Analyse av problemet med kobling mellom dieselgeneratorsett og energilagring

Her er en detaljert engelsk forklaring av de fire kjerneproblemene angående sammenkobling av dieselgeneratorsett og energilagringssystemer. Dette hybride energisystemet (ofte kalt et hybridmikronett med navnet «Diesel + Storage») er en avansert løsning for å forbedre effektiviteten, redusere drivstofforbruket og sikre stabil strømforsyning, men kontrollen er svært kompleks.

Oversikt over kjerneproblemer

1. 100ms reversert effektproblem: Hvordan forhindre at energilagring mates tilbake til dieselgeneratoren, og dermed beskytter den.
2. Konstant effekt: Hvordan holde dieselmotoren i gang konsekvent i høyeffektivitetssonen.
3. Plutselig frakobling av energilagring: Hvordan håndtere konsekvensene når energilagringssystemet plutselig faller fra nettverket.
4. Problem med reaktiv effekt: Hvordan koordinere deling av reaktiv effekt mellom de to kildene for å sikre spenningsstabilitet.

1. 100ms reversert effektproblem

Problembeskrivelse:
Omvendt effekt oppstår når elektrisk energi flyter fra energilagringssystemet (eller lasten) tilbake mot dieselgeneratorsettet. For dieselmotoren fungerer dette som en «motor» som driver motoren. Dette er ekstremt farlig og kan føre til:

• Mekanisk skade: Unormal drift av motoren kan skade komponenter som veivaksel og forbindelsesstenger.
• Systemustabilitet: Forårsaker svingninger i dieselmotorens hastighet (frekvens) og spenning, noe som potensielt kan føre til driftsstans.

Kravet om å løse det innen 100 ms eksisterer fordi dieselgeneratorer har stor mekanisk treghet og deres hastighetsstyringssystemer reagerer sakte (vanligvis i størrelsesorden sekunder). De kan ikke stole på seg selv for raskt å undertrykke denne elektriske tilbakestrømmen. Oppgaven må håndteres av det ultrahurtigresponsive kraftkonverteringssystemet (PCS) i energilagringssystemet.

Løsning:

• Kjerneprinsipp: «Diesel leder, lagring følger.» I hele systemet fungerer dieselgeneratorsettet som spennings- og frekvensreferansekilde (dvs. V/F-kontrollmodus), analogt med «nettet». Energilagringssystemet opererer i konstant effekt (PQ) kontrollmodus, der utgangseffekten utelukkende bestemmes av kommandoer fra en hovedkontroller.
• Kontrolllogikk:
  1. Sanntidsovervåking: Systemets hovedkontroller (eller selve lagrings-PCS-en) overvåker utgangseffekten (P_diesel) og retningen til dieselgeneratoren i sanntid med svært høy hastighet (f.eks. tusenvis av ganger per sekund).
  2. Effektsettpunkt: Effektsettpunktet for energilagringssystemet (P_sett) må oppfylle:P_last(total belastningseffekt) =P_diesel+P_sett.
  3. Rask justering: Når belastningen plutselig avtar, noe som forårsakerP_dieselFor å få en negativ trend, må kontrolleren i løpet av få millisekunder sende en kommando til lagrings-PCS-en om å umiddelbart redusere utladningseffekten eller bytte til absorberende effekt (lading). Dette absorberer overflødig energi i batteriene, noe som sikrerP_dieselforblir positiv.
• Tekniske sikkerhetstiltak:
  • Høyhastighetskommunikasjon: Høyhastighetskommunikasjonsprotokoller (f.eks. CAN-buss, fast Ethernet) er nødvendige mellom dieselkontrolleren, lagrings-PCS og systemhovedkontrolleren for å sikre minimal kommandoforsinkelse.
  • PCS-rask respons: Moderne PCS-lagringsenheter har responstider som er langt raskere enn 100 ms, ofte innenfor 10 ms, noe som gjør dem fullt ut i stand til å oppfylle dette kravet.
  • Redundant beskyttelse: Utover kontrolllinken installeres vanligvis et reversert strømbeskyttelsesrelé ved dieselgeneratorens utgang som en siste maskinvarebarriere. Imidlertid kan driftstiden være noen få hundre millisekunder, så det fungerer primært som backupbeskyttelse; kjernens hurtigbeskyttelse er avhengig av kontrollsystemet.

2. Konstant effektutgang

Problembeskrivelse:
Dieselmotorer opererer med maksimal drivstoffeffektivitet og laveste utslipp innenfor et belastningsområde på omtrent 60–80 % av nominell effekt. Lav belastning forårsaker «våt stabling» og karbonoppbygging, mens høy belastning øker drivstofforbruket drastisk og reduserer levetiden. Målet er å isolere dieselen fra belastningssvingninger, og holde den stabil på et effektivt settpunkt.

Løsning:

• Kontrollstrategi for «toppbarbering og dalfylling»:
  1. Angi basispunkt: Dieselgeneratorsettet drives med en konstant effekt som er satt til sitt optimale effektivitetspunkt (f.eks. 70 % av nominell effekt).
  2. Lagringsforskrift:
     • Når lastbehov > dieselsettpunkt: Den manglende effekten (P_last - P_diesel_sett) suppleres av utlading av energilagringssystemet.
     • Når lastbehov < dieselsettpunkt: Overskuddseffekten (P_diesel_sett - P_last) absorberes av ladingen av energilagringssystemet.
• Systemfordeler:
  • Dieselmotoren går jevnt og jevnt med høy effektivitet, noe som forlenger levetiden og reduserer vedlikeholdskostnadene.
  • Energilagringssystemet jevner ut drastiske belastningssvingninger, og forhindrer ineffektivitet og slitasje forårsaket av hyppige endringer i diesellasten.
  • Det totale drivstofforbruket er betydelig redusert.

3. Plutselig frakobling av energilagring

Problembeskrivelse:
Energilagringssystemet kan plutselig bli koblet fra på grunn av batterifeil, PCS-feil eller beskyttelsesutløsninger. Kraften som tidligere ble håndtert av lagringssystemet (enten det var generering eller forbruk) overføres umiddelbart i sin helhet til dieselgeneratorsettet, noe som skaper et massivt kraftsjokk.

Risikoer:

• Hvis lagringen utladet (støttet lasten), overfører frakoblingen full last til dieselen, noe som potensielt kan forårsake overbelastning, frekvensfall (hastighetsfall) og beskyttende avstengning.
• Hvis lagringen ladet (absorberte overflødig strøm), fører frakoblingen til at dieselmotorens overflødige strøm ikke har noe sted å gå, noe som potensielt kan forårsake reversert strøm og overspenning, noe som også utløser en avstengning.

Løsning:

• Diesel sidespinnreserve: Dieselgeneratorsettet må ikke dimensjoneres kun for sitt optimale effektivitetspunkt. Det må ha dynamisk reservekapasitet. Hvis for eksempel den maksimale systembelastningen er 1000 kW og dieselen går på 700 kW, må dieselens nominelle kapasitet være større enn 700 kW + den største potensielle trinnbelastningen (eller lagringens maksimale effekt), f.eks. en 1000 kW-enhet valgt, som gir en buffer på 300 kW for en lagringsfeil.
• Rask lastkontroll:
  1. Systemovervåking i sanntid: Overvåker kontinuerlig statusen og strømstrømmen til lagringssystemet.
  2. Feildeteksjon: Ved plutselig frakobling av lagringsenheten sender hovedkontrolleren umiddelbart et signal for rask lastreduksjon til dieselkontrolleren.
  3. Dieselrespons: Dieselregulatoren reagerer umiddelbart (f.eks. reduserer drivstoffinnsprøytningen raskt) for å prøve å redusere effekten for å matche den nye belastningen. Den roterende reservekapasiteten kjøper tid til denne langsommere mekaniske responsen.
• Siste utvei: Lastutkobling: Hvis effektsjokket er for stort til at dieselmotoren kan håndtere det, er den mest pålitelige beskyttelsen å koble fra ikke-kritiske belastninger, og prioritere sikkerheten til kritiske belastninger og selve generatoren. En lastutkoblingsordning er et viktig beskyttelseskrav i systemdesignet.

4. Problem med reaktiv effekt

Problembeskrivelse:
Reaktiv effekt brukes til å etablere magnetfelt og er avgjørende for å opprettholde spenningsstabilitet i vekselstrømssystemer. Både dieselgeneratoren og lagrings-PCS-en må delta i reguleringen av reaktiv effekt.

• Dieselgenerator: Kontrollerer reaktiv effekt og spenning ved å justere eksitasjonsstrømmen. Dens reaktive effektkapasitet er begrenset, og responsen er langsom.
• Lagrings-PCS: De fleste moderne PCS-enheter er firekvadranter, noe som betyr at de uavhengig og raskt kan injisere eller absorbere reaktiv effekt (forutsatt at de ikke overskrider sin tilsynelatende effektklassifisering kVA).

Utfordring: Hvordan koordinere begge for å sikre systemspenningsstabilitet uten å overbelaste noen av enhetene.

Løsning:

• Kontrollstrategier:
  1. Diesel styrer spenningen: Dieselgeneratorsettet er satt til V/F-modus, som er ansvarlig for å etablere systemets spennings- og frekvensreferanse. Det gir en stabil «spenningskilde».
  2. Lagring deltar i reaktiv regulering (valgfritt):
     • PQ-modus: Lagringen håndterer kun aktiv strøm (P), med reaktiv effekt (Q) satt til null. Dieselmotoren leverer all reaktiv effekt. Dette er den enkleste metoden, men belaster dieselmotoren.
     • Reaktiv effektfordelingsmodus: Systemets hovedkontroller sender kommandoer for reaktiv effekt (Q_sett) til lagrings-PCS basert på gjeldende spenningsforhold. Hvis systemspenningen er lav, beordr lagringen til å injisere reaktiv effekt; hvis den er høy, beordr den til å absorbere reaktiv effekt. Dette avlaster belastningen på dieselmotoren, slik at den kan fokusere på aktiv effektutgang, samtidig som det gir finere og raskere spenningsstabilisering.
     • Kontrollmodus for effektfaktor (PF): En måleffektfaktor (f.eks. 0,95) er satt, og lagringen justerer automatisk sin reaktive utgang for å opprettholde en konstant total effektfaktor ved dieselgeneratorens terminaler.
• Kapasitetshensyn: Lagrings-PCS-en må være dimensjonert med tilstrekkelig tilsynelatende effektkapasitet (kVA). For eksempel kan en 500 kW PCS som yter 400 kW aktiv effekt gi maksimaltkvadratvolum (500² - 400²) = 300 kVArav reaktiv effekt. Hvis etterspørselen etter reaktiv effekt er høy, kreves en større PCS.

Sammendrag

Å oppnå en stabil sammenkobling mellom et dieselgeneratorsett og energilagring avhenger av hierarkisk kontroll:

1. Maskinvarelaget: Velg en raskt reagerende lagrings-PCS og en dieselgeneratorkontroller med høyhastighetskommunikasjonsgrensesnitt.
2. Kontrolllag: Bruk en grunnleggende arkitektur med «Diesel setter V/F, lagring gjør PQ». En høyhastighetssystemkontroller utfører sanntids strømfordeling for aktiv effekt «toppbarbøyning/dalfylling» og reaktiv effektstøtte.
3. Beskyttelseslag: Systemdesignet må inkludere omfattende beskyttelsesplaner: beskyttelse mot reversert strøm, overbelastningsbeskyttelse og strategier for lastkontroll (til og med lastutkobling) for å håndtere plutselig frakobling av lagring.

Gjennom løsningene beskrevet ovenfor kan de fire hovedproblemene du tok opp effektivt løses for å bygge et effektivt, stabilt og pålitelig hybridkraftsystem med diesel-energilagring.