การวิเคราะห์ปัญหาการเชื่อมโยงระหว่างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลกับระบบกักเก็บพลังงาน

ต่อไปนี้เป็นคำอธิบายโดยละเอียดเป็นภาษาอังกฤษเกี่ยวกับประเด็นหลักสี่ประการเกี่ยวกับการเชื่อมต่อระหว่างชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลและระบบกักเก็บพลังงาน ระบบพลังงานไฮบริดนี้ (มักเรียกว่าไมโครกริดไฮบริด “ดีเซล + ระบบกักเก็บ”) เป็นโซลูชันขั้นสูงสำหรับการปรับปรุงประสิทธิภาพ ลดการใช้เชื้อเพลิง และรับประกันการจ่ายพลังงานที่เสถียร แต่การควบคุมมีความซับซ้อนสูง

ภาพรวมประเด็นหลัก

1. ปัญหาพลังงานย้อนกลับ 100ms: วิธีป้องกันการกักเก็บพลังงานจากการป้อนพลังงานกลับไปยังเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล เพื่อปกป้องเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
2. กำลังขับคงที่: วิธีรักษาให้เครื่องยนต์ดีเซลทำงานสม่ำเสมอในโซนประสิทธิภาพสูง
3. การตัดการเชื่อมต่อกะทันหันของระบบกักเก็บพลังงาน: วิธีจัดการกับผลกระทบเมื่อระบบกักเก็บพลังงานหลุดออกจากเครือข่ายกะทันหัน
4. ปัญหากำลังไฟฟ้าปฏิกิริยา: วิธีการประสานการแบ่งปันกำลังไฟฟ้าปฏิกิริยาระหว่างสองแหล่งเพื่อให้แน่ใจว่าแรงดันไฟฟ้ามีเสถียรภาพ

1. ปัญหาพลังงานย้อนกลับ 100ms

คำอธิบายปัญหา:
พลังงานย้อนกลับเกิดขึ้นเมื่อพลังงานไฟฟ้าไหลจากระบบกักเก็บพลังงาน (หรือโหลด) กลับไปยังชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล สำหรับเครื่องยนต์ดีเซล สิ่งนี้ทำหน้าที่เสมือน “มอเตอร์” ขับเคลื่อนเครื่องยนต์ ซึ่งเป็นอันตรายอย่างยิ่งและอาจนำไปสู่:

• ความเสียหายทางกล: การขับขี่เครื่องยนต์ที่ผิดปกติอาจทำให้ชิ้นส่วนต่างๆ เช่น เพลาข้อเหวี่ยงและก้านสูบได้รับความเสียหาย
• ความไม่เสถียรของระบบ: ทำให้เกิดความผันผวนในความเร็ว (ความถี่) และแรงดันไฟฟ้าของเครื่องยนต์ดีเซล ซึ่งอาจนำไปสู่การปิดระบบได้

ความต้องการในการแก้ไขปัญหานี้ภายใน 100 มิลลิวินาทีมีอยู่เนื่องจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลมีความเฉื่อยเชิงกลสูง และระบบควบคุมความเร็วตอบสนองช้า (โดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณวินาที) เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลไม่สามารถพึ่งพาตัวเองเพื่อยับยั้งการไหลย้อนกลับของกระแสไฟฟ้าได้อย่างรวดเร็ว งานนี้ต้องดำเนินการโดยระบบแปลงพลังงาน (PCS) ของระบบกักเก็บพลังงานที่ตอบสนองรวดเร็วเป็นพิเศษ

สารละลาย:

• หลักการสำคัญ: “ดีเซลนำ สำรองตามมา” ในระบบทั้งหมด ชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลทำหน้าที่เป็นแหล่งอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าและความถี่ (เช่น โหมดควบคุม V/F) คล้ายกับ “กริด” ระบบกักเก็บพลังงานทำงานในโหมดควบคุมกำลังไฟฟ้าคงที่ (PQ) ซึ่งกำลังไฟฟ้าขาออกจะถูกกำหนดโดยคำสั่งจากตัวควบคุมหลักเท่านั้น
• ตรรกะการควบคุม:
  1. การตรวจสอบแบบเรียลไทม์: ตัวควบคุมหลักของระบบ (หรือ PCS จัดเก็บข้อมูลเอง) ตรวจสอบพลังงานเอาต์พุต (พี_ดีเซล) และทิศทางของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลแบบเรียลไทม์ด้วยความเร็วสูงมาก (เช่น หลายพันครั้งต่อวินาที)
  2. Power Setpoint: จุดตั้งค่าพลังงานสำหรับระบบกักเก็บพลังงาน (พี_เซ็ต) จะต้องเป็นไปตาม:พี_โหลด(กำลังโหลดรวม) =พี_ดีเซล-พี_เซ็ต.
  3. การปรับอย่างรวดเร็ว: เมื่อโหลดลดลงอย่างกะทันหัน ทำให้เกิดพี_ดีเซลเพื่อให้มีแนวโน้มเป็นลบ ตัวควบคุมจะต้องส่งคำสั่งไปยังหน่วยเก็บข้อมูลภายในเวลาไม่กี่มิลลิวินาทีเพื่อลดพลังงานที่คายประจุหรือเปลี่ยนไปดูดซับพลังงาน (ชาร์จ) ทันที ซึ่งจะดูดซับพลังงานส่วนเกินเข้าสู่แบตเตอรี่ เพื่อให้แน่ใจว่าพี_ดีเซลยังคงเป็นบวก
• การป้องกันทางเทคนิค:
  • การสื่อสารความเร็วสูง: ต้องใช้โปรโตคอลการสื่อสารความเร็วสูง (เช่น CAN bus, Fast Ethernet) ระหว่างตัวควบคุมดีเซล, PCS ที่จัดเก็บข้อมูล และตัวควบคุมหลักของระบบ เพื่อให้แน่ใจว่ามีความล่าช้าของคำสั่งน้อยที่สุด
  • การตอบสนองอย่างรวดเร็วของ PCS: หน่วย PCS สำหรับการจัดเก็บข้อมูลสมัยใหม่มีเวลาตอบสนองพลังงานที่เร็วกว่า 100 มิลลิวินาทีมาก โดยมักจะอยู่ภายใน 10 มิลลิวินาที ทำให้สามารถตอบสนองความต้องการนี้ได้อย่างเต็มที่
  • การป้องกันแบบซ้ำซ้อน: นอกเหนือจากลิงก์ควบคุมแล้ว รีเลย์ป้องกันไฟฟ้าย้อนกลับมักจะติดตั้งที่เอาต์พุตของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลเพื่อเป็นฮาร์ดแวร์กั้นขั้นสุดท้าย อย่างไรก็ตาม ระยะเวลาการทำงานของรีเลย์อาจใช้เวลาเพียงไม่กี่ร้อยมิลลิวินาที จึงทำหน้าที่เป็นระบบป้องกันสำรองเป็นหลัก ส่วนระบบป้องกันแบบรวดเร็วหลักจะอาศัยระบบควบคุม

2. กำลังขับคงที่

คำอธิบายปัญหา:
เครื่องยนต์ดีเซลทำงานที่ประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงสูงสุดและปล่อยมลพิษต่ำที่สุดภายในช่วงโหลดประมาณ 60%-80% ของกำลังเครื่องยนต์ที่กำหนด โหลดต่ำทำให้เกิด "wet stacking" และการสะสมของคาร์บอน ในขณะที่โหลดสูงจะเพิ่มการใช้เชื้อเพลิงอย่างมากและลดอายุการใช้งาน เป้าหมายคือเพื่อแยกดีเซลออกจากความผันผวนของโหลด และรักษาเสถียรภาพให้อยู่ในระดับที่ตั้งไว้อย่างมีประสิทธิภาพ

สารละลาย:

• กลยุทธ์การควบคุม “การโกนยอดและการเติมหุบเขา”
  1. ตั้งค่าจุดฐาน: ชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลทำงานที่เอาต์พุตพลังงานคงที่ที่ตั้งไว้ในจุดประสิทธิภาพที่เหมาะสมที่สุด (เช่น 70% ของพลังงานที่กำหนด)
  2. ข้อบังคับการจัดเก็บ:
     • เมื่อความต้องการโหลด > จุดตั้งค่าดีเซล: พลังงานที่ไม่เพียงพอ (P_load - ชุด P_diesel) เสริมด้วยระบบกักเก็บพลังงานที่ปล่อยออกมา
     • เมื่อความต้องการโหลด < จุดตั้งค่าดีเซล: พลังงานส่วนเกิน (P_diesel_set - พี_โหลด) จะถูกดูดซับโดยระบบการชาร์จไฟเพื่อกักเก็บพลังงาน
• ประโยชน์ของระบบ:
  • เครื่องยนต์ดีเซลทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสม่ำเสมอ ราบรื่น ช่วยยืดอายุการใช้งานและลดต้นทุนการบำรุงรักษา
  • ระบบกักเก็บพลังงานช่วยลดความผันผวนของโหลดที่รุนแรง ป้องกันการทำงานไม่มีประสิทธิภาพและการสึกหรอที่เกิดจากการเปลี่ยนโหลดดีเซลบ่อยครั้ง
  • การบริโภคน้ำมันโดยรวมลดลงอย่างมาก

3. การตัดการเชื่อมต่อระบบกักเก็บพลังงานอย่างกะทันหัน

คำอธิบายปัญหา:
ระบบกักเก็บพลังงานอาจหยุดทำงานกะทันหันเนื่องจากแบตเตอรี่ขัดข้อง ความผิดพลาดของ PCS หรือระบบป้องกันขัดข้อง พลังงานที่ระบบกักเก็บพลังงานเคยจัดการไว้ก่อนหน้านี้ (ไม่ว่าจะผลิตหรือใช้) จะถูกถ่ายโอนไปยังเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลทันที ส่งผลให้เกิดไฟฟ้าช็อตอย่างรุนแรง

ความเสี่ยง:

• หากระบบจัดเก็บกำลังทำการระบายออก (รองรับโหลด) การตัดการเชื่อมต่อจะถ่ายโอนโหลดทั้งหมดไปที่ดีเซล ซึ่งอาจทำให้เกิดการโอเวอร์โหลด ความถี่ (ความเร็ว) ลดลง และการปิดระบบเพื่อป้องกัน
• หากระบบจัดเก็บกำลังชาร์จไฟอยู่ (ดูดซับพลังงานส่วนเกิน) การตัดการเชื่อมต่อจะทำให้พลังงานส่วนเกินของดีเซลไม่มีทางออก อาจทำให้เกิดไฟฟ้าย้อนกลับและแรงดันไฟเกิน และอาจส่งผลให้ระบบปิดลงได้

สารละลาย:

• สำรองแบบหมุนด้านข้างดีเซล: ชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลต้องไม่ปรับขนาดให้เหมาะสมกับประสิทธิภาพสูงสุดเท่านั้น ต้องมีกำลังสำรองแบบไดนามิก ตัวอย่างเช่น หากโหลดระบบสูงสุดอยู่ที่ 1,000 กิโลวัตต์ และดีเซลทำงานที่ 700 กิโลวัตต์ กำลังไฟฟ้าสูงสุดของดีเซลต้องมากกว่า 700 กิโลวัตต์ + โหลดขั้นที่มีศักยภาพสูงสุด (หรือกำลังไฟฟ้าสูงสุดของระบบกักเก็บ) เช่น เลือกชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาด 1,000 กิโลวัตต์ ซึ่งจะมีบัฟเฟอร์ 300 กิโลวัตต์สำหรับความล้มเหลวของระบบกักเก็บ
• การควบคุมโหลดอย่างรวดเร็ว:
  1. การตรวจสอบระบบแบบเรียลไทม์: ตรวจสอบสถานะและการไหลของพลังงานของระบบจัดเก็บข้อมูลอย่างต่อเนื่อง
  2. การตรวจจับข้อผิดพลาด: เมื่อตรวจพบการตัดการเชื่อมต่อระบบจัดเก็บข้อมูลกะทันหัน ตัวควบคุมหลักจะส่งสัญญาณลดโหลดอย่างรวดเร็วไปยังตัวควบคุมดีเซลทันที
  3. การตอบสนองของดีเซล: ตัวควบคุมดีเซลจะทำงานทันที (เช่น ลดการฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงอย่างรวดเร็ว) เพื่อพยายามลดกำลังเครื่องยนต์ให้สอดคล้องกับโหลดใหม่ ความจุสำรองที่หมุนอยู่จะช่วยซื้อเวลาสำหรับการตอบสนองทางกลที่ช้าลงนี้
• ทางเลือกสุดท้าย: การลดโหลด: หากกระแสไฟฟ้ารั่วมากเกินกว่าที่เครื่องยนต์ดีเซลจะรับไหว การป้องกันที่เชื่อถือได้มากที่สุดคือการลดโหลดที่ไม่วิกฤต โดยให้ความสำคัญกับความปลอดภัยของโหลดที่สำคัญและตัวเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเอง การลดโหลดเป็นข้อกำหนดการป้องกันที่สำคัญในการออกแบบระบบ

4. ปัญหากำลังปฏิกิริยา

คำอธิบายปัญหา:
กำลังไฟฟ้ารีแอคทีฟถูกใช้เพื่อสร้างสนามแม่เหล็กและมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรักษาเสถียรภาพแรงดันไฟฟ้าในระบบ AC ทั้งเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลและชุดควบคุมกำลังไฟฟ้าสำรอง (PCS) จำเป็นต้องมีส่วนร่วมในการควบคุมกำลังไฟฟ้ารีแอคทีฟ

• เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล: ควบคุมกำลังไฟฟ้ารีแอคทีฟเอาต์พุตและแรงดันไฟฟ้าโดยการปรับกระแสกระตุ้น ความสามารถในการรับกำลังไฟฟ้ารีแอคทีฟมีจำกัดและการตอบสนองก็ช้า
• หน่วย PCS สำหรับจัดเก็บ: หน่วย PCS ที่ทันสมัยส่วนใหญ่เป็นแบบสี่ควอดแรนท์ ซึ่งหมายความว่าสามารถฉีดหรือดูดซับพลังงานปฏิกิริยาได้อย่างรวดเร็วและเป็นอิสระ (โดยจะต้องไม่เกินค่าพลังงานที่ปรากฏ kVA)

ความท้าทาย: จะประสานการทำงานทั้งสองส่วนเข้าด้วยกันอย่างไรเพื่อให้มั่นใจถึงเสถียรภาพแรงดันไฟฟ้าของระบบโดยไม่ทำให้หน่วยใดหน่วยหนึ่งโหลดเกิน

สารละลาย:

• กลยุทธ์การควบคุม:
  1. ดีเซลควบคุมแรงดันไฟฟ้า: ชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลถูกตั้งค่าเป็นโหมด V/F ซึ่งรับผิดชอบในการสร้างแรงดันไฟฟ้าและความถี่อ้างอิงของระบบ ทำหน้าที่จัดหา “แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า” ที่เสถียร
  2. การจัดเก็บข้อมูลมีส่วนร่วมในการควบคุมปฏิกิริยา (ทางเลือก):
     • โหมด PQ: พื้นที่จัดเก็บข้อมูลจะจัดการเฉพาะพลังงานที่ใช้งานอยู่เท่านั้น (P) มีกำลังปฏิกิริยา (Q) ตั้งเป็นศูนย์ ดีเซลให้กำลังรีแอคทีฟทั้งหมด นี่เป็นวิธีที่ง่ายที่สุดแต่สร้างภาระให้กับดีเซล
     • โหมดการส่งกำลังปฏิกิริยา: ตัวควบคุมหลักของระบบจะส่งคำสั่งกำลังปฏิกิริยา (คิว_เซ็ต) ไปยังหน่วยจัดเก็บพลังงาน (PCS) โดยพิจารณาจากสภาวะแรงดันไฟฟ้าในปัจจุบัน หากแรงดันไฟฟ้าของระบบต่ำ ให้สั่งให้หน่วยจัดเก็บจ่ายกำลังไฟฟ้ารีแอคทีฟ หากแรงดันไฟฟ้าสูง ให้สั่งให้ดูดซับกำลังไฟฟ้ารีแอคทีฟ วิธีนี้ช่วยลดภาระของเครื่องยนต์ดีเซล ทำให้สามารถมุ่งเน้นไปที่กำลังไฟฟ้าที่ใช้งานได้จริง พร้อมกับรักษาเสถียรภาพแรงดันไฟฟ้าได้ละเอียดและรวดเร็วยิ่งขึ้น
     • โหมดควบคุมค่าปัจจัยกำลัง (PF): ตั้งค่าปัจจัยกำลังเป้าหมาย (เช่น 0.95) และระบบจัดเก็บจะปรับเอาต์พุตปฏิกิริยาโดยอัตโนมัติเพื่อรักษาค่าปัจจัยกำลังโดยรวมให้คงที่ที่ขั้วของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล
• การพิจารณาความจุ: พีซีเอส (PCS) จัดเก็บต้องมีขนาดที่มีกำลังไฟฟ้าปรากฏ (kVA) เพียงพอ ตัวอย่างเช่น พีซีเอสขนาด 500 กิโลวัตต์ที่จ่ายกำลังไฟฟ้าจริง 400 กิโลวัตต์ สามารถให้กำลังไฟฟ้าได้สูงสุดsqrt(500² - 400²) = 300kVArของกำลังไฟฟ้ารีแอคทีฟ หากความต้องการกำลังไฟฟ้ารีแอคทีฟสูง จำเป็นต้องใช้ PCS ขนาดใหญ่ขึ้น

สรุป

การบรรลุความสำเร็จในการเชื่อมต่อที่เสถียรระหว่างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลและแหล่งกักเก็บพลังงานต้องอาศัยการควบคุมแบบลำดับชั้น:

1. เลเยอร์ฮาร์ดแวร์: เลือก PCS จัดเก็บข้อมูลที่มีการตอบสนองรวดเร็วและตัวควบคุมเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลที่มีอินเทอร์เฟซการสื่อสารความเร็วสูง
2. ชั้นควบคุม: ใช้สถาปัตยกรรมพื้นฐานของ "ดีเซลตั้งค่า V/F, การจัดเก็บทำ PQ" ตัวควบคุมระบบความเร็วสูงดำเนินการจ่ายพลังงานแบบเรียลไทม์สำหรับ "การลดพลังงานสูงสุด/การเติมพลังงานในช่วงหุบเขา" ของพลังงานที่ใช้งานจริงและการสนับสนุนพลังงานปฏิกิริยา
3. ชั้นการป้องกัน: การออกแบบระบบจะต้องรวมถึงแผนการป้องกันที่ครอบคลุม: การป้องกันไฟย้อนกลับ การป้องกันการโอเวอร์โหลด และกลยุทธ์การควบคุมโหลด (แม้แต่การตัดโหลด) เพื่อจัดการกับการตัดการเชื่อมต่อของระบบจัดเก็บข้อมูลอย่างกะทันหัน

ด้วยโซลูชันที่อธิบายไว้ข้างต้น ปัญหาสำคัญสี่ประการที่คุณหยิบยกขึ้นมาสามารถแก้ไขได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อสร้างระบบพลังงานไฮบริดกักเก็บพลังงานดีเซลที่มีประสิทธิภาพ เสถียร และเชื่อถือได้