Analyse af problemet med sammenkobling mellem dieselgeneratorsæt og energilagring

Her er en detaljeret engelsk forklaring af de fire kerneproblemer vedrørende sammenkobling af dieselgeneratorsæt og energilagringssystemer. Dette hybride energisystem (ofte kaldet et "Diesel + Storage" hybrid mikronet) er en avanceret løsning til at forbedre effektiviteten, reducere brændstofforbruget og sikre en stabil strømforsyning, men dets kontrol er yderst kompleks.

Oversigt over kerneproblemer

1. 100ms omvendt effektproblem: Hvordan man forhindrer energilagring i at føre strøm tilbage til dieselgeneratoren og dermed beskytter den.
2. Konstant effekt: Sådan holder du dieselmotoren kørende konsekvent i dens højeffektive zone.
3. Pludselig afbrydelse af energilagring: Hvordan man håndterer virkningen, når energilagringssystemet pludselig afbrydes fra netværket.
4. Problem med reaktiv effekt: Hvordan man koordinerer deling af reaktiv effekt mellem de to kilder for at sikre spændingsstabilitet.

1. Problemet med 100ms omvendt effekt

Problembeskrivelse:
Omvendt effekt opstår, når elektrisk energi strømmer fra energilagringssystemet (eller belastningen) tilbage mod dieselgeneratorsættet. For dieselmotoren fungerer dette som en "motor", der driver motoren. Dette er ekstremt farligt og kan føre til:

• Mekanisk skade: Unormal drift af motoren kan beskadige komponenter som krumtapakslen og plejlstængerne.
• Systemustabilitet: Forårsager udsving i dieselmotorens hastighed (frekvens) og spænding, hvilket potentielt kan føre til nedlukning.

Kravet om at løse det inden for 100 ms eksisterer, fordi dieselgeneratorer har stor mekanisk inerti, og deres hastighedsstyringssystemer reagerer langsomt (typisk i størrelsesordenen sekunder). De kan ikke stole på sig selv til hurtigt at undertrykke denne elektriske tilbagestrømning. Opgaven skal håndteres af energilagringssystemets ultrahurtige Power Conversion System (PCS).

Løsning:

• Kerneprincip: "Diesel fører, lagring følger." I hele systemet fungerer dieselgeneratorsættet som spændings- og frekvensreferencekilde (dvs. V/F-styringstilstand), analogt med "elnettet". Energilagringssystemet fungerer i konstant effekt (PQ) styringstilstand, hvor dets udgangseffekt udelukkende bestemmes af kommandoer fra en mastercontroller.
• Kontrollogik:
  1. Realtidsovervågning: Systemets mastercontroller (eller selve lagrings-PCS'en) overvåger udgangseffekten (P_diesel) og retningen af ​​dieselgeneratoren i realtid ved en meget høj hastighed (f.eks. tusindvis af gange i sekundet).
  2. Effektsætpunkt: Effektsætpunktet for energilagringssystemet (P_sæt) skal opfylde:P_load(samlet belastningseffekt) =P_diesel+P_sæt.
  3. Hurtig justering: Når belastningen pludselig falder, hvilket forårsagerP_dieselFor at trenden skal gå i negativ retning, skal controlleren inden for få millisekunder sende en kommando til lagrings-PCS'en om øjeblikkeligt at reducere dens afladningseffekt eller skifte til absorptionseffekt (opladning). Dette absorberer den overskydende energi i batterierne og sikrerP_dieselforbliver positiv.
• Tekniske sikkerhedsforanstaltninger:
  • Højhastighedskommunikation: Højhastighedskommunikationsprotokoller (f.eks. CAN-bus, Fast Ethernet) er nødvendige mellem dieselcontrolleren, lagrings-PCS'en og systemets mastercontroller for at sikre minimal kommandoforsinkelse.
  • PCS hurtig respons: Moderne PCS-lagringsenheder har responstider, der er langt hurtigere end 100 ms, ofte inden for 10 ms, hvilket gør dem fuldt ud i stand til at opfylde dette krav.
  • Redundant beskyttelse: Ud over styreforbindelsen installeres der normalt et reverseringsrelæ ved dieselgeneratorens udgang som en sidste hardwarebarriere. Dets driftstid kan dog være et par hundrede millisekunder, så det fungerer primært som backupbeskyttelse; den hurtige kernebeskyttelse er afhængig af styresystemet.

2. Konstant effekt

Problembeskrivelse:
Dieselmotorer kører med maksimal brændstofeffektivitet og laveste emissioner inden for et belastningsområde på cirka 60%-80% af deres nominelle effekt. Lav belastning forårsager "våd stabling" og kulstofophobning, mens høj belastning øger brændstofforbruget drastisk og reducerer levetiden. Målet er at isolere dieselmotoren fra belastningsudsving og holde den stabil på et effektivt sætpunkt.

Løsning:

• Kontrolstrategi for "Peak Shaving and Valley Filling":
  1. Indstil basispunkt: Dieselgeneratorsættet drives med en konstant effekt, der er indstillet til dets optimale effektivitetspunkt (f.eks. 70 % af nominel effekt).
  2. Opbevaringsforordning:
     • Når belastningsbehov > diesel-sætpunkt: Den manglende effekt (P_load - P_diesel_set) suppleres af afladningen af ​​energilagringssystemet.
     • Når belastningsbehov < diesel-sætpunkt: Den overskydende effekt (P_diesel_sæt - P_belastning) absorberes af energilagringssystemets opladning.
• Systemfordele:
  • Dieselmotoren kører konsekvent med høj effektivitet og jævnt, hvilket forlænger dens levetid og reducerer vedligeholdelsesomkostningerne.
  • Energilagringssystemet udjævner drastiske belastningsudsving og forhindrer ineffektivitet og slid forårsaget af hyppige ændringer i dieselbelastningen.
  • Det samlede brændstofforbrug reduceres betydeligt.

3. Pludselig afbrydelse af energilagring

Problembeskrivelse:
Energilagringssystemet kan pludselig gå offline på grund af batterisvigt, PCS-fejl eller beskyttelsesudløsninger. Den strøm, der tidligere blev håndteret af lagringen (uanset om den genererede eller forbrugte), overføres øjeblikkeligt og fuldstændigt til dieselgeneratorsættet, hvilket skaber et massivt effektchok.

Risici:

• Hvis lageret afladede (understøttede lasten), overfører dets afbrydelse den fulde last til dieselmotoren, hvilket potentielt kan forårsage overbelastning, frekvensfald (hastighedsfald) og beskyttende nedlukning.
• Hvis lagringen opladede (absorberede overskydende strøm), efterlod afbrydelsen dieselmotorens overskydende strøm uden noget sted at gå hen, hvilket potentielt forårsager omvendt strøm og overspænding, hvilket også udløser en nedlukning.

Løsning:

• Diesel sidespinningsreserve: Dieselgeneratorsættet må ikke kun dimensioneres til dets optimale effektivitetspunkt. Det skal have dynamisk reservekapacitet. Hvis f.eks. den maksimale systembelastning er 1000 kW, og dieselen kører på 700 kW, skal dieselens nominelle kapacitet være større end 700 kW + den største potentielle trinbelastning (eller lagringens maksimale effekt), f.eks. en 1000 kW enhed valgt, hvilket giver en buffer på 300 kW til lagringsfejl.
• Hurtig belastningskontrol:
  1. Systemovervågning i realtid: Overvåger løbende status og strømforsyning i lagringssystemet.
  2. Fejldetektion: Ved detektering af en pludselig afbrydelse af lagringsspændingen sender masterstyringen straks et signal om hurtig belastningsreduktion til dieselstyringen.
  3. Dieselrespons: Dieselregulatoren reagerer øjeblikkeligt (f.eks. reducerer brændstofindsprøjtningen hurtigt) for at forsøge at sænke effekten for at matche den nye belastning. Den roterende reservekapacitet køber tid til denne langsommere mekaniske respons.
• Sidste udvej: Lastafbrydelse: Hvis effektchokket er for stort til, at dieselmotoren kan håndtere det, er den mest pålidelige beskyttelse at afbryde ikke-kritiske belastninger, hvor sikkerheden ved kritiske belastninger og selve generatoren prioriteres. En lastafbrydelsesplan er et vigtigt beskyttelseskrav i systemdesignet.

4. Problem med reaktiv effekt

Problembeskrivelse:
Reaktiv effekt bruges til at etablere magnetfelter og er afgørende for at opretholde spændingsstabilitet i vekselstrømssystemer. Både dieselgeneratoren og lagrings-PCS'en skal deltage i reguleringen af ​​reaktiv effekt.

• Dieselgenerator: Styrer reaktiv effekt og spænding ved at justere dens excitationsstrøm. Dens reaktive effektkapacitet er begrænset, og dens respons er langsom.
• Lagrings-PCS: De fleste moderne PCS-enheder er firekvadranter, hvilket betyder, at de uafhængigt og hurtigt kan injicere eller absorbere reaktiv effekt (forudsat at de ikke overstiger deres tilsyneladende effektklassificering kVA).

Udfordring: Hvordan man koordinerer begge dele for at sikre systemspændingsstabilitet uden at overbelaste nogen af ​​enhederne.

Løsning:

• Kontrolstrategier:
  1. Diesel styrer spændingen: Dieselgeneratorsættet er indstillet til V/F-tilstand, der er ansvarlig for at etablere systemets spændings- og frekvensreference. Det giver en stabil "spændingskilde".
  2. Opbevaring deltager i reaktiv regulering (valgfrit):
     • PQ-tilstand: Lagringen håndterer kun aktiv strøm (P), med reaktiv effekt (Q) sat til nul. Dieselmotoren leverer al reaktiv effekt. Dette er den enkleste metode, men den belaster dieselmotoren.
     • Reaktiv effektfordelingstilstand: Systemets mastercontroller sender kommandoer til reaktiv effekt (Q_sæt) til lager-PCS'en baseret på de aktuelle spændingsforhold. Hvis systemspændingen er lav, beordres lageret til at injicere reaktiv effekt; hvis den er høj, beordres den til at absorbere reaktiv effekt. Dette aflaster dieselmotoren, så den kan fokusere på aktiv effekt, samtidig med at den giver en finere og hurtigere spændingsstabilisering.
     • Effektfaktor (PF) kontroltilstand: En måleffektfaktor (f.eks. 0,95) indstilles, og lagringen justerer automatisk sin reaktive udgang for at opretholde en konstant samlet effektfaktor ved dieselgeneratorens terminaler.
• Kapacitetsovervejelser: Lager-PCS'en skal være dimensioneret med tilstrækkelig tilsyneladende effektkapacitet (kVA). For eksempel kan en 500 kW PCS, der yder 400 kW aktiv effekt, maksimalt givekvadratvolumen (500² - 400²) = 300 kVAraf reaktiv effekt. Hvis behovet for reaktiv effekt er højt, kræves en større PCS.

Oversigt

En vellykket stabil forbindelse mellem et dieselgeneratorsæt og energilagring afhænger af hierarkisk kontrol:

1. Hardwarelag: Vælg en hurtigtreagerende lagrings-PCS og en dieselgeneratorcontroller med højhastighedskommunikationsgrænseflader.
2. Kontrollag: Anvend en grundlæggende arkitektur med "Diesel indstiller V/F, lagring udfører PQ." En højhastighedssystemcontroller udfører realtidseffektfordeling for aktiv effekt "peak shaving/valley filling" og reaktiv effektunderstøttelse.
3. Beskyttelseslag: Systemdesignet skal omfatte omfattende beskyttelsesplaner: beskyttelse mod omvendt strømforsyning, overbelastningsbeskyttelse og strategier for belastningskontrol (selv belastningsafbrydelse) for at håndtere pludselig afbrydelse af lagring.

Gennem de ovenfor beskrevne løsninger kan de fire nøgleproblemer, du rejste, effektivt løses for at opbygge et effektivt, stabilt og pålideligt hybridkraftsystem med diesel-energilagring.