la ineficiencia y el desgaste causados por los cambios frecuentes de carga de diésel.
- El consumo total de combustible se reduce significativamente.

3. Desconexión repentina del almacenamiento de energía

Descripción del problema:
El sistema de almacenamiento de energía podría desconectarse repentinamente debido a un fallo de la batería, un fallo del PCS o disparos de protección. La energía que antes gestionaba el sistema de almacenamiento (ya sea generando o consumiendo) se transfiere instantáneamente por completo al grupo electrógeno diésel, lo que genera una descarga de energía masiva.

Riesgos:

Si el almacenamiento estaba descargando (soportando la carga), su desconexión transfiere la carga completa al diésel, lo que puede causar sobrecarga, caída de frecuencia (velocidad) y apagado protector.
Si el almacenamiento se estaba cargando (absorbiendo el exceso de energía), su desconexión deja el exceso de energía del diésel sin lugar a dónde ir, lo que puede causar potencia inversa y sobretensión, y también desencadenar un apagado.

Solución:

Reserva giratoria lateral diésel: El grupo electrógeno diésel no debe dimensionarse únicamente para su punto óptimo de eficiencia. Debe tener capacidad de reserva dinámica. Por ejemplo, si la carga máxima del sistema es de 1000 kW y el diésel funciona a 700 kW, la capacidad nominal del diésel debe ser superior a 700 kW + la carga de escalón potencial más alta (o la potencia máxima del almacenamiento); por ejemplo, se selecciona una unidad de 1000 kW, que proporciona un margen de 300 kW ante un fallo del almacenamiento.
Control de carga rápida:
1. Monitoreo en tiempo real del sistema: monitorea continuamente el estado y el flujo de energía del sistema de almacenamiento.
2. Detección de fallas: al detectar una desconexión repentina del almacenamiento, el controlador maestro envía inmediatamente una señal de reducción de carga rápida al controlador diésel.
3. Respuesta del motor diésel: El controlador del motor diésel actúa de inmediato (p. ej., reduciendo rápidamente la inyección de combustible) para intentar reducir la potencia y adaptarla a la nueva carga. La capacidad de reserva de giro permite ganar tiempo para esta respuesta mecánica más lenta.
Último recurso: Desconexión de carga: Si la sobretensión es demasiado grande para que el motor diésel la pueda gestionar, la protección más fiable es desconectar las cargas no críticas, priorizando la seguridad de las cargas críticas y del propio generador. Un esquema de desconexión de carga es un requisito de protección esencial en el diseño del sistema.

4. Problema de potencia reactiva

Descripción del problema:
La potencia reactiva se utiliza para establecer campos magnéticos y es crucial para mantener la estabilidad del voltaje en los sistemas de CA. Tanto el generador diésel como el sistema de almacenamiento de energía (SCP) deben participar en la regulación de la potencia reactiva.

Generador diésel: Controla la potencia reactiva de salida y el voltaje ajustando su corriente de excitación. Su capacidad de potencia reactiva es limitada y su respuesta es lenta.
Almacenamiento PCS: La mayoría de las unidades PCS modernas son de cuatro cuadrantes, lo que significa que pueden inyectar o absorber energía reactiva de forma independiente y rápida (siempre que no excedan su potencia nominal aparente en kVA).

Desafío: Cómo coordinar ambos para garantizar la estabilidad del voltaje del sistema sin sobrecargar ninguna unidad.

Solución:

Estrategias de control:
1. Regulación del voltaje diésel: El grupo electrógeno diésel está configurado en modo V/F, responsable de establecer la referencia de voltaje y frecuencia del sistema. Proporciona una fuente de voltaje estable.
2. El almacenamiento participa en la regulación reactiva (opcional):
  - Modo PQ: El almacenamiento solo maneja energía activa (P), con potencia reactiva (Q) se pone a cero. El diésel proporciona toda la potencia reactiva. Este es el método más sencillo, pero sobrecarga el diésel.
  - Modo de despacho de potencia reactiva: el controlador maestro del sistema envía comandos de potencia reactiva (Conjunto Q) al sistema de almacenamiento PCS según las condiciones de voltaje actuales. Si el voltaje del sistema es bajo, se ordena al sistema de almacenamiento que inyecte potencia reactiva; si es alto, se ordena que la absorba. Esto alivia la carga del motor diésel, permitiéndole concentrarse en la producción de potencia activa, a la vez que proporciona una estabilización de voltaje más precisa y rápida.
  - Modo de control del factor de potencia (PF): se establece un factor de potencia objetivo (por ejemplo, 0,95) y el almacenamiento ajusta automáticamente su salida reactiva para mantener un factor de potencia general constante en las terminales del generador diésel.
Consideración de capacidad: El sistema de almacenamiento PCS debe dimensionarse con suficiente capacidad de potencia aparente (kVA). Por ejemplo, un sistema de almacenamiento PCS de 500 kW que genera 400 kW de potencia activa puede proporcionar un máximo deraíz cuadrada (500² - 400²) = 300 kVArde potencia reactiva. Si la demanda de potencia reactiva es alta, se requiere un PCS mayor.

Resumen

Para lograr una interconexión estable entre un grupo electrógeno diésel y un sistema de almacenamiento de energía es necesario un control jerárquico:

Capa de hardware: seleccione un PCS de almacenamiento de respuesta rápida y un controlador de generador diésel con interfaces de comunicación de alta velocidad.
Capa de Control: Emplea una arquitectura fundamental: el diésel establece V/F, el almacenamiento se encarga de la PQ. Un controlador de sistema de alta velocidad gestiona el despacho de potencia en tiempo real para la reducción de picos y valles de potencia activa y el soporte de potencia reactiva.
Capa de protección: El diseño del sistema debe incluir planes de protección integrales: protección de potencia inversa, protección contra sobrecarga y estrategias de control de carga (incluso desconexión de carga) para manejar la desconexión repentina del almacenamiento.

A través de las soluciones descritas anteriormente, se pueden abordar de manera efectiva los cuatro problemas clave que usted planteó para construir un sistema de energía híbrido de almacenamiento de energía diésel eficiente, estable y confiable.