Analyse van het probleem van de koppeling tussen dieselgeneratorsets en energieopslag

Hier vindt u een gedetailleerde Engelstalige uitleg van de vier kernpunten met betrekking tot de koppeling van dieselgeneratorsets en energieopslagsystemen. Dit hybride energiesysteem (vaak een hybride microgrid "Diesel + Opslag" genoemd) is een geavanceerde oplossing voor het verbeteren van de efficiëntie, het verlagen van het brandstofverbruik en het garanderen van een stabiele stroomvoorziening, maar de besturing ervan is zeer complex.

Overzicht van kernproblemen

1. Probleem met 100ms omgekeerde stroomvoorziening: Hoe voorkom je dat energieopslag stroom teruglevert aan de dieselgenerator, zodat deze beschermd wordt.
2. Constant vermogen: Hoe u ervoor zorgt dat de dieselmotor consistent op het hoogste rendement blijft draaien.
3. Plotselinge uitval van energieopslag: Hoe om te gaan met de impact wanneer het energieopslagsysteem plotseling uit het netwerk valt.
4. Probleem met reactief vermogen: Hoe kan de verdeling van reactief vermogen tussen de twee bronnen worden gecoördineerd om de spanning stabiel te houden?

1. Het 100ms omgekeerde vermogensprobleem

Probleembeschrijving:
Omgekeerde stroom ontstaat wanneer elektrische energie van het energieopslagsysteem (of de belasting) terugstroomt naar de dieselgeneratorset. Voor de dieselmotor werkt dit als een "motor", die de motor aandrijft. Dit is extreem gevaarlijk en kan leiden tot:

• Mechanische schade: Door een abnormale werking van de motor kunnen onderdelen zoals de krukas en de drijfstangen beschadigd raken.
• Systeeminstabiliteit: Veroorzaakt schommelingen in het toerental (frequentie) en de spanning van de dieselmotor, wat kan leiden tot uitval.

De vereiste om dit binnen 100 ms op te lossen bestaat omdat dieselgeneratoren een grote mechanische traagheid hebben en hun snelheidsregelsystemen traag reageren (meestal binnen enkele seconden). Ze kunnen niet op zichzelf vertrouwen om deze elektrische terugstroom snel te onderdrukken. De taak moet worden uitgevoerd door het ultrasnel reagerende Power Conversion System (PCS) van het energieopslagsysteem.

Oplossing:

• Kernprincipe: "Diesel leidt, opslag volgt." In het hele systeem fungeert de dieselgeneratorset als referentiebron voor spanning en frequentie (d.w.z. V/F-regelmodus), analoog aan het "net". Het energieopslagsysteem werkt in de Constant Power (PQ)-regelmodus, waarbij het uitgangsvermogen uitsluitend wordt bepaald door opdrachten van een hoofdcontroller.
• Besturingslogica:
  1. Realtime monitoring: de systeemmastercontroller (of het opslag-PCS zelf) bewaakt het uitgangsvermogen (P_diesel) en de richting van de dieselgenerator in real-time met een zeer hoge snelheid (bijvoorbeeld duizenden keren per seconde).
  2. Vermogenssetpoint: Het vermogenssetpoint voor het energieopslagsysteem (P_set) moet voldoen aan:P_load(totaal laadvermogen) =P_diesel+P_set.
  3. Snelle aanpassing: Wanneer de belasting plotseling afneemt, waardoorP_dieselOm een ​​negatieve trend te bereiken, moet de controller binnen enkele milliseconden een commando naar de opslag-PCS sturen om onmiddellijk het ontlaadvermogen te verminderen of over te schakelen naar het absorberen van vermogen (laden). Dit absorbeert de overtollige energie in de batterijen, waardoorP_dieselblijft positief.
• Technische waarborgen:
  • Snelle communicatie: tussen de dieselcontroller, de opslag-PCS en de systeemmastercontroller zijn snelle communicatieprotocollen (bijvoorbeeld CAN-bus en Fast Ethernet) vereist om minimale opdrachtvertraging te garanderen.
  • Snelle reactietijd van PCS: Moderne PCS-opslagunits hebben een reactietijd van veel korter dan 100 ms, vaak zelfs binnen 10 ms. Daarmee voldoen ze volledig aan deze vereiste.
  • Redundante beveiliging: Naast de besturingsverbinding wordt meestal een relais voor beveiliging tegen omgekeerde stroomtoevoer geïnstalleerd bij de uitgang van de dieselgenerator als laatste hardwarematige barrière. De bedrijfstijd kan echter enkele honderden milliseconden bedragen, dus het dient voornamelijk als back-upbeveiliging; de snelle kernbeveiliging is afhankelijk van het besturingssysteem.

2. Constant uitgangsvermogen

Probleembeschrijving:
Dieselmotoren werken met maximale brandstofefficiëntie en de laagste emissies binnen een belastingsbereik van ongeveer 60%-80% van hun nominale vermogen. Lage belastingen veroorzaken "natte stapeling" en koolstofafzetting, terwijl hoge belastingen het brandstofverbruik drastisch verhogen en de levensduur verkorten. Het doel is om de diesel te isoleren van belastingsfluctuaties en deze stabiel te houden op een efficiënte setpoint.

Oplossing:

• Strategie voor het beheersen van ‘piekafvlakking en dalvulling’:
  1. Basispunt instellen: De dieselgeneratorset wordt bedreven met een constant vermogen dat is ingesteld op het optimale efficiëntiepunt (bijv. 70% van het nominale vermogen).
  2. Opslagregulering:
     • Als de belastingvraag > dieselinstelpunt: het onvoldoende vermogen (P_load - P_diesel_set) wordt aangevuld door het ontladen van het energieopslagsysteem.
     • Wanneer de belastingvraag < dieselinstelpunt: het overtollige vermogen (P_diesel_set - P_belasting) wordt geabsorbeerd door het opladen van het energieopslagsysteem.
• Systeemvoordelen:
  • De dieselmotor draait consistent met een hoog rendement en soepel, waardoor de levensduur wordt verlengd en de onderhoudskosten worden verlaagd.
  • Het energieopslagsysteem vangt sterke schommelingen in de belasting op en voorkomt zo inefficiëntie en slijtage als gevolg van frequente wisselingen van de dieselbelasting.
  • Het totale brandstofverbruik is aanzienlijk lager.

3. Plotselinge ontkoppeling van energieopslag

Probleembeschrijving:
Het energieopslagsysteem kan plotseling offline gaan door een batterijstoring, een storing in het PCS of een beveiligingsfout. De stroom die voorheen door de opslag werd verwerkt (hetzij voor opwekking, hetzij voor verbruik), wordt onmiddellijk volledig overgedragen naar de dieselgeneratorset, wat een enorme stroomstoot veroorzaakt.

Risico's:

• Als de opslag aan het ontladen was (de belasting ondersteunde), wordt bij het loskoppelen de volledige belasting naar de diesel overgebracht. Dit kan overbelasting, frequentiedaling (snelheid) en een beschermende uitschakeling tot gevolg hebben.
• Als de opslag aan het opladen was (en dus overtollige stroom absorbeerde), kan de overtollige stroom van de dieselmotor door het loskoppelen nergens heen. Dit kan leiden tot omgekeerde stroomtoevoer en overspanning, wat ook een uitschakeling veroorzaakt.

Oplossing:

• Diesel Side Spinning Reserve: De dieselgeneratorset mag niet alleen worden gedimensioneerd op het optimale efficiëntiepunt. Hij moet dynamische reservecapaciteit hebben. Als de maximale systeembelasting bijvoorbeeld 1000 kW is en de diesel op 700 kW draait, moet het nominale vermogen van de diesel groter zijn dan 700 kW + de grootste potentiële stapbelasting (of het maximale vermogen van de opslag). Bijvoorbeeld, een 1000 kW-unit wordt geselecteerd, wat een buffer van 300 kW biedt voor een storing in de opslag.
• Snelle lastcontrole:
  1. Realtime systeembewaking: bewaakt continu de status en de energiestroom van het opslagsysteem.
  2. Storingsdetectie: Zodra een plotselinge onderbreking van de opslag wordt gedetecteerd, stuurt de mastercontroller onmiddellijk een snel signaal voor belastingreductie naar de dieselcontroller.
  3. Dieselrespons: De dieselregelaar reageert onmiddellijk (bijvoorbeeld door de brandstofinjectie snel te verlagen) om het vermogen te verlagen en zo aan de nieuwe belasting aan te passen. De draaiende reservecapaciteit creëert tijd voor deze tragere mechanische respons.
• Laatste redmiddel: lastafschakeling: Als de stroomschok te groot is voor de dieselmotor, is de meest betrouwbare bescherming het afschakelen van niet-kritieke belastingen, waarbij de veiligheid van kritieke belastingen en de generator zelf voorop staat. Een lastafschakelingssysteem is een essentiële beveiligingseis in het systeemontwerp.

4. Probleem met reactief vermogen

Probleembeschrijving:
Blindvermogen wordt gebruikt om magnetische velden op te wekken en is cruciaal voor het handhaven van de spanningsstabiliteit in wisselstroomsystemen. Zowel de dieselgenerator als de opslag-PCS moeten deelnemen aan de regeling van het blindvermogen.

• Dieselgenerator: Regelt het reactieve vermogen en de spanning door de excitatiestroom aan te passen. Het reactieve vermogen is beperkt en de reactiesnelheid is traag.
• Opslag-PCS: De meeste moderne PCS-eenheden zijn vierkwadranten. Dit betekent dat ze onafhankelijk en snel reactief vermogen kunnen injecteren of absorberen (op voorwaarde dat het schijnbare vermogen in kVA niet wordt overschreden).

Uitdaging: Hoe kunnen we beide op elkaar afstemmen om de systeemspanning stabiel te houden zonder dat een van beide units overbelast raakt?

Oplossing:

• Controlestrategieën:
  1. Diesel regelt de spanning: De dieselgeneratorset is ingesteld op de V/F-modus, die verantwoordelijk is voor het bepalen van de spannings- en frequentiereferentie van het systeem. Dit zorgt voor een stabiele "spanningsbron".
  2. Opslag neemt deel aan reactieve regulatie (optioneel):
     • PQ-modus: De opslag verwerkt alleen het actieve vermogen (P), met reactief vermogen (Q) op nul gezet. De diesel levert al het reactieve vermogen. Dit is de eenvoudigste methode, maar belast de diesel.
     • Reactieve vermogensverzendingsmodus: de systeemmastercontroller verzendt opdrachten voor reactief vermogen (Q_set) naar de opslag-PCS op basis van de huidige spanningsomstandigheden. Als de systeemspanning laag is, geef dan de opslag opdracht om reactief vermogen te injecteren; als de systeemspanning hoog is, geef dan de opslag opdracht om reactief vermogen te absorberen. Dit ontlast de diesel, waardoor deze zich kan concentreren op de actieve vermogensafgifte, terwijl de spanning nauwkeuriger en sneller wordt gestabiliseerd.
     • Power Factor (PF)-regelmodus: Er wordt een doelvermogensfactor (bijv. 0,95) ingesteld en de opslag past automatisch de reactieve uitvoer aan om een ​​constante algehele vermogensfactor bij de aansluitingen van de dieselgenerator te handhaven.
• Capaciteitsoverwegingen: De opslag-PCS moet voldoende schijnbaar vermogen (kVA) hebben. Een PCS van 500 kW met een actief vermogen van 400 kW kan bijvoorbeeld maximaal 400 kW leveren.sqrt(500² - 400²) = 300 kVArvan reactief vermogen. Als de vraag naar reactief vermogen hoog is, is een grotere PCS vereist.

Samenvatting

Het succesvol bereiken van een stabiele verbinding tussen een dieselgeneratorset en energieopslag hangt af van hiërarchische controle:

1. Hardwarelaag: Selecteer een snel reagerende opslag-PCS en een dieselgeneratorcontroller met snelle communicatie-interfaces.
2. Besturingslaag: Gebruik een fundamentele architectuur van "Diesel bepaalt V/F, opslag zorgt voor PQ". Een supersnelle systeemcontroller voert realtime vermogensverdeling uit voor actieve vermogens "piekafvlakking/dalvulling" en reactieve vermogensondersteuning.
3. Beschermingslaag: Het systeemontwerp moet uitgebreide beschermingsplannen bevatten: strategieën voor beveiliging tegen omgekeerde stroomtoevoer, overbelasting en lastregeling (zelfs lastafschakeling) om plotselinge uitschakeling van de opslag op te vangen.

Met de hierboven beschreven oplossingen kunnen de vier door u genoemde problemen effectief worden aangepakt om een ​​efficiënt, stabiel en betrouwbaar hybride dieselenergiesysteem te bouwen.