Analyse der Problematik der Kopplung von Dieselaggregaten und Energiespeichern

Hier finden Sie eine ausführliche englische Erklärung der vier Kernprobleme bei der Verbindung von Dieselgeneratoren und Energiespeichersystemen. Dieses hybride Energiesystem (oft als „Diesel + Speicher“-Hybrid-Mikronetz bezeichnet) ist eine fortschrittliche Lösung zur Verbesserung der Effizienz, zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und zur Gewährleistung einer stabilen Stromversorgung, seine Steuerung ist jedoch hochkomplex.

Übersicht über die Kernthemen

1. 100 ms Rückleistungsproblem: Wie kann verhindert werden, dass der Energiespeicher Strom an den Dieselgenerator zurückspeist, und dieser so geschützt werden?
2. Konstante Leistungsabgabe: So halten Sie den Dieselmotor dauerhaft im Hocheffizienzbereich.
3. Plötzliche Trennung des Energiespeichers: So gehen Sie mit den Auswirkungen um, wenn das Energiespeichersystem plötzlich vom Netz getrennt wird.
4. Blindleistungsproblem: Wie kann die Aufteilung der Blindleistung zwischen den beiden Quellen koordiniert werden, um die Spannungsstabilität zu gewährleisten?

1. Das 100-ms-Rückleistungsproblem

Problembeschreibung:
Rückleistung entsteht, wenn elektrische Energie vom Energiespeicher (oder der Last) zurück zum Dieselgenerator fließt. Für den Dieselmotor wirkt dies wie ein „Motor“, der den Motor antreibt. Dies ist äußerst gefährlich und kann zu Folgendem führen:

• Mechanische Schäden: Durch unsachgemäße Motorbeanspruchung können Komponenten wie die Kurbelwelle und die Pleuelstangen beschädigt werden.
• Systeminstabilität: Verursacht Schwankungen in der Drehzahl (Frequenz) und Spannung des Dieselmotors, was möglicherweise zu einer Abschaltung führen kann.

Die Anforderung, das Problem innerhalb von 100 ms zu lösen, besteht darin, dass Dieselgeneratoren eine große mechanische Trägheit aufweisen und ihre Drehzahlregelungssysteme langsam (typischerweise im Sekundenbereich) reagieren. Sie können sich nicht darauf verlassen, diesen elektrischen Rückfluss schnell zu unterdrücken. Diese Aufgabe muss vom ultraschnell reagierenden Power Conversion System (PCS) des Energiespeichersystems übernommen werden.

Lösung:

• Grundprinzip: „Diesel führt, Speicher folgt.“ Im gesamten System fungiert das Dieselgeneratoraggregat als Spannungs- und Frequenzreferenzquelle (d. h. V/f-Steuerungsmodus), analog zum „Netz“. Das Energiespeichersystem arbeitet im Konstantleistungs-Steuerungsmodus (PQ), in dem seine Ausgangsleistung ausschließlich durch Befehle eines Hauptreglers bestimmt wird.
• Steuerlogik:
  1. Echtzeitüberwachung: Der System-Master-Controller (oder das Speicher-PCS selbst) überwacht die Ausgangsleistung (P_diesel) und die Richtung des Dieselgenerators in Echtzeit mit sehr hoher Geschwindigkeit (z. B. Tausende Male pro Sekunde).
  2. Leistungssollwert: Der Leistungssollwert für das Energiespeichersystem (P_set) muss Folgendes erfüllen:P_load(Gesamtlastleistung) =P_diesel+P_set.
  3. Schnelle Anpassung: Wenn die Last plötzlich abnimmt, verursachtP_dieselUm einen negativen Trend zu erzielen, muss der Controller innerhalb weniger Millisekunden einen Befehl an das Speicher-PCS senden, um die Entladeleistung sofort zu reduzieren oder auf die Aufnahme von Leistung (Laden) umzuschalten. Dadurch wird die überschüssige Energie in die Batterien aufgenommen und sichergestelltP_dieselbleibt positiv.
• Technische Sicherheitsvorkehrungen:
  • Hochgeschwindigkeitskommunikation: Zwischen dem Diesel-Controller, dem Speicher-PCS und dem System-Master-Controller sind Hochgeschwindigkeitskommunikationsprotokolle (z. B. CAN-Bus, Fast Ethernet) erforderlich, um eine minimale Befehlsverzögerung zu gewährleisten.
  • Schnelle PCS-Reaktion: Moderne Speicher-PCS-Einheiten verfügen über Reaktionszeiten bei der Stromversorgung, die weit unter 100 ms liegen, oft sogar innerhalb von 10 ms, sodass sie diese Anforderung voll erfüllen können.
  • Redundanter Schutz: Neben der Steuerverbindung wird üblicherweise am Ausgang des Dieselgenerators ein Rückleistungsschutzrelais als letzte Hardwarebarriere installiert. Seine Ansprechzeit kann jedoch einige hundert Millisekunden betragen, sodass es in erster Linie als Backup-Schutz dient; der zentrale Schnellschutz basiert auf dem Steuerungssystem.

2. Konstante Leistungsabgabe

Problembeschreibung:
Dieselmotoren arbeiten in einem Lastbereich von etwa 60–80 % ihrer Nennleistung mit höchster Kraftstoffeffizienz und niedrigsten Emissionen. Niedrige Lasten führen zu „Wet Stacking“ und Kohlenstoffablagerungen, während hohe Lasten den Kraftstoffverbrauch drastisch erhöhen und die Lebensdauer verkürzen. Ziel ist es, den Dieselmotor von Lastschwankungen zu isolieren und ihn stabil auf einem effizienten Sollwert zu halten.

Lösung:

• Steuerungsstrategie „Peak Shaving und Valley Filling“:
  1. Basispunkt festlegen: Das Dieselgeneratoraggregat wird mit einer konstanten Leistungsabgabe betrieben, die auf seinen optimalen Wirkungsgrad eingestellt ist (z. B. 70 % der Nennleistung).
  2. Lagervorschriften:
     • Wenn Lastbedarf > Diesel-Sollwert: Die fehlende Leistung (P_load - P_diesel_set) wird durch die Entladung des Energiespeichers ergänzt.
     • Wenn Lastbedarf < Diesel-Sollwert: Die überschüssige Leistung (P_diesel_set - P_load) wird durch die Aufladung des Energiespeichersystems absorbiert.
• Systemvorteile:
  • Der Dieselmotor läuft konstant mit hoher Effizienz und ruhig, was seine Lebensdauer verlängert und die Wartungskosten senkt.
  • Das Energiespeichersystem gleicht starke Lastschwankungen aus und verhindert so Ineffizienz und Verschleiß, die durch häufige Lastwechsel des Dieselmotors entstehen.
  • Der Gesamtkraftstoffverbrauch wird deutlich reduziert.

3. Plötzliche Trennung der Energiespeicherung

Problembeschreibung:
Das Energiespeichersystem kann aufgrund eines Batterieausfalls, eines PCS-Fehlers oder einer Schutzauslösung plötzlich offline gehen. Die zuvor vom Speicher bereitgestellte Energie (ob zur Erzeugung oder zum Verbrauch) wird sofort vollständig auf das Dieselaggregat übertragen, was zu einem massiven Stromausfall führt.

Risiken:

• Wenn der Speicher entladen wurde (die Last unterstützte), überträgt seine Trennung die volle Last auf den Diesel, was möglicherweise zu Überlastung, Frequenzabfall (Drehzahlabfall) und Schutzabschaltung führen kann.
• Wenn der Speicher geladen wurde (also überschüssigen Strom aufnahm), kann der überschüssige Strom des Dieselmotors nach der Trennung nirgendwo hin, was möglicherweise zu Rückstrom und Überspannung führen und ebenfalls eine Abschaltung auslösen kann.

Lösung:

• Dieselseitige rotierende Reserve: Das Dieselaggregat darf nicht nur auf seinen optimalen Wirkungsgrad ausgelegt sein. Es muss über dynamische Reservekapazität verfügen. Beträgt die maximale Systemlast beispielsweise 1000 kW und der Diesel läuft mit 700 kW, muss die Nennleistung des Diesels größer als 700 kW + die größte potenzielle Stufenlast (oder die maximale Leistung des Speichers) sein. Beispielsweise wird eine 1000-kW-Einheit ausgewählt, die einen 300-kW-Puffer für einen Speicherausfall bietet.
• Schnelle Lastkontrolle:
  1. Echtzeitüberwachung des Systems: Überwacht kontinuierlich den Status und den Stromfluss des Speichersystems.
  2. Fehlererkennung: Wenn der Hauptregler eine plötzliche Speichertrennung erkennt, sendet er sofort ein Signal zur schnellen Lastreduzierung an den Dieselregler.
  3. Dieselreaktion: Der Dieselregler reagiert sofort (z. B. durch schnelle Reduzierung der Kraftstoffeinspritzung), um die Leistung an die neue Last anzupassen. Die rotierende Reservekapazität verschafft Zeit für diese langsamere mechanische Reaktion.
• Letzter Ausweg: Lastabwurf: Wenn der Stromstoß zu groß für den Dieselmotor ist, ist der zuverlässigste Schutz der Abwurf nicht kritischer Lasten, wobei die Sicherheit kritischer Lasten und des Generators selbst Priorität hat. Ein Lastabwurfschema ist eine wesentliche Schutzanforderung im Systemdesign.

4. Blindleistungsproblem

Problembeschreibung:
Blindleistung wird zum Aufbau magnetischer Felder verwendet und ist für die Spannungsstabilität in Wechselstromsystemen von entscheidender Bedeutung. Sowohl der Dieselgenerator als auch das Speicher-PCS müssen an der Blindleistungsregelung teilnehmen.

• Dieselgenerator: Steuert Blindleistung und Spannung durch Anpassung des Erregerstroms. Seine Blindleistungskapazität ist begrenzt und seine Reaktion ist langsam.
• Speicher-PCS: Die meisten modernen PCS-Einheiten sind Vier-Quadranten-Einheiten, d. h. sie können unabhängig und schnell Blindleistung einspeisen oder aufnehmen (vorausgesetzt, sie überschreiten nicht ihre Scheinleistung in kVA).

Herausforderung: Wie lassen sich beide koordinieren, um die Stabilität der Systemspannung sicherzustellen, ohne eine der beiden Einheiten zu überlasten?

Lösung:

• Kontrollstrategien:
  1. Diesel regelt die Spannung: Der Dieselgenerator ist auf den V/F-Modus eingestellt und sorgt für die Festlegung der Spannungs- und Frequenzreferenz des Systems. Er stellt eine stabile „Spannungsquelle“ bereit.
  2. Speicher nimmt an der reaktiven Regulierung teil (optional):
     • PQ-Modus: Der Speicher verarbeitet nur Wirkleistung (P), mit Blindleistung (Q) auf Null gesetzt. Der Diesel liefert die gesamte Blindleistung. Dies ist die einfachste Methode, belastet aber den Diesel.
     • Blindleistungs-Dispatch-Modus: Der System-Master-Controller sendet Blindleistungsbefehle (Q_set) an das Speicher-PCS basierend auf den aktuellen Spannungsbedingungen. Bei niedriger Systemspannung wird dem Speicher befohlen, Blindleistung einzuspeisen; bei hoher Spannung wird ihm befohlen, Blindleistung aufzunehmen. Dies entlastet den Diesel und ermöglicht ihm, sich auf die Wirkleistungsabgabe zu konzentrieren, während gleichzeitig eine feinere und schnellere Spannungsstabilisierung gewährleistet wird.
     • Leistungsfaktor-Steuermodus (PF): Ein Zielleistungsfaktor (z. B. 0,95) wird eingestellt und der Speicher passt seine Blindleistung automatisch an, um einen konstanten Gesamtleistungsfaktor an den Anschlüssen des Dieselgenerators aufrechtzuerhalten.
• Kapazitätsüberlegung: Das Speicher-PCS muss mit ausreichend Scheinleistung (kVA) dimensioniert sein. Beispielsweise kann ein 500-kW-PCS mit 400 kW Wirkleistung maximal liefernQuadratwurzel(500² - 400²) = 300 kVArvon Blindleistung. Bei hohem Blindleistungsbedarf ist ein größeres PCS erforderlich.

Zusammenfassung

Das erfolgreiche Erreichen einer stabilen Verbindung zwischen einem Dieselgeneratorsatz und einem Energiespeicher hängt von der hierarchischen Steuerung ab:

1. Hardwareebene: Wählen Sie ein schnell reagierendes Speicher-PCS und einen Dieselgenerator-Controller mit Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsschnittstellen.
2. Steuerungsebene: Verwenden Sie eine grundlegende Architektur nach dem Prinzip „Diesel legt V/F fest, Speicher übernimmt PQ“. Ein Hochgeschwindigkeits-Systemcontroller führt die Leistungsverteilung in Echtzeit für die Wirkleistungs-„Spitzenkappung/Talfüllung“ und die Blindleistungsunterstützung durch.
3. Schutzebene: Das Systemdesign muss umfassende Schutzpläne umfassen: Rückleistungsschutz, Überlastschutz und Strategien zur Laststeuerung (sogar Lastabwurf), um die plötzliche Trennung des Speichers zu bewältigen.

Mithilfe der oben beschriebenen Lösungen können die vier von Ihnen angesprochenen Hauptprobleme wirksam angegangen werden, um ein effizientes, stabiles und zuverlässiges Hybridstromversorgungssystem mit Diesel-Energiespeicher aufzubauen.