EnQS carries out efficiency measurements in accordance with the efficiency guidelines for PV storage systems. This is a test guideline for characterizing the efficiency, standby consumption and control efficiency of stationary battery storage systems, which are often integrated into home energy management systems (HEMS). In this context, EnQS is expanding its measurement and testing equipment in the EnQS Testlab and thus its portfolio of HEMS-related services.
Der Effizienzleitfaden für PV-Speichersysteme [1] hat sich zum Ziel gesetzt, Effizienzmessungen an PV-Speichersystemen vergleichbar zu machen. Die Forschungsgruppe Solarspeichersysteme von der HTW Berlin nutzt diesen Leitfaden u.a. für ihre jährliche Veröffentlichung der „Stromspeicher-Inspektion“ [2]. Das EnQS-Team hat ein aktuelles Kundenprojekt zum Anlass genommen, sein Mess- und Prüfequipment im EnQS Testlab zu erweitern, um Messungen mit der erforderlichen Präzision durchführen zu können. Ende 2023 konnte die erste Vermessung eines Hybrid-Speichersystems abgeschlossen werden.
Neben DC-gekoppelten Systemen spezifiziert der Effizienzleitfaden auch Effizienzmessungen für AC-gekoppelte Systeme und PV-Generatorgekoppelte Systeme. Für Hybrid-Speichersysteme ist die Vermessung der folgenden drei Wandlungspfade spezifiziert: AC-Netzeinspeisung durch PV (PV2AC), Batterieladung durch PV (PV2BAT) und Batterieentladung durch lokale AC-Verbraucher (BAT2AC)
Im Prüfaufbau wurden Leistung, Energie und Spannung an den im folgenden Schema dargestellten Messpunkten durch Präzisions-Leistungsmessgeräte erfasst:
Die Messungen und Auswertungen erfolgten in den folgenden vier Kategorien:
1. Batteriewirkungsgrad (DC)
2. Wirkungsgrad Leistungsumwandlungssystem (PV2AC, PC2BAT, BAT2AC)
3. Regelgeschwindigkeit
4. Leistungsaufnahme im Standby
1. Batteriewirkungsgrad (DC)
Der Wirkungsgrad von Batterien variiert unter anderem in Abhängigkeit der Lade- und Entladeleistung. Der Effizienzleitfaden beschreibt deshalb Tests zur Charakterisierung des leistungsabhängigen Batteriewirkungsgrads. Ausgangszustand des Tests ist eine vollständig geladene Batterie.
Im Testverlauf wurde die Batterie durch Vorgabe einer konstanten Last und keiner Erzeugung vollständig entladen und anschließend durch Vorgabe einer konstanten Erzeugung und keiner Last wieder vollständig geladen (Vollzyklus). Schließlich wurde der round-trip-Wirkungsgrad durch das Verhältnis aus zugeführter und entnommener DC-seitiger Energie bestimmt.
Für jeden der drei Zyklen mit 100%, 50% bzw. 25% Leistung sind drei Iterationen vorgesehen, so dass insgesamt 9 vollständige Zyklen mit unterschiedlichen Entlade- und Ladeleistungen durchgeführt wurden.
2. Wirkungsgrad Leistungsumwandlungssystem
Für alle drei Wandlungspfade (PV2AC, PV2BAT und BAT2AC) wurden die Wirkungsgrade bzw. auftretende Verluste des Leistungsumwandlungssystems ermittelt. Dieses besteht prinzipiell aus der Leistungselektronik, eventuell erforderlichen Niederfrequenz- oder Hochfrequenz- Transformatoren sowie ggf. zusätzlichen Lüftern zur Kühlung. Der Wirkungsgrad des Leistungsumwandlungssystems wurde bei Voll- und Teillast für die einzelnen Energiewandlungspfade bestimmt.
Für den Wandlungspfad PV2AC erfolgten drei Messungen, jeweils mit minimaler, nominaler und maximaler Spannung der MPP-Tracker. Um das Verhalten einer realen PV-Anlage so realistisch wie möglich zu simulieren und gleichzeitig reproduzierbare Ergebnisse zu erzeugen, wurden die PV-Profile für jeden MPP-Tracker mit einem Solar Array Simulator (SAS) erzeugt, der die U/I-Kennlinie der Module realistisch nachbildet. Auf diese Weise kann die theoretisch am MPP-Tracker verfügbare Leistung ermittelt und zusammen mit dem Messwert der tatsächlich abgerufenen Leistung somit der MPPT-Wirkungsgrad bestimmt werden. Die Gesamt-Wirkungsgrade jeder Leistungsstufe (100%, 75%, 50%, 30%, 25%, 20%, 10% und 5%) für den Wandlungspfad PV2AC errechnen sich schließlich aus dem Produkt des MPPT-Wirkungsgrads und des Umwandlungswirkungsgrads.
Auch die Messungen im Wandlungspfad PV2BAT erfolgten jeweils mit drei unterschiedlichen MPPT-Spannungen sowie mit der oben dargestellten Prüfsequenz, die in diesem Fall auf die Bemessungsleistung zur maximalen Batterieladeleistung normiert wurde.
Der Wirkungsgrad des Systems bei der Batterieentladung (BAT2AC) hängt von der Entladeleistung der Batterie und der Batteriespannung ab. Letztere wird wiederum durch den SOC, den Batteriestrom sowie die Batteriekonfiguration beeinflusst. Die Prüfung erfolgte durch Vorgabe der Last mit der oben dargestellten Prüfsequenz, die in diesem Fall auf die Bemessungsleistung zur maximalen Batterieentladeleistung normiert wurde. Zudem wurde die Messung bei einem repräsentativen (durchschnittlichen) SOC durchgeführt.
3. Quantifizierung der Regelgeschwindigkeit
Beim Einsatz von Speichersystemen in der Praxis treten stationäre und dynamische Abweichungen zwischen der geforderten und der bereitgestellten AC-seitigen Batterieleistung auf. Dies kann einen unerwünschten Energieaustausch zwischen dem Batteriespeichersystem und dem Netz zur Folge haben. Deshalb definiert der Effizienzleitfade Prüfroutinen zur dynamischen und stationären Regelabweichung des Speichersystems.
Zur Bestimmung der dynamischen Regelabweichung wurde ein 14-stufiges Lastprofil 10-mal hintereinander mit einer definierten Haltedauer je Stufe abgefahren. Ziel ist die Bestimmung der so genannten Totzeit sowie der Einschwingzeit je Stufe bzw. die durchschnittliche Einschwingzeit über die gesamte Testreihe.
Die folgende Abbildung zeigt das typische Einschwingverhalten der Batterieleistung (blau) nach einer abrupten Änderung der Last-Leistung (gelb) zum Zeitpunkt t0. Festgelegt werden die beiden Toleranzbänder (grün) um die Start- sowie die Ziel-Batterieleistung. Gemessen wird schließlich die Totzeit bis zum Ausbrechen der Batterieleistung aus dem Start-Toleranzband sowie die Einschwingzeit bis zum Erreichen des Ziel-Toleranzbandes (ohne weiteren Austritt bis zum Ende der Haltedauer).
Während die Messung der dynamischen Regelabweichungen die Quantifizierung der Einschwingzeiten zum Ziel hat, werden bei der Messung der stationären Regelabweichungen die Energiemengen quantifiziert, die nach Erreichen des eingeschwungenen Zustandes (unerwünscht) mit dem Netz ausgetauscht werden.
4. Leistungsaufnahme im Standby
In allen definierten Standby-Zuständen des Speichersystems sowie im Zustand „aus“ wurden die AC- und DC-Leistungsaufnahme ermittelt.
Schließlich erfolgt eine strukturierte Kurzfassung, um die Messergebnisse unterschiedlicher Speichersysteme vergleichbar zu machen.
Bei EnQS wurden zwar schon häufig Effizienzmessungen an PV-Speichersystemen durchgeführt, allerdings bisher nicht nach einer so klar vorgegebenen Struktur und auch nicht mit derart präzisem Messequipment. Die zur Auswertung der Messergebnisse sowie zur Ergebnisaufbereitung nach Effizienzleitfaden entwickelte Software ermöglicht die effektive und vergleichbare Vermessung weiterer PV-Speichersysteme im EnQS Testlab.
Mess- und Prüfequipment
Zimmer Präzisions-Leistungsmessgerät LMG671 (32 A, 1500 V), DC-Genauigkeit bis zu 0,025%, AC- Genauigkeit bis zu 0,04%
3x Regatron TopCon Quadro DC-Quellen (16 kW, 800 V) jeweils mit Solar Array Simulator (SAS) Erweiterung zur Simulation realistischer U/I-Kennlinien
ITECH 4Q-Netzsimulator IT7915P (15 kVA, 350 V, 90 A)
Quellen
[1] Effizienzleitfaden für PV-Speichersysteme, herausgegeben von Bundesverband Energiespeicher und Bundesverband Solarwirtschaft, https://solar.htw-berlin.de/effizienzleitfaden-fuer-pv-speichersysteme/, Version 2.0.1
[2] Stromspeicher-Inspektion 2022, https://solar.htw-berlin.de/studien/speicher-inspektion-2022/, HTW Berlin
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