Uutiset - Dieselgeneraattorien ja energian varastoinnin välisen kytkentäongelman analyysi

Tässä on yksityiskohtainen englanninkielinen selitys neljästä keskeisestä kysymyksestä, jotka koskevat dieselgeneraattoreiden ja energian varastointijärjestelmien yhteenliittämistä. Tämä hybridienergiajärjestelmä (jota usein kutsutaan "diesel + varastointi" -hybridimikroverkoksi) on edistynyt ratkaisu tehokkuuden parantamiseen, polttoaineenkulutuksen vähentämiseen ja vakaan virransyötön varmistamiseen, mutta sen ohjaus on erittäin monimutkaista.

Ydinongelmien yleiskatsaus

100 ms:n vastavirtaongelma: Kuinka estää energian varastointi syöttämästä virtaa takaisin dieselgeneraattoriin ja siten suojata sitä.
Vakioteho: Kuinka pitää dieselmoottori käynnissä jatkuvasti korkean hyötysuhteen alueella.
Energian varastoinnin äkillinen katkaisu: Miten käsitellä energian varastointijärjestelmän äkillisen verkosta irtoamisen vaikutusta.
Loistehon ongelma: Kuinka koordinoida loistehon jakamista kahden lähteen välillä jännitteen vakauden varmistamiseksi.

1. 100 ms:n vastavirtaongelma

Ongelman kuvaus:
Käänteinen teho syntyy, kun sähköenergia virtaa energian varastointijärjestelmästä (tai kuormasta) takaisin dieselgeneraattoria kohti. Dieselmoottorissa tämä toimii kuin "moottori", joka pyörittää moottoria. Tämä on erittäin vaarallista ja voi johtaa:

Mekaaniset vauriot: Moottorin epänormaali käyttö voi vahingoittaa komponentteja, kuten kampiakselia ja kiertokankia.
Järjestelmän epävakaus: Aiheuttaa dieselmoottorin nopeuden (taajuuden) ja jännitteen vaihteluita, mikä voi johtaa moottorin sammumiseen.

Vaatimus ratkaista se 100 millisekunnin sisällä on olemassa, koska dieselgeneraattoreilla on suuri mekaaninen inertia ja niiden nopeudensäätöjärjestelmät reagoivat hitaasti (tyypillisesti sekuntien luokkaa). Ne eivät voi luottaa siihen, että ne pystyvät nopeasti vaimentamaan tätä sähköistä takaisinvirtausta. Tehtävä on hoidettava energian varastointijärjestelmän erittäin nopeasti reagoivalla tehonmuunnosjärjestelmällä (PCS).

Ratkaisu:

Ydinperiaate: ”Diesel johtaa, varastointi seuraa.” Koko järjestelmässä dieselgeneraattori toimii jännite- ja taajuusreferenssilähteenä (eli V/F-ohjaustilassa) analogisesti ”sähköverkon” kanssa. Energian varastointijärjestelmä toimii vakiotehon (PQ) ohjaustilassa, jossa sen lähtötehon määräävät yksinomaan pääohjaimen komennot.
Ohjauslogiikka:
1. Reaaliaikainen valvonta: Järjestelmän pääohjain (tai itse tallennustietokoneen ohjain) valvoo lähtötehoa (P_diesel) ja dieselgeneraattorin suunta reaaliajassa erittäin suurella nopeudella (esim. tuhansia kertoja sekunnissa).
2. Tehon asetusarvo: Energian varastointijärjestelmän tehon asetusarvo (P_sarja) on täytettävä seuraavat ehdot:P_kuorma(kokonaiskuorman teho) =P_diesel+P_sarja.
3. Nopea säätö: Kun kuormitus laskee äkillisesti, mikä aiheuttaaP_dieselnegatiiviseen trendiin, ohjaimen on muutaman millisekunnin kuluessa lähetettävä komento varastointijärjestelmälle (PCS) vähentää välittömästi purkaustehon tai siirtyä absorboivaan tehoon (lataukseen). Tämä absorboi ylimääräisen energian akkuihin varmistaenP_dieselpysyy positiivisena.
Tekniset suojatoimet:
- Nopea tiedonsiirto: Dieselohjaimen, tallennusjärjestelmän PCS:n ja järjestelmän pääohjaimen välillä tarvitaan nopeita tiedonsiirtoprotokollia (esim. CAN-väylä, nopea Ethernet), jotta komentoviive on mahdollisimman pieni.
- PCS-pikavaste: Nykyaikaisilla PCS-tallennusyksiköillä on virransyötön vasteaika paljon nopeampi kuin 100 ms, usein 10 ms:n sisällä, joten ne pystyvät täysin täyttämään tämän vaatimuksen.
- Redundantti suojaus: Ohjauslinkin jälkeen dieselgeneraattorin lähtöön asennetaan yleensä vastavirtasuojarele viimeisenä laitteistoesteenä. Sen toiminta-aika voi kuitenkin olla muutamia satoja millisekunteja, joten se toimii ensisijaisesti varmuussuojana; ydinpikasuojaus on riippuvainen ohjausjärjestelmästä.

2. Jatkuva teho

Ongelman kuvaus:
Dieselmoottorit toimivat polttoainetehokkuudellaan ja alhaisimmilla päästöillään noin 60–80 %:n nimellistehollaan. Alhaiset kuormitukset aiheuttavat "märkäpinoamista" ja hiilen kertymistä, kun taas suuret kuormitukset lisäävät merkittävästi polttoaineenkulutusta ja lyhentävät käyttöikää. Tavoitteena on eristää diesel kuormituksen vaihteluista ja pitää se vakaana tehokkaassa asetusarvossa.

Ratkaisu:

”Huippujen höyläys ja laaksojen täyttö” -valvontastrategia:
1. Asetettu peruspiste: Dieselgeneraattoria käytetään vakioteholla, joka on asetettu optimaaliseen hyötysuhteeseen (esim. 70 % nimellistehosta).
2. Säilytysasetus:
  - Kun kuormituskysymys > dieselin asetusarvo: Puutteellinen teho (P_kuorma - P_diesel_sarja) täydennetään energian varastointijärjestelmän purkamisella.
  - Kun kuormituskysymys < dieselin asetusarvo: Ylimääräinen teho (P_diesel_sarja - P_kuorma) absorboituu energian varastointijärjestelmän lataukseen.
Järjestelmän edut:
- Dieselmoottori käy tasaisesti ja tehokkaasti, mikä pidentää sen käyttöikää ja vähentää huoltokustannuksia.
- Energian varastointijärjestelmä tasoittaa rajuja kuormitusvaihteluita estäen tehottomuuden ja kulumisen, jotka johtuvat usein tapahtuvista dieselkuorman muutoksista.
- Kokonaispolttoaineenkulutus pienenee merkittävästi.

3. Energian varastoinnin äkillinen katkaisu

Ongelman kuvaus:
Energian varastointijärjestelmä voi yhtäkkiä katketa akun vian, PCS-vian tai suojauslaukaisun vuoksi. Varaston aiemmin käsittelemä teho (joko tuottamalla tai kuluttamalla) siirtyy välittömästi kokonaan dieselgeneraattoriin, mikä aiheuttaa massiivisen sähköiskun.

Riskit:

Jos varasto purkautui (kannatti kuormaa), sen irtikytkentä siirtää täyden kuorman dieselille, mikä voi aiheuttaa ylikuormituksen, taajuuden (nopeuden) laskun ja suojakatkoksen.
Jos akku latautui (absorboi ylimääräistä tehoa), sen irtikytkentä jättää dieselin ylimääräisen tehon ilman paikkaa, mikä voi aiheuttaa vastavirtaa ja ylijännitettä, jotka myös laukaisevat sammumisen.

Ratkaisu:

Dieselpuolen pyörimisreservi: Dieselgeneraattoria ei saa mitoittaa vain sen optimaalisen hyötysuhteen mukaan. Siinä on oltava dynaamista varakapasiteettia. Esimerkiksi jos järjestelmän enimmäiskuormitus on 1000 kW ja diesel käy 700 kW:n teholla, dieselin nimellistehon on oltava suurempi kuin 700 kW + suurin mahdollinen askelkuorma (tai varaston maksimiteho), esim. valittaessa 1000 kW:n yksikkö, joka tarjoaa 300 kW:n puskurin varastovian varalta.
Nopea kuormituksen hallinta:
1. Järjestelmän reaaliaikainen valvonta: Valvoo jatkuvasti tallennusjärjestelmän tilaa ja virrankulutusta.
2. Viantunnistus: Havaittuaan äkillisen varastoinnin katkaisun pääohjain lähettää välittömästi nopean kuormituksen vähennyssignaalin dieselohjaimelle.
3. Dieselin vaste: Dieselin ohjain toimii välittömästi (esim. vähentämällä polttoaineen ruiskutusta nopeasti) yrittääkseen alentaa tehoa vastaamaan uutta kuormitusta. Pyörivä varakapasiteetti ostaa aikaa tälle hitaammalle mekaaniselle vasteelle.
Viimeinen keino: Kuormituksen irrotus: Jos sähköisku on liian suuri dieselin käsiteltäväksi, luotettavin suojaus on irrottaa ei-kriittiset kuormat, priorisoimalla kriittisten kuormien ja itse generaattorin turvallisuutta. Kuormituksen irrotusjärjestelmä on olennainen suojausvaatimus järjestelmän suunnittelussa.

4. Loistehon ongelma

Ongelman kuvaus:
Loistehon avulla luodaan magneettikenttiä, ja se on ratkaisevan tärkeää vaihtovirtajärjestelmien jännitteen vakauden ylläpitämiseksi. Sekä dieselgeneraattorin että varastoivan PCS:n on osallistuttava loistehon säätöön.

Dieselgeneraattori: Ohjaa loistehon tuottoa ja jännitettä säätämällä herätevirtaansa. Sen loistehon kapasiteetti on rajallinen ja sen vaste on hidas.
Varastointi-PCS: Useimmat nykyaikaiset PCS-yksiköt ovat nelikvadranttisia, mikä tarkoittaa, että ne voivat itsenäisesti ja nopeasti syöttää tai absorboida loistehon (edellyttäen, että ne eivät ylitä näennäistehoaan kVA).

Haaste: Miten koordinoida molemmat järjestelmän jännitteen vakauden varmistamiseksi ilman, että kumpaakaan yksikköä ylikuormitetaan.

Ratkaisu:

Ohjausstrategiat:
1. Diesel säätelee jännitettä: Dieselgeneraattori on asetettu V/F-tilaan, joka vastaa järjestelmän jännite- ja taajuusreferenssin määrittämisestä. Se tarjoaa vakaan "jännitelähteen".
2. Varastointi osallistuu reaktiiviseen säätelyyn (valinnainen):
  - PQ-tila: Tallennustila käsittelee vain aktiivista virtaa (P), loistehon kanssa (Q) asetettu nollaan. Diesel tuottaa kaiken loistehon. Tämä on yksinkertaisin menetelmä, mutta kuormittaa dieseliä.
  - Loistehon lähetystila: Järjestelmän pääohjain lähettää loistehon komentoja (Q_set) varastointijärjestelmän PCS:lle vallitsevien jänniteolosuhteiden perusteella. Jos järjestelmän jännite on matala, anna varastolle käsky syöttää loistehon; jos se on korkea, anna sille käsky absorboida loistehon. Tämä keventää dieselmoottorin kuormitusta ja antaa sen keskittyä pätötehon tuottamiseen samalla, kun jännitteen vakauttaminen on tarkempaa ja nopeampaa.
  - Tehokertoimen (PF) säätötila: Asetetaan tavoitetehokerroin (esim. 0,95), ja varastointi säätää automaattisesti loistehonsa pitääkseen kokonaistehokertoimen vakiona dieselgeneraattorin liittimissä.
Kapasiteetti huomioon ottaen: Varastointijärjestelmän on oltava mitoitettu riittävän näennäistehokapasiteetilla (kVA). Esimerkiksi 500 kW:n järjestelmä, jonka pätöteho on 400 kW, voi tuottaa enintäänneliöjuuri(500² - 400²) = 300 kVArloistehon. Jos loistehon tarve on suuri, tarvitaan suurempi loistehon kytkentärasia.

Yhteenveto

Dieselgeneraattorin ja energian varastoinnin välisen vakaan yhteenliitännän onnistuminen riippuu hierarkkisesta ohjauksesta:

Laitteistokerros: Valitse nopeasti reagoiva tallennusjärjestelmä ja dieselgeneraattorin ohjain, jossa on nopeat tietoliikenneliitännät.
Ohjauskerros: Käytä perusarkkitehtuuria, jossa "Diesel asettaa jännite- ja tehoasetukset, varastointi hoitaa virranlaadun". Nopea järjestelmäohjain suorittaa reaaliaikaisen tehonjaon pätötehon "huippujen ajon/laaksojen täyttö" ja loistehon tuen osalta.
Suojauskerros: Järjestelmäsuunnittelun on sisällettävä kattavat suojaussuunnitelmat: käänteisen virransyötön suojaus, ylikuormitussuojaus ja kuormanhallintastrategiat (jopa kuorman irrotus) tallennustilan äkillisen irtikytkennän käsittelemiseksi.

Yllä kuvattujen ratkaisujen avulla esiin nostamasi neljä keskeistä ongelmaa voidaan tehokkaasti ratkaista tehokkaan, vakaan ja luotettavan dieselkäyttöisen hybridijärjestelmän rakentamiseksi.