Mikronetz-basierte Energiespeicher-systeme: HESS - Hybrid Energy Storage System.
Heutzutage werden Energiespeichersysteme in vielen Ländern
für die Energieplanung der Zukunft eingesetzt. Die Veränderungen der
Sonneneinstrahlung führen zu einer Überproduktion von Strom in einem
Photovoltaik-Generator. Ein hybrides Energiespeichersystem würde eine wichtige
Rolle bei der Verbesserung der Zuverlässigkeit der Stromerzeugung durch
Solarsysteme spielen. Das Mikronetz ist die unverzichtbare Infrastruktur des
intelligenten Netzes in Photovoltaikanlagen. In diesem Beitrag wird das
Energiespeichersystem innerhalb des Mikronetzes der PV-Anlage analysiert. Die
Konfiguration des Speichersystems und die Topologien des Mikronetzes werden mit
leistungselektronischen Interferenzen, Kontrollschema und Optimierung der
erneuerbaren Quelle und des Energiespeichersystems analysiert.
Ein hybrides Speichersystem und Microgrids (MG).
Eine allgemeine
Dimensionierungstechnik für HESS (Hybrid Energy Storage System) in einem PV-System auf der Grundlage von
Pinch-Analyse und Design Space. Die Größe der HESS-Skalen, die die
Generatorleistung mit der Speicherkapazität verbinden, wird durch die Anwendung
der Pinch-Analyse auf Last- und Ressourcendaten erstellt. Der Auslegungsraum
ist eine machbare Kombination aus einem kurzen, langen und mittleren
Energiespeichersystem in einem PV-Generator.
Einleitung
Aufgrund der zunehmenden Verknappung fossiler Brennstoffe und des Drucks auf die Umwelt entwickeln sich hocheffiziente Energiequellen der neuen Generation, wie Brennstoffzellen und Mikrogasturbinen, sowie erneuerbare Energiequellen, wie Wind- und Solarenergie, schnell zu den wichtigsten dezentralen Energieressourcen. Verteilte und erneuerbare Energiequellen werden einen wachsenden Anteil an der gesamten Stromerzeugung haben. Erneuerbare Energiequellen werden in zunehmendem Maße eingesetzt, um den Bedarf an elektrischer Energie zu decken und die Treibhausgasemissionen zu minimieren. Die intermittierende Natur der erneuerbaren Energiequellen wirkt sich negativ auf die Stromerzeugung aus und stellt ein Problem für die Gewährleistung einer ununterbrochenen und gleichmäßigen Stromversorgung der Verbraucher dar und gefährdet den Netzbetrieb in vielerlei Hinsicht.
Die lokale Zuverlässigkeit und Flexibilität des Stromnetzes wird durch das Microgrid verbessert. Ein Microgrid in Kombination mit erneuerbaren Energiequellen und dezentralen Erzeugungsquellen könnte eine bessere Antwort auf die steigenden Energieprobleme und eine Ergänzung zu den heutigen zentralisierten Stromnetzen sein. Aufgrund ihrer begrenzten Kapazität kann der reguläre Betrieb von Microgrids dem zufälligen Stromaustausch zwischen dem Versorger und den Lasten unterliegen, wodurch die Betriebsfähigkeit und die Stromqualität nur schwer gewährleistet werden können.
Die Energieerzeugung aus erneuerbaren Energieträgern schwankt, da viele erneuerbare Energieträger und Stromerzeuger stark von den klimatischen und meteorologischen Bedingungen abhängig sind, insbesondere bei lokalen Stromerzeugern mit geringer Kapazität und einem erneuerbaren Energiequellen-Anteil von mehr als 10 %. Das ist heute das wichtigste in einem Microgrid, da es ein intelligenter Ansatz ist, um potenzielle Leistungsschwankungen zu mildern und schwierige Probleme des Ungleichgewichts zwischen Angebot und Nachfrage zu bewältigen. Der Begriff verteilte Energieressourcen bezieht sich auf nicht erneuerbare und erneuerbare Energiesysteme. Dezentrale Erzeugungssysteme verteilen Elektrizität über das Stromnetz, indem sie kleinere Generatoren verwenden, die sich näher an den Verbrauchern befinden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verteilungssystemen nutzen Microgrid-Systeme eine Vielzahl von Quellen und Lasten, um Strom zu liefern, was für das Stromnetz erforderlich ist, um mit unkontrollierten Erzeugern fertig zu werden. Wenn mehrere unkontrollierte Quellen zum elektrischen System hinzugefügt werden, treten verschiedene technische Probleme auf, einschließlich der Stromqualität.
PV-Solarstrom nutzt die Sonne als Brennstoff, die zwar reichlich vorhanden, aber unberechenbar ist. Folglich schwankt die Ausgangsleistung dieser Systeme und ist proportional zur Unberechenbarkeit der Sonne. Die von einer Solarstromanlage erzeugte Energiemenge ändert sich mit der Sonneneinstrahlung. Da die Spannung im Mittelspannungsnetz stets streng reguliert wird, können sich die Probleme mit der PV- und Windkraftnutzung auf die Niederspannungsnetze beschränken. In diesem Beitrag wird das Energiespeichersystem innerhalb des Mikronetzes der PV-Anlage analysiert. Die Konfiguration des Speichersystems und die Topologien des Mikronetzes werden mit leistungselektronischen Störungen, Kontrollschema und Optimierung der erneuerbaren Energiequelle und des Energiespeichersystems analysiert. Eine allgemeine Dimensionierungstechnik für HESS in einem PV-System auf der Grundlage von Pinch-Analyse und Design Space.
Technische Probleme mit PV-Netzsystemen
Die Stromqualität ist das Hauptproblem im PV-Mikronetz. Sowohl aus Sicht des Kunden als auch aus Sicht des Energieversorgers ist die Netzqualität entscheidend. Die Stromversorgungssysteme sind für den Betrieb mit einer sinusförmigen Spannung mit einer bestimmten Spannung und Frequenz ausgelegt. Das Problem der Netzqualität ist definiert als jede wesentliche Änderung der Frequenz, der Spannungshöhe oder der Reinheit der Wellenform. In neueren elektrischen Geräten werden mikroprozessorgesteuerte Regler verwendet, und leistungselektronische Geräte sind empfindlicher gegenüber Spannungsschwankungen.
Schwankungen in der Sonneneinstrahlung führen zu Schwankungen im Arbeitspunkt der Solarzellen, d. h. in der Betriebsspannung und im Strom. Die Spannung kann reguliert werden, da bei einem Stromversorgungssystem ohne Strom alle Anstrengungen unternommen werden müssen, um die Spannung innerhalb eines bestimmten und akzeptablen Bereichs zu halten, damit die an die Verteilungsnetze angeschlossenen PV-Generatoren die Stromqualität nicht beeinträchtigen.
Bei einer hohen Konzentration von PV-Dachanlagen kann es vorkommen, dass die momentane Leistungsabgabe den unmittelbaren Stromverbrauch übersteigt. Infolge des Leistungsungleichgewichts fließt die Leistung zum Niederspannungstransformator, der den Mittelspannungstransformator bildet, was bedeutet, dass die Nettoleistung von der Mittelspannung zum Niederspannungstransformator zurückfließt. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die maximale PV-Durchdringung zu bestimmen, die in ein Stromnetz eingespeist werden kann, ohne dass es zu Schwierigkeiten im Stromnetz kommt.
Die Festlegung einer Grenze zur Maximierung der Möglichkeiten ist von großer Bedeutung, und die Erzeugung von Oberschwingungen durch Microgrids ist ein weiteres Problem. PV-Solaranlagen erzeugen Gleichstrom, was die Installation eines Wechselrichters für den Anschluss an das Stromnetz erforderlich macht. Von diesen Wechselrichtern gehen Oberschwingungsströme aus. Die Wechselrichtertechnologie hat sich in den letzten Jahren erheblich weiterentwickelt, so dass die Anzahl der von Wechselrichtern erzeugten Oberschwingungen deutlich zurückgegangen ist.
Vorteil eines Mikronetz-basierten Energiespeichersystems
Der Zweck besteht darin, als Puffer oder Backup im Falle einer Leistungsdiskrepanz zwischen der stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Seite zu fungieren. Dieser Ansatz wurde zum ersten Mal in den frühen Stadien der Stromversorgungssysteme verwendet, z. B. als das Gleichstromübertragungssystem in New York City in den frühen 1800er Jahren eingeführt wurde. Jahrhunderts in New York City eingeführt wurde. Blei-Säure-Zellen lieferten damals bereits Energie für Glühbirnen, so dass die Motoren nachts abgeschaltet werden konnten. Netzgekoppelte PV-Solaranlagen erzeugen Strom nach Bedarf und stellen sicher, dass der Strom auf die effektivste Art und Weise an die Verbraucher geliefert wird, und in vielen Situationen entspricht das Erzeugungsmuster der PV-Anlagen dem Verbrauchsmuster. Aufgrund der Vorteile der netzgekoppelten PV-Anlagen sind Energieversorger und Kunden an dezentralen Erzeugungssystemen interessiert, wenn auch aus entgegengesetzten Perspektiven. Die netzgekoppelte PV ist für Versorgungsunternehmen interessant, weil sie über ihr bestehendes Netz Strom erzeugen und an ihre Kunden verkaufen können. Einige Versorgungsunternehmen betrachten große netzgekoppelte PV-Systeme als eine Möglichkeit, den Bedarf an herkömmlicher Netzverstärkung zu verringern. Der Vorteil von PV-Anlagen aus Sicht der Stromverbraucher besteht darin, dass sie von einer Standby-Stromerzeugung profitieren können.
Materialien und Methoden
Systembeschreibung
Das Mikronetz mit einem System für erneuerbare Energien besteht aus dem DC-Bus und dem leistungselektronischen Wandler (PEC), der zur Verbindung des Mikronetz-Teilsystems verwendet wird. Das ESS (Energy Storage System) wird zur Steuerung des Last- und Leistungsflusses verwendet. Das HESS hat die Form einer Batterie und eines Ultrakondensators. Der Spannungsregler verbindet das Mikronetz mit dem PV-Panel. Das Layout des Mikronetzsystems ist in Abbildung 1 dargestellt. Dies gibt die Ausgangsleistung des Ultrakondensators an.
Die Batterie und der Ultrakondensator werden in einem Energiespeichersystem verwendet, in dem eine Komponente nicht ausreicht, um die wechselnde Leistung zu übertragen. Das Mikronetz nimmt wenig Platz ein und erzeugt einen geringen Leitungswiderstand.
Hybride Energiespeichertopologien
Für die Verbindung von HESS und Microgrids können verschiedene Topologien verwendet werden. Zur Integration von HPS mit HES können verschiedene Topologien verwendet werden. Es gibt drei Arten von Stromrichtertopologien: passiv, semiaktiv und aktiv. Zwei Speicher mit der gleichen Spannung lassen sich in einer passiven Topologie leicht verbinden, die eine effiziente, einfache und kostengünstige Architektur darstellt. Die Leistungsverteilung zwischen HPS- und HES-Einheiten wird hauptsächlich durch interne Widerstände und die Spannungs-Strom-Kennlinie bestimmt, da die Klemmenspannung der Speicher nicht geregelt ist. Infolgedessen steht dem HPS nur eine sehr begrenzte Energiemenge zur Verfügung, und es fungiert als Tiefpassfilter für das HESS.
Bei der semiaktiven Topologie wird der Stromrichter an der Klemme eines Speichersystems platziert, und ein anderes Speichersystem wird direkt an den DC-Bus angeschlossen. Obwohl die Hinzufügung eines Stromrichters den Bauraum und die Kosten erhöht, bietet die Architektur eine bessere Steuerbarkeit und Dispatch-Möglichkeiten. Die zusätzlichen Umrichter in dieser Architektur erhöhen den Betriebsbereich des HESS.
Aktive HESS-Topologien bestehen aus zwei oder mehr Energiespeichern, die über einen separaten Stromrichter an das Speichersystem angeschlossen sind. Obwohl die Verluste, die Komplexität und die Kosten des Systems steigen, bietet diese Art von Topologie bestimmte Vorteile. Die Vorteile dieses Aufbaus bestehen darin, dass alle Speicherleistungen aktiv verwaltet werden können.
Konfiguration des Energiespeichersystems
Ein ESS ist eine wesentliche Komponente für den effizienten Betrieb eines MG. Es bietet dem Kunden die Möglichkeit, verteilte Energiequellen wie Solarzellen und Windturbinen zu nutzen. Zusammen mit den Erzeugungsquellen ist es der wichtigste Beitrag zum Ausgleich der Stromnachfrage. Die gesammelte Energie kann in Zeiten hoher Nachfrage zur Stromerzeugung genutzt werden. Je größer die Energiespeicherkapazität ist, desto komplizierter und teurer wird die Herstellung und Steuerung der ESS. Kleine und verteilte Energiespeicher können daher für eine flexible und effiziente Leistungssteuerung genutzt werden. Mit verschiedenen Schnittstellen werden mit der ESS-Einheit in der verteilten ESS-Einrichtung verbunden. Die Gleichstromschnittstelle wird für Solar-PV benötigt. Im Allgemeinen ist ein DC-Chopper einfacher zu verwenden und kostengünstiger als ein DC-Wandler. Der Vorteil der Verbindung des Netzes mit DER und ESS besteht darin, dass die Kosten für elektrische Störungen gesenkt und die Effizienz erhöht werden. Da sie sich nur mit einer Art von Quelle befassen müssen, sind diese Systeme in der Regel einfach zu handhaben. Bevor der von der erneuerbaren Quelle erzeugte Strom gespeichert wird, wird er über die Übertragungsleitung transportiert, wodurch die konzentrierten Leistungsflüsse auf der Leitung und die Vorteile des verzögerten Leitungsbaus ausgeglichen werden. Trotz der Tatsache, dass sowohl die DER- als auch die ESS-Leistungselektronik-Schnittstellen separat eingestellt werden können, entstehen bei Schnittstellen und Leitungsimpedanzen, die mit zwei Anlagen verbunden sind, Verluste im Speicherprozess. MG, eine Kombination aus verteilten und aggregierten ESS, könnte in Zukunft die beste Lösung sein.
Leistungselektronische Schnittstelle des Energiespeichersystems
Die Leistungsschnittstelle des Energiespeichersystems ist in Abbildung 2 dargestellt. Im Gegensatz zu konventionellen Umrichtern, die nur dann arbeiten, wenn die Primärquelle zugänglich ist, arbeitet die ESS-Schnittstelle kontinuierlich, um den MG über einen langen Zeitraum in Betrieb zu halten. Daher sind Zuverlässigkeit und Effizienz die wichtigsten Faktoren, die bei der Auswahl der Umrichtertopologie zu berücksichtigen sind. Hochfrequenz-Generatoren, Netzfrequenz-Generatoren und Gleichstrom-Generatoren sind die drei gebräuchlichsten Formen von Generatoren, die jeweils einen eigenen Ansatz für den ESS-Zugang erfordern. Der Einfachheit halber werden alle ESS als Gleichstromquellen betrachtet, da ESS einen Gleichstromanschluss haben oder in Gleichstrom umgewandelt werden können.
Hybrides Energiespeichersystem
Die Bestimmung der richtigen Speicherkapazität ist eine der größten Herausforderungen bei HESS-Anwendungen. Es wurden verschiedene Techniken zur Bemessung der Speicherkapazität vorgestellt. Einige Verfahren wurden entwickelt, um die HESS-Kapazität einer bestimmten Technologie zu bewerten, während andere zur Dimensionierung aller Arten von Speichern unabhängig von der Technologie verwendet werden können. Die Methoden zur Bemessung von Batterien und ihre Anwendung bei verschiedenen erneuerbaren Energien werden untersucht. Die Gesamtkosten des Systems sowie seine Zuverlässigkeit sollten im Rahmen des HESS-Dimensionierungsansatzes berücksichtigt werden.
Der größte Nachteil erneuerbarer Energiequellen besteht darin, dass sie im Gegensatz zu herkömmlichen Energiequellen nicht für eine spätere Nutzung gespeichert werden können. Daher ist es entscheidend, so viel Energie wie möglich aus ihnen zu gewinnen, solange sie noch verfügbar sind. Da sie außerdem von den klimatischen Bedingungen des Standorts abhängig sind, kann nicht garantiert werden, dass sie zu jeder Zeit konstant und konzentriert zur Verfügung stehen. Infolgedessen sind sie unregelmäßig und unzuverlässig. Die von der Photovoltaik gelieferte Elektrizität ist besonders anfällig für harmonische Verzerrungen und damit verbundene Fehler, die das Funktionieren des Systems beeinträchtigen können, da das Verhalten der Sonne sehr unvorhersehbar ist.
Unter diesen Umständen ist ein HESS erforderlich, um die Anomalien zu glätten und die Stromqualität zu verbessern. Die Steuerung der Leistungsabgabe und die Bereitstellung von Hilfsdiensten nach Bedarf sind weitere wichtige Funktionen von ESS. Daher sind sie eine wesentliche Energiequelle für die Erreichung eines hohen Anteils an erneuerbaren Energien im System. HESS können jedes Leistungsungleichgewicht zwischen der Last und den Erzeugungseinheiten ausgleichen, indem sie als Puffer oder Backup fungieren. Ein Mikronetz im Inselbetrieb ist auf HESS angewiesen, um das Gleichgewicht von Real- und Blindleistung aufrechtzuerhalten, falls bestimmte DGs ausfallen.
Selbst wenn die Situation durch Lastabwurf oder das Hochfahren zusätzlicher Erzeugungseinheiten gelöst wird, ist HESS für die schnelle Schließung der Leistungslücke unerlässlich. ESS sind erforderlich, wenn der MG am Netz ist, um die Netzqualität zu erhalten und die Blindleistung zu steuern. Die HESS-Skalierungstechniken können sich je nach Zielsetzung der HESS-Anwendung ändern. Die Kapazitätsgröße wird mit dem Ansatz der Pinch-Analyse bestimmt.
Pinch-Analyse
Die Pinch-Analyse ist ein einfaches und anpassungsfähiges Verfahren zur Bewertung der Standorte mit der niedrigsten Energie in einem Wärmetauschernetz. Diese Technik ist eine wesentlich leichtere Technik, die in einem erneuerbaren Mikronetz eingesetzt werden kann. In HESS-Implementierungen wird die Pinch-Analyse verwendet. Diese Strategie basiert auf Variationen bei der Energiespeichererzeugung, der Last und den Entladezeiten. Dimensionierungskurven für unterschiedliche Intervallskalen werden durch Anwendung von PAM auf Ressourcen- und Lastinformationen berechnet. Die so ermittelte Kurve gibt eine Reihe von Datenspeichern an, die für die gegebene Zeitskala realisierbar sind. Die Pinch-Analyse hat sich bei der Einsparung einer Vielzahl von Ressourcen als wirksam erwiesen. Pinch-Analyse-Tools werden für die Entwicklung isolierter Energiesysteme eingesetzt. Die Notwendigkeit, vor dem Entwurf Ziele zu setzen, wird durch die Pinch-Analyse erkannt. So können mehrere Ziele für die Prozessgestaltung bewertet werden, bevor der Prozess im Detail entworfen wird. Die Pinch-Analyse bietet dem Systemarchitekten auch Diagrammwerkzeuge zur einfacheren Visualisierung und Steuerung von Entscheidungsprozessen. Pinch-Analysewerkzeuge können verwendet werden, um verallgemeinerte Herausforderungen der Ressourcenschonung zu lösen, indem verallgemeinerte Ströme aus verschiedenen Quellen auf verschiedene Bedürfnisse verteilt werden, während gleichzeitig verallgemeinerte Qualitätskriterien erfüllt werden.
System zur Leistungssteuerung
Die Steuerungsmethode für ein hybrides ESS ist wesentlich schwieriger. Die Umverteilung des Stromnetzes und die Eigenschaften des ESS sollten in Bezug auf die persönliche Ladung/Entladung untersucht werden. Wenn Batterien und Superkondensatoren zur Deckung des Lastbedarfs eingesetzt werden, können Ultrakondensatoren beispielsweise schneller mit der Spitzenleistung reagieren als die Batterie, aber sie halten weniger lange. Infolgedessen entladen oder laden sich die Batterien langsam und sicher, während Superkondensatoren überschüssigen Zwischen- und starken und entscheidenden Batteriestrom kontrollieren können. In dieser Situation müssen sowohl die Batterie als auch die Superkondensatoren von zwei getrennten Regelkreisen gesteuert werden. Batterien/Superkondensatoren müssen nach den Anweisungen des Herstellers aufgeladen oder entladen werden, um eine lange Lebensdauer, maximale Leistung und maximale Effizienz zu erreichen. Herkömmliche Blei-Säure-Batterien beispielsweise müssen lange mit niedrigen Strömen geladen werden, um die Sulfatierung der Bleiplatten zu beseitigen. Das wiederaufladbare ESS kann häufig aufgeladen werden, während es sich an die Schwankungen der MG-Leistung (SOC) anpasst. Wenn ein Gerät weniger als vollständig entladen ist und daher weniger als vollständig aufgeladen wird, bevor es wieder entladen wird, spricht man vom SOC-Betrieb mit geringer Leistung. Die Probleme beim Laden und Entladen werden durch ein ausgeklügeltes Batterie-/Superkondensatormanagementsystem gelöst. Die beiden gebräuchlichsten Lademodi bei Energiespeichern sind Konstantstrom und Konstantspannung. Beim Laden mit konstanter Leistung wird die Strategie der periodischen Zustandsrückkopplung verwendet, während beim Laden mit konstanter Leistung eine Spannungs- oder Strom-Doppelschleifenregelung zum Einsatz kommt. Ein Spannungs- oder Strom-Doppelschleifenverfahren ist auch für die Entladesteuerung von ESS erforderlich. Viele fortschrittliche Regelungsansätze, darunter neuronale Netze, Fuzzy-Regelung und selbstanpassende Regelung, eignen sich gut für das Entladen und Laden bei hochgradig nichtlinearem Verhalten des Ladevorgangs. Variationen der Zellparameter, ungleichmäßige Ladung, Verbindung zwischen Entladeprozess, ESS-Alterungsprobleme und andere Probleme sollten sorgfältig untersucht werden.