วิธีการทำงานร่วมกันของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวร (PMG) กับหน่วยจัดเก็บพลังงานสำหรับระบบไมโครกริดเชิงอุตสาหกรรม

การสร้างไมโครกริดเชิงอุตสาหกรรมให้มีความน่าเชื่อถือไม่ได้ทำได้เพียงแค่ติดตั้งเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากับแบตเตอรี่เท่านั้น คำถามที่สำคัญคือ ระบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวร (PMG), อุปกรณ์แปลงพลังงานไฟฟ้า, หน่วยจัดเก็บพลังงาน, โหลดที่จำเป็นต่อการดำเนินงาน และระบบควบคุมระดับสูง จะทำงานร่วมกันอย่างไรในฐานะระบบที่มีความเป็นหนึ่งเดียวทางไฟฟ้า จากมุมมองวิศวกรรมพลังงานหมุนเวียน โปรไฟล์ของโหลดควรพิจารณาเป็นลำดับแรก เช่น โรงซ่อมเหมือง ชุดอุปกรณ์สำหรับกระบวนการผลิต ศูนย์สื่อสารโทรคมนาคม หรือโรงงานในพื้นที่ห่างไกล อาจมีค่ากระแสเริ่มต้น อัตราการเพิ่มโหลด และลำดับความสำคัญเมื่อเกิดการหยุดจ่ายไฟที่แตกต่างกันอย่างมาก

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวร (PMG) ผลิตกระแสไฟฟ้าเมื่อแม่เหล็กบนโรเตอร์เคลื่อนผ่านขดลวดสแตเตอร์ เนื่องจากสนามแม่เหล็กเกิดจากแม่เหล็กถาวร ไม่ใช่สนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยการป้อนกระแสให้โรเตอร์แยกต่างหาก จึงไม่จำเป็นต้องควบคุมกระแสสนามเพื่อกำหนดสนามแม่เหล็กนั้น อย่างไรก็ตาม ในระบบไมโครกริด กระแสไฟฟ้าดิบจากเครื่องกำเนิดฯ ถือเป็นเพียงจุดเริ่มต้นของปัญหาการออกแบบเท่านั้น ความเร็วของเพลาที่แปรผันอาจส่งผลให้แรงดันและความถี่แปรผันเช่นกัน ขณะที่โหลดเชิงอุตสาหกรรมโดยทั่วไปคาดหวังระบบจ่ายไฟแบบเอซีบัสหรือดีซีบัสที่ควบคุมได้อย่างแม่นยำ

เส้นทางการส่งกำลัง: จากเพลาหมุนสู่พลังงานที่ใช้งานได้ในระบบไมโครกริด

เส้นทางการรวมโดยทั่วไปจะวางเรกติไฟเออร์หรือคอนเวอร์เตอร์แบบแอคทีฟไว้หลังจาก Permanent magnet generator pmg .ตัวแปลงนั้นเปลี่ยนสัญญาณเอาต์พุตแบบแปรผันของเครื่องจักรให้เป็นสัญญาณดีซีลิงก์ที่ควบคุมได้ หรือในบางสถาปัตยกรรมจะเป็นสัญญาณเอซีที่มีการควบคุมความถี่และแรงดันอย่างแม่นยำ ตัวแปลงแบตเตอรี่แบบสองทิศทางเชื่อมต่อหน่วยเก็บพลังงานเข้ากับบัสเดียวกัน ส่วนอินเวอร์เตอร์จะจ่ายพลังงานให้โหลดแบบเอซี หรือตัวแปลงแบบสร้างโครงข่าย (grid-forming converter) จะกำหนดค่าอ้างอิงแรงดันและความถี่ท้องถิ่นเมื่อทำงานแบบแยกตัวจากโครงข่ายหลัก (island operation)

การจัดวางเช่นนี้ทำให้แต่ละสินทรัพย์มีหน้าที่เฉพาะเจาะจง ตัวกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวร (PMG) แปลงพลังงานกลที่มีอยู่ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า หน่วยเก็บพลังงานดูดซับพลังงานส่วนเกิน ชดเชยช่วงขาดแคลนระยะสั้น และจำกัดการเปลี่ยนแปลงแรงดันบนบัสอย่างรวดเร็ว ตัวควบคุมจะตัดสินใจว่าภาระงานใดควรได้รับความสำคัญสูงสุดในช่วงเวลาหนึ่งๆ การถือว่ากำลังไฟฟ้าที่ระบุไว้ของตัวกำเนิดเป็นค่าคงที่นั้นเหมาะสมสำหรับการวางแผนเบื้องต้น แต่เมื่อนำความเร็วรอบเพลา สภาพแวดล้อมรอบข้าง ข้อจำกัดของตัวแปลง และอัตราการรับประจุของแบตเตอรี่มาพิจารณาด้วย กำลังไฟฟ้าที่ใช้งานได้จริงอาจเปลี่ยนแปลงไปมาก

• การควบคุมฝั่งตัวกำเนิดรักษาตัวกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวร (PMG) ให้อยู่ภายในขีดจำกัดของความเร็วรอบ กระแสไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้า และอุณหภูมิ
• การควบคุมจากฝั่งแบตเตอรี่บังคับให้รักษาระดับประจุ อุณหภูมิ กระแสไฟฟ้าในการชาร์จ/ปล่อย และขีดจำกัดของพลังงานสำรอง
• การจัดการไมโครกริดจะปรับสมดุลระหว่างการผลิต พลังงานที่เก็บไว้ โหลดที่ควบคุมได้ และแหล่งจ่ายไฟฟ้าจากสาธารณูปโภคหรือแหล่งสำรองใด ๆ

เหตุใดระบบเก็บพลังงานจึงเปลี่ยนช่วงเวลาการดำเนินงาน

หากไม่มีระบบเก็บพลังงาน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวร (PMG) จะต้องปรับตามโหลดเกือบทันทีแบบเรียลไทม์ หรือแหล่งจ่ายไฟฟ้าอื่นต้องทำหน้าที่แทน สิ่งนี้อาจนำไปสู่การลดการผลิตไฟฟ้าเมื่อมีพลังงานกลเข้ามาอย่างเพียงพอ และก่อให้เกิดความไม่เสถียรเมื่อพลังงานกลลดลง แต่เมื่อมีระบบเก็บพลังงาน คอนเวอร์เตอร์แบตเตอรี่สามารถชาร์จขณะที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวร (PMG) มีพลังงานส่วนเกิน และปล่อยพลังงานในช่วงที่โหลดเพิ่มขึ้นหรือการผลิตไฟฟ้าลดลง ผลลัพธ์ที่ได้นั้นไม่ใช่กำลังการผลิต ‘ฟรี’ แต่เป็นการเลื่อนเวลาอย่างมีการควบคุมระหว่างการผลิตกับการใช้พลังงาน

ท่านอาจคิดว่าแบตเตอรี่ขนาดใหญ่จะแก้ปัญหาการผลิตไฟฟ้าที่ผันแปรได้โดยอัตโนมัติ แต่ความจริงไม่เป็นเช่นนั้น ระบบจัดเก็บพลังงานต้องมีความจุพลังงานเพียงพอสำหรับระยะเวลาที่ตั้งใจใช้งาน และมีความสามารถในการส่งกำลังเพียงพอเพื่อรองรับภาระชั่วคราวสูงสุดที่คาดว่าจะเกิดขึ้น นอกจากนี้ ตัวแปลงสัญญาณของระบบยังต้องประสานงานกับตัวแปลงสัญญาณของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวร (PMG) เพื่อไม่ให้ทั้งสองฝ่ายพยายามควบคุมตัวแปรเดียวกันบนบัส DC ด้วยลูปควบคุมที่ขัดแย้งกัน

สถานะการดำเนินงานสามแบบที่วิศวกรควรกำหนดไว้ตั้งแต่เนิ่นๆ

1. การชาร์จจากส่วนเกินของการผลิต

เมื่อผลลัพธ์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวร (PMG) สูงกว่าความต้องการ ตัวควบคุมสามารถส่งส่วนต่างไปยังระบบจัดเก็บพลังงานได้ โดยอยู่ภายใต้ข้อจำกัดการชาร์จและระดับการชาร์จปัจจุบันของแบตเตอรี่ หากแบตเตอรี่เต็มหรือไม่พร้อมใช้งาน ระบบจำเป็นต้องมีกลยุทธ์การลดกำลังการผลิต (curtailment) หรือการเบี่ยงเบนโหลด (dump-load) อย่างมีเจตนา การปล่อยให้เงื่อนไขนี้ไม่มีการระบุไว้ชัดเจนอาจทำให้ความเร็วหรือแรงดันบัส DC เพิ่มสูงขึ้นจนออกนอกช่วงการดำเนินงานที่ต้องการ

2. การคายประจุแบบติดตามโหลด

เมื่อความต้องการพลังงานเกินกว่ากำลังขาออกของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวร (PMG) ที่มีอยู่ ระบบจัดเก็บพลังงานสามารถปล่อยพลังงานเพื่อรักษาแรงดันบนบัสให้อยู่ภายในช่วงควบคุมที่กำหนด สำหรับอุปกรณ์อุตสาหกรรม การออกแบบระบบควบคุมควรแยกแยะระหว่างกระแสพุ่งสั้นๆ ขณะเริ่มเดินมอเตอร์ กับภาวะขาดแคลนพลังงานอย่างต่อเนื่อง แบตเตอรี่อาจรองรับเงื่อนไขแรกได้ดี แต่ไม่เหมาะสมสำหรับการผลิตต่อเนื่องเป็นเวลานานโดยไม่มีแหล่งพลังงานอื่น

3. ความผิดปกติและการเริ่มต้นใหม่ในโหมดเกาะ

ระหว่างการดำเนินงานแบบเกาะ ต้องมีอุปกรณ์หนึ่งตัวทำหน้าที่สร้างอ้างอิงแรงดันและอัตราความถี่ โดยทั่วไปแล้วคืออินเวอร์เตอร์แบตเตอรี่แบบสร้างโครงข่าย (grid-forming) ส่วน Permanent magnet generator pmg คอนเวอร์เตอร์จะทำงานตามอ้างอิงนั้น และจ่ายกำลังที่พร้อมใช้งาน ลำดับขั้นตอนมีความสำคัญยิ่งในกรณีเริ่มต้นระบบหลังดับทั้งหมด (black start) และการกู้คืน: จ่ายไฟให้ระบบควบคุมที่จำเป็นก่อน สร้างบัสที่มีเสถียรภาพ จากนั้นจึงเชื่อมต่อเส้นทางเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเข้าระบบ แล้วจึงค่อยๆ ต่อโหลดที่มีลำดับความสำคัญสูงสุดกลับเข้าระบบเป็นระยะ

การประสานงานด้านการควบคุมมักเป็นความท้าทายหลักในการรวมระบบทั้งหมดเข้าด้วยกัน

ปัญหาความล่าช้าทั่วไปในการส่งมอบระบบไม่ได้เกิดจากข้อบกพร่องของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวร (PMG) โดยตัวมันเอง แต่เกิดจากความไม่สอดคล้องกันระหว่างอินเทอร์เฟซของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า อินเวอร์เตอร์ ระบบจัดการแบตเตอรี่ และตัวควบคุมไมโครกริด ซึ่งปัญหานี้จะปรากฏขึ้นเฉพาะในขั้นตอนการผสานรวมระบบหน้างานเท่านั้น ก่อนการจัดซื้อ จำเป็นต้องกำหนดให้ชัดเจนถึงวิธีการสื่อสาร การเป็นเจ้าของคำสั่ง โหมดการปฏิบัติงาน การจัดการสัญญาณเตือน และการวัดค่าที่มีการระบุเวลาอย่างแม่นยำ ทั้งนี้ ควรตรวจสอบด้วยว่าเมื่อการสื่อสารขาดหายไป ระบบฮาร์ดแวร์จะตอบสนองอย่างไร โดยระบบฮาร์ดแวร์ควรมีพฤติกรรมปลอดภัยแบบท้องถิ่นตามเอกสารที่ระบุไว้ แทนที่จะรอคำสั่งจากระยะไกลอย่างไม่มีกำหนด

IEEE 2030.7-2017 เป็นข้อมูลอ้างอิงที่มีประโยชน์ เนื่องจากเอกสารฉบับนี้อธิบายหน้าที่ของตัวควบคุมไมโครกริดที่อยู่เหนือการควบคุมส่วนประกอบแต่ละชิ้น รวมถึงการดำเนินงานแบบอัตโนมัติและการเชื่อมต่อกับระบบไฟฟ้าหลัก อย่างไรก็ตาม เอกสารนี้ไม่สามารถแทนการศึกษาด้านการป้องกันที่จัดทำขึ้นเฉพาะสำหรับโครงการ การปฏิบัติตามรหัสไฟฟ้าท้องถิ่นที่ใช้บังคับ หรือขั้นตอนการตรวจรับรองระบบจากผู้ผลิตได้ เช่นเดียวกัน กรอบงานด้านการเก็บพลังงานไฟฟ้า เช่น ซีรีส์ IEC 62933 อาจช่วยกำหนดคำศัพท์และสนับสนุนการวางแผนระบบ แต่ไม่ใช่ทางลัดสำหรับการออกแบบด้านความปลอดภัยและการปฏิบัติตามข้อกำหนดที่ปรับให้เหมาะสมกับสถานที่นั้นๆ

ออกแบบโดยยึดพฤติกรรมเป็นหลัก ไม่ใช่ส่วนประกอบ

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวร (PMG) และหน่วยจัดเก็บพลังงานทำงานร่วมกันภายใต้การควบคุมของอุปกรณ์แปลงสัญญาณที่สามารถเปลี่ยนพลังงานกลที่แปรผันเป็นพลังงานไฟฟ้าที่ควบคุมได้ ขณะที่ตัวควบคุมไมโครกริดกำหนดบทบาทที่ชัดเจนให้กับแต่ละทรัพย์สิน ประเด็นสำคัญคือ การผสานรวมจะประสบความสำเร็จได้ก็ต่อเมื่อขีดจำกัดของกำลังไฟฟ้า ตรรกะสำรอง ระบบป้องกัน และการสื่อสารถูกออกแบบให้เป็นระบบปฏิบัติการเดียวกัน สำหรับโครงการที่ตั้งอยู่ห่างไกลหรือต้องการความพร้อมใช้งานสูง ผู้จัดจำหน่ายที่มีประสบการณ์ด้านเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวรและระบบควบคุมแบบผสานรวมสามารถช่วยแปลงโปรไฟล์โหลดของสถานที่ให้กลายเป็นการจัดวางโครงสร้างที่ใช้งานได้จริง อย่างไรก็ตาม การตั้งค่าสุดท้ายควรยืนยันผ่านการวิศวกรรมโครงการและการทดสอบการเดินเครื่อง

หากท่านกำลังประเมินมอเตอร์แม่เหล็กถาวรเชิงพาณิชย์สำหรับขาย และต้องการโซลูชันขับเคลื่อนที่ออกแบบมาอย่างดี ซึ่งรับประกันประสิทธิภาพและความทนทาน ENNENG คือพันธมิตรที่ท่านวางใจได้ ติดต่อ ENNENG วันนี้ .พูดคุยกับทีมวิศวกรเทคนิคของเราเพื่อรับข้อเสนอโซลูชันขับเคลื่อนที่ปรับแต่งเฉพาะตามความต้องการของท่าน

• วอตส์แอป: +86 18562780228
• อีเมล:  [email protected]
• โทรศัพท์:  +86 532 66000559