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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
2
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
3
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
4
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
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)
5
Systemkomponenten und Energiewandlungspfade
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
6
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
7
Status Quo: Wirkungsgradangaben der Hersteller
Quelle: Hersteller
8
Ausschau nach dem Effizienzlabel
5 AG Speicherperformance
9
Ausschau nach dem Effizienzlabel
Label5
Hersteller, Institute, Hochschulenseit 2015 in einem Boot
AG Speicherperformance
10
Ausschau nach dem Effizienzlabel
Label5 AG Speicherperformance
Hersteller, Institute, Hochschulenseit 2015 in einem Boot
11
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
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
12
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
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
• 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
13
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
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
• 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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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
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
• 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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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.
• 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)
18
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.
• 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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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
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
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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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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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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
SPI =Kosteneinsparung des realen Systems
Kosteneinsparung des idealen Systems
Jährliche Stromkostenohne PV-System und Batteriespeicher
= 1403 €/a
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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
SPI =Kosteneinsparung des realen Systems
Kosteneinsparung des idealen Systems
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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
83
6 €
/a
97 €/a
Reales PV-System ohne Batteriespeicher
SPI =Kosteneinsparung des realen Systems
Kosteneinsparung des idealen Systems
77,8%
28
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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