Nyheter - Analys av problemet med kopplingen mellan dieselgeneratorer och energilagring

Här är en detaljerad engelsk förklaring av de fyra kärnfrågorna gällande sammankoppling av dieselgeneratorer och energilagringssystem. Detta hybridenergisystem (ofta kallat ett hybridmikronät "Diesel + Storage") är en avancerad lösning för att förbättra effektiviteten, minska bränsleförbrukningen och säkerställa stabil strömförsörjning, men dess styrning är mycket komplex.

Översikt över kärnproblem

100ms omvänd effektproblem: Hur man förhindrar att energilagring matar tillbaka ström till dieselgeneratorn och därmed skyddar den.
Konstant effekt: Hur man håller dieselmotorn igång konsekvent i sin högeffektiva zon.
Plötslig frånkoppling av energilagring: Hur man hanterar effekterna när energilagringssystemet plötsligt faller från nätverket.
Problem med reaktiv effekt: Hur man koordinerar delning av reaktiv effekt mellan de två källorna för att säkerställa spänningsstabilitet.

1. Problemet med 100ms omvänd effekt

Problembeskrivning:
Omvänd effekt uppstår när elektrisk energi flyter från energilagringssystemet (eller lasten) tillbaka mot dieselgeneratorn. För dieselmotorn fungerar detta som en "motor" som driver motorn. Detta är extremt farligt och kan leda till:

Mekaniska skador: Onormal drift av motorn kan skada komponenter som vevaxeln och vevstakar.
Systeminstabilitet: Orsakar fluktuationer i dieselmotorns varvtal (frekvens) och spänning, vilket potentiellt kan leda till avstängning.

Kravet att lösa det inom 100 ms finns eftersom dieselgeneratorer har stor mekanisk tröghet och deras hastighetsreglerande system svarar långsamt (vanligtvis i storleksordningen sekunder). De kan inte lita på sig själva för att snabbt undertrycka detta elektriska bakflöde. Uppgiften måste hanteras av det ultrasnabba kraftomvandlingssystem (PCS) i energilagringssystemet.

Lösning:

Kärnprincip: ”Diesel leder, lagring följer.” I hela systemet fungerar dieselgeneratoraggregatet som spännings- och frekvensreferenskälla (dvs. V/F-styrläge), analogt med ”nätet”. Energilagringssystemet arbetar i konstant effekt (PQ) styrläge, där dess uteffekt enbart bestäms av kommandon från en huvudstyrenhet.
Kontrolllogik:
1. Realtidsövervakning: Systemets huvudstyrenhet (eller själva lagrings-PCS:en) övervakar uteffekten (P_diesel) och riktningen för dieselgeneratorn i realtid med mycket hög hastighet (t.ex. tusentals gånger per sekund).
2. Effektbörvärde: Effektbörvärdet för energilagringssystemet (P_set) måste uppfylla:P_load(total belastningseffekt) =P_diesel+P_set.
3. Snabbjustering: När belastningen plötsligt minskar, vilket orsakarP_dieselFör att trenden ska gå negativt måste regulatorn inom några millisekunder skicka ett kommando till lagrings-PCS:en att omedelbart minska sin urladdningseffekt eller växla till absorptionseffekt (laddning). Detta absorberar överskottsenergin i batterierna, vilket säkerställerP_dieselförblir positiv.
Tekniska skyddsåtgärder:
- Höghastighetskommunikation: Höghastighetskommunikationsprotokoll (t.ex. CAN-buss, snabbt Ethernet) krävs mellan dieselstyrenheten, lagrings-PCS och systemets huvudstyrenhet för att säkerställa minimal kommandofördröjning.
- PCS snabb respons: Moderna PCS-lagringsenheter har svarstider som är mycket snabbare än 100 ms, ofta inom 10 ms, vilket gör dem fullt kapabla att uppfylla detta krav.
- Redundant skydd: Utöver styrlänken installeras vanligtvis ett relä för skydd mot omvänd effekt vid dieselgeneratorns utgång som en sista hårdvarubarriär. Dess drifttid kan dock vara några hundra millisekunder, så det fungerar främst som reservskydd; kärnans snabba skydd är beroende av styrsystemet.

2. Konstant uteffekt

Problembeskrivning:
Dieselmotorer arbetar med maximal bränsleeffektivitet och lägsta utsläpp inom ett belastningsområde på cirka 60–80 % av sin nominella effekt. Låg belastning orsakar "våt stapling" och kolavlagringar, medan hög belastning drastiskt ökar bränsleförbrukningen och minskar livslängden. Målet är att isolera dieselmotorn från belastningsfluktuationer och hålla den stabil vid ett effektivt börvärde.

Lösning:

Kontrollstrategi för "Toppavjämning och dalfyllning":
1. Inställd baspunkt: Dieselgeneratoraggregatet drivs med en konstant uteffekt inställd på dess optimala verkningsgradspunkt (t.ex. 70 % av nominell effekt).
2. Lagringsförordning:
  - När lastbehov > dieselbörvärde: Den bristande effekten (P_last - P_diesel_set) kompletteras genom att energilagringssystemet urladdas.
  - När lastbehov < dieselbörvärde: Överskottseffekten (P_diesel_set - P_load) absorberas av energilagringssystemets laddning.
Systemfördelar:
- Dieselmotorn går konsekvent med hög effektivitet och smidigt, vilket förlänger dess livslängd och minskar underhållskostnaderna.
- Energilagringssystemet jämnar ut drastiska belastningsfluktuationer och förhindrar ineffektivitet och slitage som orsakas av frekventa belastningsförändringar i dieselmotorn.
- Den totala bränsleförbrukningen minskas avsevärt.

3. Plötslig frånkoppling av energilagring

Problembeskrivning:
Energilagringssystemet kan plötsligt sluta fungera på grund av batterifel, PCS-fel eller skyddsutlösningar. Den kraft som tidigare hanterades av lagringssystemet (oavsett om det genererades eller förbrukades) överförs omedelbart helt till dieselgeneratorn, vilket skapar en massiv kraftchock.

Risker:

Om lagringen urladdade (stödde lasten) överförs hela lasten till dieseln när den frånkopplades, vilket potentiellt kan orsaka överbelastning, frekvens- (hastighets-) fall och skyddsavstängning.
Om lagringen laddades (absorberade överskottseffekt) lämnar dess frånkoppling dieselns överskottseffekt utan någonstans att ta vägen, vilket potentiellt kan orsaka omvänd effekt och överspänning, vilket också utlöser en avstängning.

Lösning:

Dieselsidans rotationsreserv: Dieselgeneratoraggregatet får inte dimensioneras endast för sin optimala verkningsgrad. Det måste ha dynamisk reservkapacitet. Till exempel, om den maximala systembelastningen är 1000 kW och dieseln går på 700 kW, måste dieselns nominella kapacitet vara större än 700 kW + den största potentiella stegbelastningen (eller lagringens maximala effekt), t.ex. en vald 1000 kW-enhet, vilket ger en buffert på 300 kW för ett lagringsfel.
Snabb lastkontroll:
1. Systemövervakning i realtid: Övervakar kontinuerligt status och strömflöde i lagringssystemet.
2. Feldetektering: Vid detektering av ett plötsligt frånkoppling av lagringsspänningen skickar huvudstyrenheten omedelbart en signal för snabb lastreducering till dieselstyrenheten.
3. Dieselrespons: Dieselregulatorn agerar omedelbart (t.ex. genom att snabbt minska bränsleinsprutningen) för att försöka sänka effekten för att matcha den nya belastningen. Den roterande reservkapaciteten köper tid för denna långsammare mekaniska respons.
Sista utväg: Lastavkoppling: Om effektchocken är för stor för dieselmotorn att hantera, är det mest tillförlitliga skyddet att avkoppla icke-kritiska laster, med prioritet för säkerheten för kritiska laster och själva generatorn. Ett lastavkopplingssystem är ett viktigt skyddskrav i systemdesignen.

4. Problem med reaktiv effekt

Problembeskrivning:
Reaktiv effekt används för att skapa magnetfält och är avgörande för att upprätthålla spänningsstabilitet i växelströmssystem. Både dieselgeneratorn och lagringskretsen (PCS) behöver delta i regleringen av reaktiv effekt.

Dieselgenerator: Styr reaktiv effekt och spänning genom att justera dess excitationsström. Dess reaktiva effektkapacitet är begränsad och dess respons är långsam.
Lagrings-PCS: De flesta moderna PCS-enheter är fyrkvadranter, vilket innebär att de självständigt och snabbt kan injicera eller absorbera reaktiv effekt (förutsatt att de inte överskrider sin skenbara effektklassning kVA).

Utmaning: Hur man koordinerar båda för att säkerställa systemspänningsstabilitet utan att överbelasta någon av enheterna.

Lösning:

Kontrollstrategier:
1. Diesel styr spänningen: Dieselgeneratorn är inställd på V/F-läge, vilket ansvarar för att etablera systemets spännings- och frekvensreferens. Den tillhandahåller en stabil "spänningskälla".
2. Lagring deltar i reaktiv reglering (valfritt):
  - PQ-läge: Lagringen hanterar endast aktiv effekt (P), med reaktiv effekt (Q) inställd på noll. Dieselmotorn tillhandahåller all reaktiv effekt. Detta är den enklaste metoden men belastar dieselmotorn.
  - Reaktiv effektdispatchläge: Systemets huvudstyrenhet skickar kommandon för reaktiv effekt (Q_set) till lagrings-PCS baserat på aktuella spänningsförhållanden. Om systemspänningen är låg, beordra lagringsenheten att injicera reaktiv effekt; om den är hög, beordra den att absorbera reaktiv effekt. Detta avlastar dieselmotorn och gör att den kan fokusera på aktiv effekt, samtidigt som spänningsstabiliseringen blir finare och snabbare.
  - Styrläge för effektfaktor (PF): En måleffektfaktor (t.ex. 0,95) ställs in, och lagringen justerar automatiskt sin reaktiva utgång för att bibehålla en konstant total effektfaktor vid dieselgeneratorns terminaler.
Kapacitetsöverväganden: Lagrings-PCS:n måste vara dimensionerad med tillräcklig synbar effektkapacitet (kVA). Till exempel kan en 500 kW PC som levererar 400 kW aktiv effekt ge maximaltkvadratmeter (500² - 400²) = 300 kVArav reaktiv effekt. Om behovet av reaktiv effekt är högt krävs en större PCS.

Sammanfattning

Att framgångsrikt uppnå en stabil sammankoppling mellan en dieselgenerator och energilagring hänger på hierarkisk styrning:

Hårdvarulager: Välj ett snabbt svarande lagrings-PCS och en dieselgeneratorstyrenhet med höghastighetskommunikationsgränssnitt.
Kontrolllager: Använd en grundläggande arkitektur med "Diesel sätter V/F, lagring gör PQ." En höghastighetssystemstyrenhet utför realtidseffektfördelning för aktiv effekt "toppskärning/dalfyllning" och reaktiv effektstöd.
Skyddslager: Systemdesignen måste innehålla omfattande skyddsplaner: skydd mot omvänd strömförsörjning, överbelastningsskydd och strategier för lastkontroll (även lastfrånkoppling) för att hantera plötslig frånkoppling av lagring.

Genom de lösningar som beskrivs ovan kan de fyra huvudfrågor du tog upp effektivt åtgärdas för att bygga ett effektivt, stabilt och tillförlitligt hybridkraftsystem med diesel-energilagring.