طراحی میکروگرید ترکیبی دیزل باتری با اینورترهای Grid-Forming

طراحی و اجرای یک میکروگرید ترکیبی دیزل باتری راهکاری پیشرفته برای ارتقای پایداری برق در تاسیسات صنعتی و تجاری است. در واحدهای صنعتی و زیربنایی، اتکا به دیزل ژنراتورها به عنوان تنها منبع برق اضطراری، با چالش‌های فنی و اقتصادی متعدد نظیر استهلاک شدید، مصرف بالای سوخت و پاسخ کند به جریان‌های هجومی همراه است. بهره‌گیری از اینورتر Grid Forming در ریزشبکه همراه با سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی (ESS)، پاسخی مهندسی برای حل این چالش‌ها ارائه می‌دهد. این راهکار نه تنها پایداری ریزشبکه را در حالت جزیره‌ای تضمین می‌کند، بلکه هزینه‌های جاری سوخت و نگهداری را به طور چشمگیری کاهش می‌دهد.

طراحی میکروگرید ترکیبی دیزل باتری و توپولوژی شبکه

در ریزشبکه‌های صنعتی، سیستم تبدیل قدرت (PCS) نقش کلیدی را در یکپارچه‌سازی ذخیره‌ساز انرژی با شبکه AC و دیزل ژنراتور ایفا می‌کند. اینورتر سه‌فاز صنعتی (PCS) ولتاژ DC باتری‌ها را به برق AC سه‌فاز استاندارد ۳۸۰ الی ۴۰۰ ولت تبدیل می‌کند. در این توپولوژی، سیستم مدیریت انرژی (EMS) با پایش مداوم بار و وضعیت شارژ باتری‌ها، توان خروجی را بین دیزل ژنراتور و سیستم ذخیره‌ساز تقسیم می‌کند. این هماهنگی هوشمند باعث می‌شود که ژنراتور دیزلی همیشه در نقطه بهینه توان خود کار کند یا در صورت عدم نیاز، کاملاً خاموش بماند.

پایداری فرکانس و ولتاژ در ریزشبکه‌های صنعتی با اینورترهای مبتنی بر منابع (Grid-Forming و Grid-Following)

در حالت جزیره‌ای، اینورترهای Grid-Forming بر خلاف نمونه‌های سنتی Grid-Following که نیازمند مرجع ولتاژ و فرکانس خارجی هستند، خود به عنوان منبع ولتاژ عمل کرده و فرکانس و ولتاژ ریزشبکه را تثبیت می‌کنند. هنگام قطعی شبکه اصلی، اینورتر Grid-Forming بدون نیاز به دیزل ژنراتور، ولتاژ و فرکانس مرجع را شکل می‌دهد. این امر اجازه می‌دهد دیزل ژنراتور تنها در مواقع لزوم و در نقطه بهینه کارکرد روشن شود و پایداری شبکه در برابر نوسانات ناگهانی به طور کامل حفظ گردد. همچنین سنکرون‌سازی و تبادل توان بین منابع با دقت بالاتری صورت می‌گیرد.

چالش‌های کارکرد بار کم (Low-Load Operation) دیزل ژنراتورها و راهکار حل آن با باتری‌های LFP

یکی از مشکلات اصلی دیزل ژنراتورها، عدم تطابق توان نامی آن‌ها با بارهای متغیر و کم در ساعات غیرپیک است. کارکردن دیزل ژنراتورها با کمتر از ۳۰ تا ۴۰ درصد بار نامی منجر به دوده زدن، رسوب‌گذاری و کاهش شدید راندمان می‌شود. برای حل این مشکل، سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی تجاری و صنعتی برای پیک‌سایی از باتری‌های لیتیومی با فناوری لیتیوم‌آهن‌فسفات (LFP) استفاده می‌کنند. در شرایط کم‌باری، دیزل ژنراتور خاموش شده و کل بار توسط سیستم ESS تامین می‌شود؛ یا ژنراتور در نقطه راندمان بالا کار کرده و مازاد توان تولیدی صرف شارژ باتری‌های LFP می‌گردد تا از کارکرد در بار پایین و آسیب به موتور جلوگیری شود.

مدیریت بار گذرا (Transient Load) و بارهای ضربه‌ای موتورهای سنگین در حالت جزیره‌ای شدن (Islanding)

راه اندازی موتورهای سنگین صنعتی و بارهای ضربه‌ای با جریان‌های هجومی شدیدی همراه است که می‌تواند موجب افت شدید ولتاژ و فرکانس در ژنراتورهای دیزلی شود. سیستم ESS با پاسخ فرکانسی سریع میلی‌ثانیه‌ای قادر است جریان‌های ضربه‌ای بارهای گذرا را جذب کند. این پاسخ آنی، فشار دینامیکی را از روی محور دیزل ژنراتور برداشته و از قطع قطع‌کننده‌های حفاظتی یا خاموشی ناگهانی ریزشبکه در حالت جزیره‌ای جلوگیری می‌نماید.

محاسبه نمونه مهندسی: نقطه بهینه بارگذاری دیزل و تلفات ذخیره‌سازی

برای درک اهمیت انتخاب فناوری مناسب ذخیره‌سازی انرژی و مدیریت بارگذاری دیزل، بررسی محاسبات مربوط به بارگذاری و تلفات انرژی ضروری است. از یک سو، کارکردن دیزل ژنراتورها با کمتر از ۳۰ تا ۴۰ درصد بار نامی منجر به دوده زدن و استهلاک موتور می‌شود. بنابراین در یک ژنراتور ۱۰۰ کیلوواتی، آستانه مجاز بارگذاری حد اقل ۳۰ تا ۴۰ کیلووات است و هر باری کمتر از ۳۰ درصد بار نامی باید توسط سیستم ذخیره‌ساز تامین شود تا دیزل مجبور به کار در بار کم نشود.

از سوی دیگر، برای سنجش تلفات انرژی در ذخیره‌سازها، تامین ۱۰ کیلووات‌ساعت بار مصرفی را در نظر بگیرید. بر اساس مستندات فنی، برای تامین ۱۰ کیلووات‌ساعت بار مصرفی، باتری سرب-اسید با راندمان ۸۰ درصد نیازمند ۱۲٫۵ کیلووات‌ساعت انرژی شارژ بوده و تلفات روزانه آن ۲٫۵ کیلووات‌ساعت است.

محاسبه مرحله به مرحله: ۱. انرژی شارژ ورودی مورد نیاز = ۱۰ ÷ ۰٫۸۰ = ۱۲٫۵ کیلووات‌ساعت ۲. تلفات روزانه انرژی = ۱۲٫۵ - ۱۰ = ۲٫۵ کیلووات‌ساعت

در مقابل، سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی پیشرفته با باتری‌های LFP و اینورتر سه‌فاز صنعتی (PCS) که ولتاژ DC باتری‌ها را به برق AC سه‌فاز استاندارد ۳۸۰ الی ۴۰۰ ولت تبدیل می‌کند، نه تنها راندمان بسیار بالاتری ارائه می‌دهند، بلکه با نگه داشتن دیزل ژنراتور در بازه کاری بالای ۳۰ تا ۴۰ درصد بار نامی، مانع دوده زدن و استهلاک تجهیزات می‌شوند.