Offenes Simulationsmodell für netzgekoppelte PV ...€¦ · ACe PV2AC AC2T AC AC PV DC AC PV T DC...

Offenes Simulationsmodell

für netzgekoppelte PV-Batteriesysteme

Tjarko Tjaden, Johannes Weniger, Volker Quaschning

Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) Berlin

Christian Messner (AIT), Michael Knoop und Matthias Littwin (ISFH)Hauke Loges (elenia), Kai-Philipp Kairies und David Haberschusz (ISEA)

32. Symposium Photovoltaische Solarenergie,

Kloster Banz, Bad Staffelstein, 08.-10. März 2017

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Systemkomponenten und Energiewandlungspfade

PV-Generator

Last

MPP-Tracker

Wechsel-richter

Batterie-speicher

Netz

Laderegler

Umrichter

BAT

DC

DC

DC

AC

DC

AC

DC

DC

AC-gekoppelte Systeme

PV AC2 AC BAT2

AC AC

PV

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PV-Generator

Last

MPP-Tracker

Wechsel-richter

Batterie-speicher

Netz

Laderegler

Umrichter

BAT

DC

DC

DC

AC

DC

AC

DC

DC


PV AC2 AC BAT2

AC AC

PV

4


PV-Generator

Last

MPP-Tracker

Wechsel-richter

Batterie-speicher

Netz

Laderegler

Umrichter

BAT

DC

DC

DC

AC

DC

AC

DC

DC


PV AC2 AC BAT2

AC AC

PV

DC

AC

BATPV

DC

DC

DC

DC

DC-gekoppelte Systeme

DC

AC

PV AC2

PV BAT2

AC BAT2

PV-Generator

Last

MPP-Tracker

Umrichter

Batterie-speicher

Netz

Laderegler

(optional)

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AC

BATPV

DC

DC

DC

AC

DC

DC

PV-Generato ystemergekoppelte S

PV BAT2PV AC2

PV-Generator

Last

MPP-Tracker

Wechsel-richter

Batterie-speicher

Netz

Laderegler

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Verlustmechanismen in PV-Batteriesystemen

• Eigenschaften, die Abweichungen gegenüber dem idealen, verlustfreien Systemverhalten hervorrufen.

• Systemverluste führen in der Regel zum Anstieg des Netzbezugs oder zur Reduktion der Netzeinspeisung.

• Klassifizierung der Verlustmechanismen in fünf Kategorien.

Verlustmechanismen in Photovoltaik-Batteriesystemen

Umwandlungs-

verluste

Energiemanage-

mentverluste

Regelungs-

verluste

Bereitschafts-

verluste

Dimensionie-

rungsverluste

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Status Quo: Wirkungsgradangaben der Hersteller

Quelle: Hersteller

8

Ausschau nach dem Effizienzlabel

5 AG Speicherperformance

9


Label5

Hersteller, Institute, Hochschulenseit 2015 in einem Boot

AG Speicherperformance

10


Label5 AG Speicherperformance

Hersteller, Institute, Hochschulenseit 2015 in einem Boot

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Maßnahmen zur Steigerung der Vergleichbarkeit

Einheitliche Datenblattangaben

Label

Kennzahl

Labortest nach dem Effizienzleitfaden

Simulationstest

1

2

3

4

5

Sta

tus q

uo

Fehlende Messstandards

Eingeschränkte Vergleichbarkeit der Produkte

Mangelende Transparenz der Effizienzangaben

Großes Effizienz-Optimierungspotenzial


Label

Kennzahl


Simulationstest

1

2

3

4

5

Sta

tus q

uo





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Label

Kennzahl


Simulationstest

1

2

3

4

5

Sta

tus q

uo






Label

Kennzahl


Simulationstest

1

2

3

4

5

Sta

tus q

uo





• Prüfleitfaden für alle Topologien• AC-gekoppelt• DC-gekoppelt• PV-Generatorgekoppelt

• Ermittlung von Effizienzparametern

• Wirkungsgrade• Bereitschaftsverluste• Regelungseffizienz

• Veröffentlichung am 14.03.2017 auf der Energy Storage durch den BVES und BSW

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Label

Kennzahl


Simulationstest

1

2

3

4

5

Sta

tus q

uo






Label

Kennzahl


Simulationstest

1

2

3

4

5

Sta

tus q

uo





• Prüfberichte als Grundlage für weitere Schritte

• Prüfergebnisse• Nennleistung• Speicherkapazität• Auslastungsabhängige

Wirkungsgrade• Bereitschaftsverluste der

Systemkomponenten• Regelgeschwindigkeit und

Regelgenauigkeit

• Diskussion der Vorschläge zum den Datenblattangaben am 30.03.2017. Kontakt: BVES

Datenblatt

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Label

Kennzahl


Simulationstest

1

2

3

4

5

Sta

tus q

uo






Label

Kennzahl


Simulationstest

1

2

3

4

5

Sta

tus q

uo





• Prüfberichte als Grundlage für Simulationsprogramme

• Ziel des Simulationstests

• Vergleich der Systemperformance verschiedener Produkte unter identischen Bedingungen

• Werkzeug zur Produkt- und Systementwicklung

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Vorstellung des Simulationsmodells

• Performance-Simulationsmodell für AC-gekoppelte PV-Batteriesysteme (PerModAC).

• Matlab-Programmcode inkl. Eingangsdatensatz zur Simulation der Energieflüsse in einsekündiger Auflösung.

• Parametrierung des Modells auf Basis von Labormessungen nach dem Effizienzleitfaden.

• Modellansatz: „So einfach wie möglich, so komplex wie nötig.“

• Frei verfügbar: https://pvspeicher.htw-berlin.de/permod

PerMod AC

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Validierung durch Labormessungen

Christian MessnerMichael KnoopMatthias Littwin

Kai-Philipp KairiesDavid Haberschusz Hauke Loges

• Test von vier AC-gekoppelten Systemen durch Forschungsinstitute nach dem Effizienzleitfaden und Bereitstellung der Prüfberichte.

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• Messung über eine Woche im realen Betrieb durch Vorgabe einer PV-Generatorleistung und einer Last mit einer zeitlichen Auflösung von 1 s.

Differenzleistung AC-Batterieleistung (gemessen)

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• Messung über eine Woche im realen Betrieb durch Vorgabe einer PV-Generatorleistung und einer Last mit einer zeitlichen Auflösung von 1 s.

• Simulation des Systems mit den gleichen Eingangsdaten und anschließender Vergleich der Mess- und Simulationsergebnisse.

Differenzleistung AC-Batterieleistung (gemessen) AC-Batterieleistung (simuliert)

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Validierung anhand des AC-Systemnutzungsgrad

AC−Systemnutzunggrad

=AC−Batterieentladung

AC−Batterieladung

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Label

Kennzahl


Simulationstest

1

2

3

4

5

Sta

tus q

uo






Label

Kennzahl


Simulationstest

1

2

3

4

5

Sta

tus q

uo





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Kennzahlen aus der Jahressimulation für System 3

PV-Leistung 5 kWp, Verbrauch 5010 kWh/a, Kapazität 3,7 kWh

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Kennzahlen aus der Jahressimulation für System 3

PV-Leistung 5 kWp, Verbrauch 5010 kWh/a, Kapazität 3,7 kWh

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Einführung des System Performance Index (SPI)

PV-Leistung 5 kWp, Verbrauch 5010 kWh/a, Kapazität 3,7 kWh, Vergütung 12 ct/kWh, Bezugspreis 28 ct/kWh

Jährliche Stromkostenohne PV-System und Batteriespeicher

= 1403 €/a

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= 1403 €/a

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SPI =Kosteneinsparung des realen Systems

Kosteneinsparung des idealen Systems


= 1403 €/a

26





27



83

6 €

/a

97 €/a

Reales PV-System ohne Batteriespeicher



77,8%

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Schlussfolgerungen

• Der Effizienzleitfaden für PV-Batteriespeicher stellt einebedeutende Grundlage für die Bestimmung von Effizienzparameternfür Datenblattangaben und Simulationsmodelle dar.

• Der Anspruch eines umfassenden, anwendungsbezogenenVergleichs von PV-Batteriesystemen bei gleichzeitig geringemzeitlichen und finanziellen Aufwand kann am besten durchSimulationen erfüllt werden.

• Das PerModAC-Modell ermöglicht eine genaue Abbildung der Realität und kann zusammen mit der Community als Open Source Modell weiterentwickelt werden.

• Wichtigste Weiterentwicklung ist die Anpassung und Validierungdes Modells für PV-Generator- und DC-gekoppelte Systeme.

• Mit dem vorgestellten System Performance Index (SPI) könnenmittelfristig Speichersysteme aller Topologien anwendungsbezogentechnisch sowie ökonomisch miteinander verglichen werden.

• Damit ist der SPI eine geeignete Grundlage für Marktübersichtenund ein einheitliches sowie verständliches Effizienzlabel.

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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

pvspeicher.htw-berlin.de

Ein großer Dank an die Verbände

und den Fördermittelgeber / Projektträger

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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

pvspeicher.htw-berlin.de

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