ニュース - ディーゼル発電機とエネルギー貯蔵装置の連携問題の分析

ディーゼル発電機とエネルギー貯蔵システムの相互接続に関する4つの主要な課題について、英語で詳しく説明します。このハイブリッドエネルギーシステム（「ディーゼル＋貯蔵」ハイブリッドマイクログリッドと呼ばれることが多い）は、効率向上、燃料消費量の削減、そして安定した電力供給を実現する高度なソリューションですが、その制御は非常に複雑です。

中核問題の概要

100 ミリ秒の逆電力問題: エネルギー貯蔵装置がディーゼル発電機に電力を逆供給するのを防ぎ、ディーゼル発電機を保護する方法。
一定出力: ディーゼルエンジンを高効率ゾーンで安定して稼働させる方法。
エネルギー貯蔵の突然の切断: エネルギー貯蔵システムがネットワークから突然切断された場合の影響に対処する方法。
無効電力の問題: 電圧の安定性を確保するために、2 つの電源間で無効電力の共有を調整する方法。

1. 100ms逆電力問題

問題の説明:
逆電力は、エネルギー貯蔵システム（または負荷）からディーゼル発電機へ電気エネルギーが逆流するときに発生します。ディーゼルエンジンの場合、これは「モーター」のように機能し、エンジンを駆動します。これは非常に危険であり、次のような事態につながる可能性があります。

機械的損傷: エンジンの異常な運転により、クランクシャフトやコネクティングロッドなどの部品が損傷する可能性があります。
システムの不安定性: ディーゼルエンジンの速度 (周波数) と電圧の変動を引き起こし、シャットダウンにつながる可能性があります。

ディーゼル発電機は機械的慣性が大きく、調速システムの応答が遅い（通常数秒程度）ため、100ミリ秒以内にこの問題を解決する必要があります。ディーゼル発電機だけでは、この逆流を迅速に抑制することはできません。この処理は、エネルギー貯蔵システムの超高速応答電力変換システム（PCS）によって処理される必要があります。

解決：

基本原理：「ディーゼルが先導し、蓄電が追従する」。システム全体において、ディーゼル発電機は「グリッド」に類似した電圧および周波数の基準源（V/F制御モード）として機能します。蓄電システムは定電力（PQ）制御モードで動作し、出力はマスターコントローラーからのコマンドによってのみ決定されます。
制御ロジック:
1. リアルタイム監視: システムマスターコントローラ（またはストレージPCS自体）は出力電力を監視します（P_ディーゼル）およびディーゼル発電機の方向を非常に高速（例えば、1 秒あたり数千回）でリアルタイムに監視します。
2. 電力設定点:エネルギー貯蔵システムの電力設定点(P_セット）は以下を満たす必要があります。P_load（総負荷電力）＝P_ディーゼル+P_セット.
3. 急速な調整: 負荷が突然減少し、P_ディーゼル負の傾向に陥った場合、コントローラは数ミリ秒以内に蓄電PCSにコマンドを送信し、直ちに放電電力を下げるか、吸収電力（充電）に切り替える必要があります。これにより、余剰電力がバッテリーに吸収され、P_ディーゼル依然として肯定的である。
技術的安全対策:
- 高速通信: コマンドの遅延を最小限に抑えるには、ディーゼルコントローラ、ストレージ PCS、およびシステムマスターコントローラ間で高速通信プロトコル (CAN バス、高速イーサネットなど) が必要です。
- PCS の迅速な応答: 最新のストレージ PCS ユニットの電力応答時間は 100 ミリ秒よりもはるかに速く、多くの場合 10 ミリ秒以内であるため、この要件を完全に満たすことができます。
- 冗長保護：制御リンクの先には、ディーゼル発電機の出力に最終ハードウェアバリアとして逆電力保護リレーが設置されるのが一般的です。ただし、その動作時間は数百ミリ秒と短いため、主にバックアップ保護として機能し、中核となる迅速な保護は制御システムに依存します。

2. 定常出力

問題の説明:
ディーゼルエンジンは、定格出力の約60%～80%の負荷範囲で、最高の燃費効率と最低の排出量で運転します。低負荷では「ウェットスタッキング」やカーボンの蓄積が発生し、高負荷では燃料消費量が大幅に増加し、寿命が短くなります。目標は、ディーゼルエンジンを負荷変動から遮断し、効率的な設定値で安定させることです。

解決：

「ピークシェービングと谷埋め」制御戦略：
1. ベースポイントの設定: ディーゼル発電機セットは、最適な効率ポイント (定格電力の 70% など) に設定された一定の電力出力で動作します。
2. 保管規則:
  - 負荷需要 > ディーゼル設定点の場合: 不足電力 (P_load - P_diesel_set）は、エネルギー貯蔵システムの放電によって補充されます。
  - 負荷需要 < ディーゼル設定点の場合: 余剰電力 (P_diesel_set - P_load）はエネルギー貯蔵システムの充電によって吸収されます。
システムの利点:
- ディーゼルエンジンは、常に高効率かつスムーズに稼働し、寿命を延ばし、メンテナンスコストを削減します。
- エネルギー貯蔵システムは急激な負荷変動を平滑化し、頻繁なディーゼル負荷の変化によって引き起こされる非効率性と摩耗を防ぎます。
- 全体的な燃料消費量が大幅に削減されます。

3. エネルギー貯蔵の突然の切断

問題の説明:
エネルギー貯蔵システムは、バッテリーの故障、PCSの故障、または保護トリップにより、突然オフラインになる可能性があります。貯蔵システムで処理されていた電力（発電用または消費用）が、瞬時にディーゼル発電機に完全に転送され、大きな電力ショックが発生します。

リスク:

ストレージが放電中（負荷をサポート中）の場合、その切断により全負荷がディーゼルに移り、過負荷、周波数（速度）の低下、保護シャットダウンが発生する可能性があります。
ストレージが充電中（余剰電力を吸収中）の場合、その切断によりディーゼルの余剰電力の行き場がなくなり、逆電力や過電圧が発生し、シャットダウンも引き起こされる可能性があります。

解決：

ディーゼル発電設備のサイドスピニングリザーブ：ディーゼル発電設備は、最適効率点のみに基づいて規模を決定するのではなく、動的予備容量を確保する必要があります。例えば、最大システム負荷が1000kWで、ディーゼル発電設備が700kWで運転されている場合、ディーゼル発電設備の定格容量は、700kW + 最大潜在的ステップ負荷（または蓄電設備の最大出力）よりも大きくなければなりません。例えば、1000kWのユニットを選択した場合、蓄電設備の故障に備えて300kWのバッファ容量を確保できます。
高速負荷制御:
1. システムのリアルタイム監視: ストレージシステムの状態と電力フローを継続的に監視します。
2. 障害検出: 突然のストレージ切断を検出すると、マスターコントローラーはすぐにディーゼルコントローラーに高速負荷削減信号を送信します。
3. ディーゼル応答：ディーゼルコントローラーは、新たな負荷に合わせて出力を下げるために即座に反応します（例えば、燃料噴射量を急速に減らすなど）。スピニングリザーブ容量は、このより遅い機械的応答のための時間を稼ぎます。
最終手段：負荷遮断：ディーゼル発電機が対応できないほど大きな電力ショックが発生した場合、最も信頼性の高い保護策は、重要でない負荷を遮断し、重要な負荷と発電機自体の安全を最優先することです。負荷遮断スキームは、システム設計において不可欠な保護要件です。

4. 無効電力問題

問題の説明:
無効電力は磁場を生成するために使用され、交流システムの電圧安定性を維持するために不可欠です。ディーゼル発電機と蓄電PCSの両方が無効電力の制御に関与する必要があります。

ディーゼル発電機：励磁電流を調整することで無効電力出力と電圧を制御します。無効電力供給能力には限界があり、応答速度も遅いです。
ストレージ PCS: 最新の PCS ユニットのほとんどは 4 象限であり、無効電力を独立して迅速に注入または吸収できます (皮相電力定格 kVA を超えないこと)。

課題: どちらのユニットにも過負荷をかけずに、システム電圧の安定性を確保するために、どのように両方を調整するか。

解決：

制御戦略:
1. ディーゼル発電機が電圧を制御：ディーゼル発電機はV/Fモードに設定され、システムの電圧と周波数の基準を確立する役割を果たします。安定した「電圧源」を提供します。
2. ストレージはリアクティブ制御に参加します（オプション）：
  - PQモード: ストレージは有効電力のみを処理します（P）、無効電力（Q）をゼロに設定します。ディーゼル発電機がすべての無効電力を供給します。これは最も簡単な方法ですが、ディーゼル発電機に負担がかかります。
  - 無効電力ディスパッチモード: システムマスターコントローラは無効電力コマンド（Q_セット）を蓄電PCSに供給します。系統電圧が低い場合は、蓄電PCSに無効電力を注入するよう指示し、高い場合は無効電力を吸収するよう指示します。これによりディーゼル機関の負担が軽減され、有効電力の出力に集中できるようになり、よりきめ細やかで迅速な電圧安定化が可能になります。
  - 力率 (PF) 制御モード: 目標力率 (例: 0.95) が設定され、ストレージは無効出力を自動的に調整して、ディーゼル発電機の端末での全体的な力率を一定に保ちます。
容量の考慮：蓄電PCSは、十分な皮相電力容量（kVA）を持つサイズにする必要があります。例えば、有効電力400kWを出力する500kWのPCSは、最大でsqrt(500² - 400²) = 300kVAr無効電力の需要が高い場合は、より大きなPCSが必要になります。

まとめ

ディーゼル発電機とエネルギー貯蔵装置間の安定した相互接続を成功させるには、階層制御が重要です。

ハードウェアレイヤー: 高速通信インターフェイスを備えた高速応答のストレージ PCS とディーゼルジェネレータコントローラーを選択します。
制御層：「ディーゼルがV/Fを設定し、蓄電装置がPQを行う」という基本アーキテクチャを採用。高速システムコントローラが、有効電力のピークシェービング／バレーフィリングと無効電力のサポートのためにリアルタイムの電力配分を実行します。
保護層: システム設計には、逆電力保護、過負荷保護、およびストレージの突然の切断に対処するための負荷制御 (負荷制限も含む) 戦略など、包括的な保護プランが含まれている必要があります。

上記のソリューションを通じて、提起された 4 つの主要な問題に効果的に対処し、効率的で安定した信頼性の高いディーゼルエネルギー貯蔵ハイブリッド電力システムを構築できます。