PV-Batteriespeichersystem Prüfstand

Transkript

1 PV-Batteriespeichersystem Prüfstand Messergebnisse und Automatisierung Präsentation von Jonas Wälten Assistent und Masterstudent Berner PV-Labor Fachhochschule Haute école spécialisée bernoise Bern University of Applied Sciences

2 Inhalt Vorstellung des Effizienzleitfadens (März 2017) Präsentation verschiedener Messergenbisse Messprogramm zur Automatisierung des Prüfstandes (Masterthesis) Zusammenfassung 2

3 Effizienzleitfaden für PV- Speichersysteme Einheitliches Prüfverfahren zur messtechnischen Charakterisierung der Energieeffizienz von PV-Speichersystemen 3

4 Motivation für den Effizienzleitfaden Rasant wachsender Markt Junger Markt, ca. 40 Anbieter mit rund 300 verschiedene Systeme Vereinheitlichung der Bewertung Besserer Vergleich der Energieeffizienz Parametrisierung von Simulationsmodellen für anwendungsspezifische Analyse (PerModAC) ( Kumulierte Anzahl der Installationen von PV- Speichern in Deutschland von Mai 2013 bis April Jahresbericht-2016-Kairies-web.pdf 4

5 Topologien: Anwendungsbereich des Leitfadens

6 Inhalt des Effizienzleitfadens Wirkungsgrade des Leistungsumwandlungssystems PV-Netzeinspeisung oder Direktnutzung (PV2AC) Batterieladung (PV2BAT / AC2BAT) Batterieentladung (BAT2AC) Leistungsaufnahme im Leerlauf und Standby Batteriewirkungsgrad (Round Trip Efficiency) Regelabweichung dynamisch statisch 6

7 Wirkungsgrade der Energiepfade Prüfung erfolgt durch Vorgabe eines PV-Profils und Lastprofils bei mittlerem SOC oder bei maximalem SOC Prüfung mit Nominalleistung und 7 Teillaststufen Bei PV2BAT und PV2AC erfolgt Prüfung bei nom., min. und max. MPP-Spannung Messdauer über 80 Sekunden am Ende jeder Stufe Treppenprofil zur Ermittlung der Pfadwirkungsgrade PV2BAT, BAT2AC, PV2AC, BAT2AC 7

8 Leistungsaufnahme im Leerlauf und Standby Prüfung erfolgt bei vollständig geladener und entladener Batterie. Es wird die Batterie- und Netzleistung gemessen. PV-Batteriespeichersysteme haben einen relevanten Standby Verbrauch. 8

9 Bestimmung des Batteriewirkungsgrades Der Wirkungsgrad entspricht dem Verhältnis aus entnommener Energie und geladener Energie Batterie wird mit konstanter Leistung entladen und geladen Messung wird bei 100%, 50% und 25% der Nominalleistung durchgeführt Ausschnitt aus Prüfprogramm PVBAT TEST rot: entladen orange: laden 9

10 Statische Regelabweichung Führen zu unerwünschtem Energieaustausch zwischen Netz und Batterie Es wird ungewollt Energie vom Netz bezogen oder eingespeist Die Abweichung entspricht der Netzleistung im eingeschwungenen Zustand Die Abweichung wird aus Pfadwirkungsgradmessung gewonnen Das Treppenprofil zur Ermittlung der Pfadwirkungsgrade wird auch zur Ermittlung der statischen Regelabweichung verwendet 10

11 Dynamische Regelabweichung Beschreibt wie schnell ein System auf eine Leistungsänderung reagiert Prüfung erfolgt bei konstanter PV-Leistung und mit 14-stufigem Lastprofil bei mittlerem SOC. Während einem Zyklus wird die Batterie gleichermassen geladen und entladen. Aus Messung wird Totund Einschwingzeit ermittelt. Rot: Grün: Resultierende Leistung PV > Netzleistung Lastleistung => Batterie wird geladen Rot: Leistung PV < Lastleistung => Batterie wird entladen 11

12 Messung und Vergleich von verschiedenen PV-Speichersystemen 12

13 Die fünf untersuchten Systeme Farbe Topologie Lade/Entladeleistung Kapazität AC-gekoppelt 2000 W 5.9 kwh DC-gekoppelt 4600 W 5.7 kwh DC-gekoppelt 3100 W 6.0 kwh DC-gekoppelt 2400 W 3.6 kwh DC-gekoppelt 8000 W 10.0 kwh 13

14 Wirkungsgrade PV2AC (Netzeinspeisung) DC gekoppelte Systeme Max. Wirkungsgrade 96.2%-97.5%. Wirkungsgrad ist auch im Teillastbereich stabil Selbst bei 10% der Auslastung noch über 90% Wirkungsgrad Stand der Technik für moderne Wechselrichter Ausnahme stellt das grüne System dar Wirkungsgrad PV2AC 100% 95% 90% 85% 80% 75% 70% 65% 60% 0% 20% 40% 60% 80% 100% Eingangsleistung / Bemessungseingangsleistung 14

15 Wirkungsgrade PV2BAT / AC2BAT (Batterie laden) Max. Wirkungsgrade 92%-96% Für die meisten Systeme fällt der Wirkungsgrad im Teillastbereich kontinuierlich ab. Ab 40% Auslastung zum Teil erhöhter Rückgang des Wirkungsgrades. Ab 20% starker Rückgang des Wirkungsgrades. Wirkungsgrad PV2BAT AC2BAT 100% 95% 90% 85% 80% 75% 70% 65% 60% 0% 20% 40% 60% 80% 100% Eingangsleistung / Bemessungseingangsleistung 15

16 Wirkungsgrade BAT2AC (Batterie entladen) Max. Wirkungsgrade 92.2%-93.8%. Bis ca. 40% fällt der Wirkungsgrad im Teillastbereich kontinuierlich ab. Ab ca. 40% Auslastung verstärkter Rückgang des Wirkungsgrades. Ab 20% -30% Auslastung sehr starker Rückgang des Wirkungsgrades. Wirkungsgrad BAT2AC 100% 95% 90% 85% 80% 75% 70% 65% 60% 0% 20% 40% 60% 80% 100% Ausgangsleistung / Bemessungsausgangsleistung 16

17 Leistungsaufnahme im Leerlauf und Standby Durchschnittlicher Leerlaufverbrauch zwischen Watt. 91 Watt Verbrauch als Höchstwert. Im Standby Betrieb reduziert sich der Verbrauch um Faktor 2 bis 5. Das grüne System* hat gar keinen Standby Betrieb! Leistungsaufnahme in Watt * Leerlauf Standby 17

18 Batteriewirkungsgrad Wirkungsgrad zwischen 88.4 % % -> Lithium Ionen! Wirkungsgrad bei nominaler Leistung Wirkungsgrad ist leistungsabhängig! Das braune System hat einen Vorteil durch seine kleine Nennleistung! Batteriewirkungsgrad 100% 98% 96% 94% 92% 90% 88% 86% 97.35% 89.61% 89.04% 88.40% 96.81% 84% 82% Wirkungsgrad bei nominaler Lade- und Entladeleistung (Ausnahme: grünes System wurde bei 50% der nominalen Leistung gemessen) 18

19 Statische Regelabweichung Die Regelgenauigkeit variiert von einigen Watt bis 100 Watt. Sie ist abhängig von der Systemgrösse! Das grüne System ist ca. doppelt so gross wie die anderen vier Systeme! Statische Regelabweichung in Watt Je nach System wird die Leistung aus dem Netz bezogen oder eingespeist 19

20 Dynamische Regelabweichung Einschwingzeit variiert sehr stark. Drei Systeme weisen Einschwingzeiten von unter 1 Sekunde auf. Ein System benötigt über eine halbe Minute, um auf die Änderungen zu reagieren. Einschwingzeit in Sekunden Mittlere Einschwingzeit in Sekunden

21 Automatisierter Prüfstand PVBAT TEST Masterthesis von Jonas Wälten 21

22 Die Prüfungssoftware «PVBAT TEST» Das finale Prüfprogramm zur automatischen Messung nach «Effizienzleitfaden» 22

23 PV-Profil «Erzeugen» Programm zur Erzeugung des PV-Profils, dass zur Ermittlung des Wirkungsgrades PV2AC benötigt wird 23

24 PV-Profil «Messen» Programm, das während der Messung des Stufenprofils angezeigt wird 24

25 Auswertung der PV2AC Messung Programm zur Auswertung des Wirkungsgrades PV2AC 25

26 Datenblatt mit allen Performance Angaben 26

27 Zusammenfassung 27

28 Zusammenfassung Effizienzleitfaden ist im März 2017 erschienen. Er dient zur Charakterisierung der Wirkungsgrade, des Standby Verbrauchs und der Regeleffizienz von PV-Speichersystemen. Systeme weisen gute PV2AC Wirkungsgrade auf. Der Wirkungsgrad der Batterieladung und entladung hat Steigerungspotential. Leerlauf- und Standby-Verbräuche sind zum Teil hoch, sie haben Verbesserungspotential. Das PV-Labor der BFH-TI verfügt neu über einen vollautomatisierten PV-Speichersystemprüfstand, mit dem die Systeme schneller und günstiger gemessen werden können. (24h/ 7 Tage pro Woche) 28

29 Danke für Ihre Aufmerksamkeit. 29