Проектирование микросетевых и автономных аккумуляторных систем: полное руководство

Введение: за пределами простых сетевых систем

Микросеть — это локализованная энергетическая сеть, способная работать автономно, с возможностью перехода в изолированный режим в момент возникновения сбоев или отключений в энергосистеме. В отличие от стандартных подключенных к сети солнечных установок, которые отключаются при отключении основного питания, правильно построенная микросеть обеспечивает работу критически важных нагрузок независимо от энергоснабжения общественной сети. Финансовая оценка проекта микросетей не опирается на совершенно уникальные формулы; Расчет окупаемости инвестиций в микросети соответствует базовой модели, используемой для окупаемости при сглаживании пиков , с добавлением корректировок для изолированного оборудования и накладных расходов на резервирование вне сети.

Соединение по переменному току и соединение по постоянному току — плюсы и минусы

Соединение постоянного тока

Архитектуры с подключением по постоянному току лучше всего подходят для совершенно новых систем, использующих солнечную энергию и аккумулирование энергии. Эта конфигурация обеспечивает более высокий КПД и более простую схему подключения, поскольку фотоэлектрический выход постоянного тока подается непосредственно в аккумуляторную батарею без промежуточных этапов преобразования переменного тока. Он хорошо подходит для новых объектов, где солнечные панели и батареи указаны вместе с самого начала проекта.

Соединение переменного тока

Соединение по переменному току является практическим выбором при модернизации аккумуляторной батареи на существующую действующую фотоэлектрическую батарею. Он обеспечивает высокую гибкость системы и широко применяется для крупной модернизации коммерческих и промышленных предприятий (C&I), где солнечное оборудование уже установлено и не может быть легко переработано.

При оценке вариантов подключения важно разделять кВт и кВтч . кВтч представляет собой общую запасаемую энергию, а кВт определяет скорость реакции мощности в реальном времени. Топология связи напрямую влияет на производительность системы в кВт. Установки с постоянным током могут очень быстро реагировать на внезапные изменения нагрузки; Системы со связью по переменному току добавляют задержку обработки инвертора, которая может ограничить мгновенную реакцию мощности в тяжелых переходных условиях.

Основные компоненты микросети BESS

Аккумуляторный блок LFP

Литий-железо-фосфатные аккумуляторные батареи образуют основной источник энергии для большинства современных микросетей BESS. При построении высоковольтных систем необходимо уделять пристальное внимание управлению деградацией батареи LiFePO4 в последовательно соединенных цепочках элементов, поскольку небольшие дисбалансы быстро усугубляются в стеках с более высоким напряжением, если мониторинг и балансировка настроены неправильно.

PCS (система преобразования энергии)

Система преобразования энергии действует как двунаправленный инверторный центр микросети. Он преобразует энергию постоянного тока от батарей или солнечной энергии в переменный ток, пригодный для использования на объекте, а также преобразует входящий переменный ток обратно в постоянный ток для зарядки аккумулятора. Без правильно рассчитанной АСУТП переключение между режимом подключения к сети и изолированным режимом работы не может функционировать надежно.

EMS (система управления энергопотреблением)

Система управления энергопотреблением служит центральным мозгом микросети. Он постоянно отслеживает состояние сети, уровень заряда батареи, потребность в нагрузке в режиме реального времени и выработку фотоэлектрических энергии. Он принимает решения в режиме реального времени, чтобы инициировать переходы в режим островной сети, планировать зарядку и разрядку аккумуляторов, а также определять приоритетность того, какие нагрузки будут получать питание в условиях низкого энергопотребления.

Статический резервный переключатель (STS)

Статический резервный переключатель обеспечивает почти мгновенное переключение между питанием коммунальной сети и выходом местной микросети в миллисекундном диапазоне. Это оборудование имеет решающее значение для предотвращения кратковременного отключения чувствительного оборудования во время изолирования или повторного подключения к основной сети.

Ключевые проблемы автономного проектирования

Управление пусковым током

Одной из распространенных проблем в реальных автономных системах является обработка пускового тока, возникающего при запуске двигателя. Большие индуктивные нагрузки, такие как насосы, компрессоры и холодильное оборудование, потребляют во много раз больше номинальной рабочей мощности в течение коротких долей секунды. Если батарея и PCS не смогут справиться с этим кратковременным скачком напряжения, пользователи столкнутся с неожиданными отключениями или аппаратными сбоями, даже если средние значения нагрузки находятся в пределах номинальных значений системы.

Возможность холодного запуска

Возможность холодного или черного старта описывает способность системы включаться из полностью выключенного состояния без поддержки внешней сети. Это важно для удаленных объектов, где система полностью отключается после продолжительных периодов низкой солнечной активности. Места с холодным климатом еще больше усложняют задачу; проектировщикам необходимо учитывать риски, связанные с зарядкой в ​​холодную погоду . Термический подогрев аккумулятора становится обязательным для надежной работы в зимнее время, поскольку низкие температуры ограничивают прием заряда и могут нанести непоправимый вред литий-ионным элементам.

Выбор параметров надежности (запас прочности)

Сетевые системы могут полагаться на коммунальные услуги в качестве неограниченной резервной копии. Автономные и изолированные микросети не имеют резервной системы безопасности. Вот почему автономные проекты требуют значительно большего запаса энергии по сравнению с проектами, полностью подключенными к сети. Запас энергии учитывает непредвиденные скачки нагрузки, недостаточное солнечное излучение в течение нескольких дней, постепенное снижение емкости аккумулятора в течение многих лет эксплуатации и незначительный незапланированный рост нагрузки на объекте. Сокращение запасов безопасности для снижения первоначальных затрат является частым источником проблем с надежностью на местах, когда система вводится в реальную эксплуатацию.

Проектирование надежной автономной энергетической архитектуры требует балансировки ежедневного потребления, генерации солнечных фотоэлектрических станций и защиты от скачков напряжения. Высокопроизводительные микросетевые аккумуляторные системы хранения обеспечивают энергетическую устойчивость удаленных промышленных объектов и автономных жилых объектов за счет улавливания избыточной возобновляемой энергии в часы пиковой производительности. Хорошо спроектированная конструкция автономной системы предотвращает перебои в подаче электроэнергии, одновременно продлевая срок службы накопителей энергии.

Большинство реальных развертываний автономных систем сталкиваются с реальными ограничениями на площадке: ограниченное пространство на крыше или земле для солнечных панелей, сезонные колебания солнечного времени и незапланированное увеличение нагрузки после ввода в эксплуатацию. Многие отказы на местах возникают из-за упрощенных расчетов нагрузки, которые игнорируют реальные условия эксплуатации, а не из-за дефектов компонентов. Практическая проектная работа всегда начинается с данных обследования объекта, а не только с теоретических значений в электронных таблицах.

Определение размеров автономной аккумуляторной системы: основные соображения

Определение правильной емкости хранилища начинается с оценки общей ежедневной нагрузки в киловатт-часах наряду с непрерывным эксплуатационным потреблением. Инженеры оценивают дни автономности — как долго объект должен работать без солнечной генерации — чтобы установить необходимый резерв без чрезмерных инвестиций в оборудование. Использование руководящих принципов проектирования Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии помогает установить надежные базовые показатели определения сезонной солнечной изменчивости.

Практика на месте часто выявляет несоответствия между паспортными значениями нагрузки и фактическим потреблением. Двигатели, насосы и стареющее оборудование потребляют более высокую реальную мощность, чем предполагают данные таблицы. Установка слишком малого количества дней автономной работы создает риск отключения электроэнергии во время продолжительной пасмурной погоды; установка слишком высоких значений приводит к ненужным затратам на оборудование и избыточной емкости аккумулятора в режиме ожидания, которая редко используется. Прежде чем окончательно составить списки спецификаций, полевые инженеры обычно сверяют результаты определения размеров с местными историческими данными о погоде.

Расчет полезной емкости и глубины разряда

Жизненный цикл системы напрямую коррелирует с пороговыми значениями рабочего напряжения. Определение полезной емкости аккумулятора требует учета безопасных рабочих пределов, поскольку работа накопителей энергии на контролируемой глубине разряда значительно увеличивает производительность цикла. Современные конструкции управления энергопотреблением предусматривают автоматическое отключение низкого напряжения внутри инвертора солнечной батареи, чтобы предотвратить деградацию при глубоком разряде и термический стресс.

На ранних этапах проектирования проектные группы часто путают номинальную емкость аккумулятора с реальной полезной емкостью. Даже идентичные аккумуляторные блоки обеспечивают различную полезную мощность при низких температурах или при интенсивном непрерывном разряде. Технические специалисты на объекте должны избегать ручной отмены настроек защиты от низкого напряжения, чтобы выжать больше энергии из батарей; этот ярлык ускорит износ элементов и значительно сократит общий срок службы системы.

Лучший химический состав аккумуляторов для микросетей

Химический состав аккумуляторов определяет как первоначальные капитальные затраты, так и долгосрочную приведенную стоимость хранения в течение десятилетнего срока службы проекта. В современных развертываниях приоритет отдается безопасности, эффективности занимаемой площади и стабильности температуры окружающей среды, чтобы обеспечить непрерывную работу в суровых полевых условиях.

Ни один тип батареи не подходит для каждого проекта. Проектировщикам необходимо взвесить первоначальный бюджет, ожидаемый диапазон температур окружающей среды на объекте, доступное физическое пространство для установки и возможности местного обслуживания. Удаленные объекты с ограниченным доступом к плановому обслуживанию, как правило, отдают предпочтение химическим препаратам, не требующим особого обслуживания, в то время как краткосрочные временные установки могут склоняться к более дешевым альтернативам, независимо от срока службы.

Литий-железо-фосфат в сравнении с традиционной свинцово-кислотной

Выбор литий-железо-фосфатной батареи вместо классической свинцово-кислотной обеспечивает более высокую плотность энергии, более быстрый прием заряда и значительно большую эффективность в обоих направлениях. Стандартизация протоколов химической безопасности, подтвержденных энергетическими стандартами IEC, защищает инвестиции в инфраструктуру от перегрева, обеспечивая при этом стабильную производительность в течение тысяч непрерывных рабочих циклов.

Свинцово-кислотные агрегаты по-прежнему используются в проектах с ограниченным бюджетом, но они требуют регулярного обслуживания, включая проверку электролита и выравнивающую зарядку. В холодных отдаленных местах производительность свинцово-кислотных установок резко падает, а их большое физическое присутствие увеличивает затраты на транспортировку и установку. Системы LFP имеют более высокую первоначальную цену, но при этом сокращают повторные посещения объекта и частоту замены, что часто делает их дешевле на протяжении всего жизненного цикла проекта.

Интеграция BMS и управление пиковой нагрузкой

Интеллектуальная система управления батареями регулирует баланс ячеек, отслеживает состояние заряда и напрямую взаимодействует с оборудованием преобразования энергии. Эффективные стратегии управления пиковой нагрузкой сглаживают переходные скачки напряжения, вызванные тяжелыми индуктивными нагрузками, сводя к минимуму нагрузку на систему и стабилизируя частоту локальной микросети. Инженеры согласовывают параметры защиты системы с установленными стандартами интеллектуальных сетей IEEE, чтобы защитить топологии распределения и обеспечить надежность электропитания.

Многие проблемы на местах возникают из-за плохой связи между BMS и инверторным оборудованием. Несовпадающие протоколы связи или неправильно настроенные пороговые значения могут вызвать незапланированные отключения системы даже при большом оставшемся заряде аккумулятора. При больших нагрузках с приводом от двигателя средства управления плавным пуском помогают гасить пусковые скачки вместо того, чтобы позволить полному пусковому току напрямую попадать на аккумуляторную батарею. Во время ввода в эксплуатацию технические специалисты должны провести тестирование при полной пиковой нагрузке, чтобы выявить ошибки координации, прежде чем передать объект конечным пользователям.