Tin tức - Phân tích vấn đề liên kết giữa tổ máy phát điện diesel và hệ thống lưu trữ năng lượng

Dưới đây là phần giải thích chi tiết bằng tiếng Anh về bốn vấn đề cốt lõi liên quan đến việc kết nối các tổ máy phát điện diesel và hệ thống lưu trữ năng lượng. Hệ thống năng lượng lai này (thường được gọi là lưới điện siêu nhỏ lai “Diesel + Lưu trữ”) là một giải pháp tiên tiến giúp cải thiện hiệu suất, giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và đảm bảo nguồn điện ổn định, nhưng việc điều khiển lại rất phức tạp.

Tổng quan về các vấn đề cốt lõi

Vấn đề về nguồn điện ngược 100ms: Làm thế nào để ngăn chặn bộ lưu trữ năng lượng cung cấp điện ngược cho máy phát điện diesel, do đó bảo vệ được máy.
Công suất đầu ra không đổi: Cách giữ cho động cơ diesel hoạt động ổn định trong vùng hiệu suất cao.
Ngắt kết nối đột ngột hệ thống lưu trữ năng lượng: Cách xử lý tác động khi hệ thống lưu trữ năng lượng đột ngột mất kết nối mạng.
Bài toán công suất phản kháng: Làm thế nào để phối hợp chia sẻ công suất phản kháng giữa hai nguồn để đảm bảo ổn định điện áp.

1. Vấn đề công suất ngược 100ms

Mô tả vấn đề:
Công suất ngược xảy ra khi năng lượng điện chạy ngược từ hệ thống lưu trữ năng lượng (hoặc tải) về phía máy phát điện diesel. Đối với động cơ diesel, hiện tượng này hoạt động như một "động cơ", dẫn động động cơ. Điều này cực kỳ nguy hiểm và có thể dẫn đến:

Hư hỏng cơ học: Việc vận hành động cơ bất thường có thể làm hỏng các bộ phận như trục khuỷu và thanh truyền.
Hệ thống không ổn định: Gây ra sự dao động về tốc độ (tần số) và điện áp của động cơ diesel, có khả năng dẫn đến tắt máy.

Yêu cầu giải quyết vấn đề này trong vòng 100ms là do máy phát điện diesel có quán tính cơ học lớn và hệ thống điều khiển tốc độ phản ứng chậm (thường chỉ vài giây). Chúng không thể tự mình xử lý nhanh chóng dòng điện ngược này. Nhiệm vụ này phải được xử lý bởi Hệ thống Chuyển đổi Điện năng (PCS) phản ứng cực nhanh của hệ thống lưu trữ năng lượng.

Giải pháp:

Nguyên tắc cốt lõi: "Diesel dẫn đầu, lưu trữ theo sau". Trong toàn bộ hệ thống, tổ máy phát điện diesel đóng vai trò là nguồn tham chiếu điện áp và tần số (tức là chế độ điều khiển V/F), tương tự như "lưới điện". Hệ thống lưu trữ năng lượng hoạt động ở Chế độ điều khiển công suất không đổi (PQ), trong đó công suất đầu ra của hệ thống chỉ được xác định bởi các lệnh từ bộ điều khiển chính.
Logic điều khiển:
1. Giám sát thời gian thực: Bộ điều khiển chính của hệ thống (hoặc chính PCS lưu trữ) giám sát công suất đầu ra (Dầu diesel P) và hướng của máy phát điện diesel theo thời gian thực với tốc độ rất cao (ví dụ: hàng nghìn lần mỗi giây).
2. Điểm đặt công suất: Điểm đặt công suất cho hệ thống lưu trữ năng lượng (P_set) phải thỏa mãn:Tải trọng P(tổng công suất tải) =Dầu diesel P+P_set.
3. Điều chỉnh nhanh: Khi tải đột ngột giảm, gây raDầu diesel PĐể có xu hướng giảm, bộ điều khiển phải gửi lệnh đến bộ lưu trữ PCS trong vòng vài mili giây để ngay lập tức giảm công suất xả hoặc chuyển sang chế độ hấp thụ (sạc). Điều này sẽ hấp thụ năng lượng dư thừa vào pin, đảm bảoDầu diesel Pvẫn tích cực.
Các biện pháp bảo vệ kỹ thuật:
- Truyền thông tốc độ cao: Cần có các giao thức truyền thông tốc độ cao (ví dụ: bus CAN, Ethernet nhanh) giữa bộ điều khiển diesel, PCS lưu trữ và bộ điều khiển chính hệ thống để đảm bảo độ trễ lệnh ở mức tối thiểu.
- Phản ứng nhanh của PCS: Các thiết bị PCS lưu trữ hiện đại có thời gian phản hồi nguồn nhanh hơn nhiều so với 100ms, thường trong vòng 10ms, giúp chúng có khả năng đáp ứng đầy đủ yêu cầu này.
- Bảo vệ Dự phòng: Ngoài liên kết điều khiển, rơle bảo vệ nguồn ngược thường được lắp đặt ở đầu ra máy phát điện diesel như một rào cản phần cứng cuối cùng. Tuy nhiên, thời gian hoạt động của nó có thể chỉ vài trăm mili giây, vì vậy nó chủ yếu đóng vai trò bảo vệ dự phòng; bảo vệ nhanh cốt lõi phụ thuộc vào hệ thống điều khiển.

2. Công suất đầu ra không đổi

Mô tả vấn đề:
Động cơ diesel hoạt động ở hiệu suất nhiên liệu tối đa và lượng khí thải thấp nhất trong phạm vi tải khoảng 60%-80% công suất định mức. Tải trọng thấp gây ra hiện tượng "chồng chéo ướt" và tích tụ carbon, trong khi tải trọng cao làm tăng đáng kể mức tiêu thụ nhiên liệu và giảm tuổi thọ. Mục tiêu là cách ly động cơ diesel khỏi các biến động tải, giữ cho nó ổn định ở mức cài đặt hiệu quả.

Giải pháp:

Chiến lược kiểm soát “Cạo đỉnh và lấp đầy thung lũng”:
1. Đặt điểm cơ sở: Tổ máy phát điện diesel được vận hành ở công suất đầu ra không đổi được đặt ở điểm hiệu suất tối ưu (ví dụ: 70% công suất định mức).
2. Quy định lưu trữ:
  - Khi nhu cầu tải > Điểm đặt dầu diesel: Công suất thiếu hụt (P_load - P_diesel_set) được bổ sung bằng hệ thống lưu trữ năng lượng xả.
  - Khi nhu cầu tải < Điểm đặt Diesel: Công suất dư thừa (P_diesel_set - Tải trọng P) được hấp thụ bởi hệ thống lưu trữ năng lượng đang sạc.
Lợi ích của hệ thống:
- Động cơ diesel hoạt động ổn định với hiệu suất cao, êm ái, kéo dài tuổi thọ và giảm chi phí bảo trì.
- Hệ thống lưu trữ năng lượng làm phẳng những biến động tải mạnh, ngăn ngừa tình trạng kém hiệu quả và hao mòn do thay đổi tải động cơ diesel thường xuyên.
- Tổng mức tiêu thụ nhiên liệu giảm đáng kể.

3. Ngắt kết nối đột ngột bộ lưu trữ năng lượng

Mô tả vấn đề:
Hệ thống lưu trữ năng lượng có thể đột ngột ngừng hoạt động do lỗi ắc quy, lỗi PCS hoặc ngắt bảo vệ. Điện năng trước đó được lưu trữ xử lý (dù là phát điện hay tiêu thụ) sẽ ngay lập tức được chuyển toàn bộ sang máy phát điện diesel, tạo ra một cú sốc điện lớn.

Rủi ro:

Nếu bộ lưu trữ đang xả (hỗ trợ tải), việc ngắt kết nối sẽ chuyển toàn bộ tải sang động cơ diesel, có khả năng gây quá tải, giảm tần số (tốc độ) và tắt máy bảo vệ.
Nếu bộ lưu trữ đang sạc (hấp thụ điện năng dư thừa), việc ngắt kết nối sẽ khiến điện năng dư thừa của động cơ diesel không có nơi nào để đi, có khả năng gây ra điện áp ngược và quá áp, cũng có thể gây ra hiện tượng tắt máy.

Giải pháp:

Dự phòng quay bên Diesel: Tổ máy phát điện diesel không được thiết kế chỉ để đạt hiệu suất tối ưu. Nó phải có công suất dự phòng động. Ví dụ: nếu tải hệ thống tối đa là 1000kW và diesel chạy ở mức 700kW, công suất định mức của diesel phải lớn hơn 700kW + tải bước tiềm năng lớn nhất (hoặc công suất tối đa của kho lưu trữ), ví dụ: chọn một tổ máy 1000kW, cung cấp bộ đệm 300kW cho trường hợp kho lưu trữ bị sự cố.
Kiểm soát tải nhanh:
1. Giám sát hệ thống theo thời gian thực: Liên tục giám sát trạng thái và dòng điện của hệ thống lưu trữ.
2. Phát hiện lỗi: Khi phát hiện sự ngắt kết nối lưu trữ đột ngột, bộ điều khiển chính sẽ ngay lập tức gửi tín hiệu giảm tải nhanh đến bộ điều khiển diesel.
3. Phản ứng Diesel: Bộ điều khiển diesel hoạt động ngay lập tức (ví dụ, giảm nhanh lượng phun nhiên liệu) để cố gắng giảm công suất cho phù hợp với tải mới. Công suất dự phòng quay giúp tiết kiệm thời gian cho phản ứng cơ học chậm hơn này.
Giải pháp cuối cùng: Cắt tải: Nếu xung điện quá lớn so với khả năng xử lý của động cơ diesel, biện pháp bảo vệ đáng tin cậy nhất là cắt tải không quan trọng, ưu tiên an toàn cho tải quan trọng và bản thân máy phát điện. Phương án cắt tải là một yêu cầu bảo vệ thiết yếu trong thiết kế hệ thống.

4. Vấn đề công suất phản kháng

Mô tả vấn đề:
Công suất phản kháng được sử dụng để thiết lập từ trường và rất quan trọng để duy trì sự ổn định điện áp trong hệ thống điện xoay chiều (AC). Cả máy phát điện diesel và bộ tích trữ điện (PCS) đều cần tham gia vào quá trình điều chỉnh công suất phản kháng.

Máy phát điện Diesel: Điều khiển công suất phản kháng và điện áp đầu ra bằng cách điều chỉnh dòng điện kích từ. Khả năng công suất phản kháng của máy phát điện Diesel bị hạn chế và phản ứng chậm.
Bộ lưu trữ PCS: Hầu hết các bộ PCS hiện đại đều có bốn phần tư, nghĩa là chúng có thể tự động đưa hoặc hấp thụ công suất phản kháng một cách nhanh chóng (với điều kiện không vượt quá công suất định mức biểu kiến kVA).

Thách thức: Làm thế nào để phối hợp cả hai để đảm bảo sự ổn định điện áp của hệ thống mà không làm quá tải bất kỳ đơn vị nào.

Giải pháp:

Chiến lược kiểm soát:
1. Diesel điều khiển điện áp: Tổ máy phát điện diesel được đặt ở chế độ V/F, chịu trách nhiệm thiết lập điện áp và tần số tham chiếu của hệ thống. Nó cung cấp một "nguồn điện áp" ổn định.
2. Lưu trữ tham gia vào quá trình điều hòa phản ứng (Tùy chọn):
  - Chế độ PQ: Bộ lưu trữ chỉ xử lý nguồn điện hoạt động (P), với công suất phản kháng (Q) được đặt về 0. Động cơ diesel cung cấp toàn bộ công suất phản kháng. Đây là phương pháp đơn giản nhất nhưng lại gây quá tải cho động cơ diesel.
  - Chế độ phân phối công suất phản kháng: Bộ điều khiển chính của hệ thống gửi các lệnh công suất phản kháng (Q_set) đến bộ điều khiển lưu trữ (PCS) dựa trên điều kiện điện áp hiện tại. Nếu điện áp hệ thống thấp, hãy ra lệnh cho bộ lưu trữ bơm công suất phản kháng; nếu điện áp hệ thống cao, hãy ra lệnh cho bộ lưu trữ hấp thụ công suất phản kháng. Điều này giúp giảm tải cho động cơ diesel, cho phép nó tập trung vào công suất chủ động, đồng thời ổn định điện áp tốt hơn và nhanh hơn.
  - Chế độ điều khiển hệ số công suất (PF): Hệ số công suất mục tiêu (ví dụ: 0,95) được thiết lập và bộ lưu trữ sẽ tự động điều chỉnh công suất phản kháng để duy trì hệ số công suất tổng thể không đổi tại các đầu cuối của máy phát điện diesel.
Cân nhắc về công suất: Hệ thống PCS lưu trữ phải được thiết kế với công suất biểu kiến (kVA) đủ lớn. Ví dụ, một hệ thống PCS 500kW với công suất hoạt động 400kW có thể cung cấp tối đasqrt(500² - 400²) = 300kVArcủa công suất phản kháng. Nếu nhu cầu công suất phản kháng cao, cần có PCS lớn hơn.

Bản tóm tắt

Để đạt được sự kết nối ổn định giữa máy phát điện diesel và hệ thống lưu trữ năng lượng cần phải có sự kiểm soát theo cấp bậc:

Lớp phần cứng: Chọn một máy tính lưu trữ phản hồi nhanh và một bộ điều khiển máy phát điện diesel có giao diện truyền thông tốc độ cao.
Lớp điều khiển: Sử dụng kiến trúc cơ bản “Diesel thiết lập V/F, Bộ lưu trữ thực hiện PQ”. Bộ điều khiển hệ thống tốc độ cao thực hiện phân phối điện năng theo thời gian thực để “cắt đỉnh/lấp đầy thung lũng” công suất chủ động và hỗ trợ công suất phản kháng.
Lớp bảo vệ: Thiết kế hệ thống phải bao gồm các kế hoạch bảo vệ toàn diện: bảo vệ nguồn điện ngược, bảo vệ quá tải và các chiến lược kiểm soát tải (thậm chí là cắt tải) để xử lý tình trạng ngắt kết nối đột ngột của bộ lưu trữ.

Thông qua các giải pháp được mô tả ở trên, bốn vấn đề chính bạn nêu ra có thể được giải quyết hiệu quả để xây dựng một hệ thống điện lai lưu trữ năng lượng diesel hiệu quả, ổn định và đáng tin cậy.