Einführung
Ein ESS mit erweiterter Reichweite umfasst eine Ladequelle, die nicht der primäre Netzanschluss ist. Diese Konfiguration unterscheidet sich von der einfachen Integration eines Backup-Generators, da der Range Extender auf der Grundlage des Ladezustands der Batterie und nicht der Lastanforderung arbeitet. ESS mit erweiterter Reichweite ist besonders nützlich an Standorten, an denen Netzstrom verfügbar, aber unzuverlässig ist oder an denen die Erzeugung erneuerbarer Energien vorhersehbare tägliche Schwankungen aufweist. Injet HanCang hat sechzehn erweiterte ESS-Einheiten für gewerbliche und industrielle Kunden entworfen und in Betrieb genommen. In diesem Artikel werden Konfigurationsrichtlinien, Testergebnisse und beobachtete Leistungsdaten dieser Installationen vorgestellt.
Standardkonfiguration für Range Extended ESS
Ein erweitertes ESS im Standardbereich umfasst fünf Hauptkomponenten. Die erste Komponente ist eine Lithium-Ionen-Batteriebank, die für eine durchschnittliche Belastung von vier bis sechs Stunden ausgelegt ist. Die zweite Komponente ist ein Diesel- oder Gasgenerator mit einer Größe von einem Drittel bis der Hälfte der Nennleistung des Wechselrichters. Die dritte Komponente ist ein bidirektionaler Wechselrichter, der den Stromfluss zwischen Batterie und Last verwaltet. Die vierte Komponente ist ein Gleichrichter, der den Wechselstromausgang des Generators zum Laden der Batterie in Gleichstrom umwandelt. Die fünfte Komponente ist ein Controller mit ladezustandsbasierter Logik. Injet HanCang verwendet für die meisten Installationen eine DC-gekoppelte Architektur. Bei dieser Architektur ist der Generator über den Gleichrichter mit dem DC-Bus verbunden, und der Wechselrichter verbindet den DC-Bus mit der AC-Last. Die DC-Kopplung verbessert den Wirkungsgrad durch die Vermeidung von Doppelwandlungen. In einem 500-Kilowatt-System mit einem 200-Kilowatt-Range-Extender verbesserte die Gleichstromkopplung die Gesamtsystemeffizienz im Vergleich zur Wechselstromkopplung um vier Prozentpunkte.
Dimensionierungsmethodik basierend auf Lastanalyse
Die richtige Dimensionierung eines Range-Extended-ESS erfordert eine detaillierte Lastanalyse über einen Zeitraum von mindestens einem Jahr. Injet HanCang verwendet eine siebenstufige Methodik. Schritt eins sammelt Lastdaten in 15-Minuten-Intervallen. Schritt zwei ermittelt den durchschnittlichen täglichen Energiebedarf. Schritt drei ermittelt den Spitzenleistungsbedarf. Schritt vier berechnet die erforderliche Batteriekapazität als durchschnittliche Tagesenergie multipliziert mit den gewünschten Autonomietagen abzüglich des erwarteten Generatorbeitrags. Schritt fünf bemisst den Generator als durchschnittliche Last während des längsten erwarteten Entladungsereignisses. In Schritt sechs wird die Nennleistung des Wechselrichters als der höhere Wert aus Spitzenlast oder Generatornennleistung plus Batteriebeitrag ausgewählt. Schritt sieben validiert die Dimensionierung mithilfe einer Simulation historischer Lastdaten. Für ein Gewerbegebäude mit einer durchschnittlichen Last von 150 Kilowatt und einer Spitzenlast von 400 Kilowatt ergab diese Methode eine Batteriegröße von 600 Kilowattstunden und eine Generatorgröße von 150 Kilowatt.
Testergebnisse einer Grid-Support-Anwendung
Ein in einem Gewerbegebäude in Kalifornien installiertes ESS mit erweiterter Reichweite wurde einem sechsmonatigen Testprogramm unterzogen. Das Gebäude hatte eine Durchschnittslast von 200 Kilowatt und eine Spitzenlast von 450 Kilowatt durch die Klimaanlage. Der Netzanschluss war auf dreihundert Kilowatt begrenzt. Das ESS mit erweiterter Reichweite nutzte eine 400-Kilowattstunden-Batterie und einen 150-Kilowatt-Generator. Im Rahmen des Testprogramms wurden drei Leistungskategorien gemessen. Die erste Kategorie war die maximale Rasurwirksamkeit. Das System begrenzte den Netzverbrauch bei allen Spitzenereignissen erfolgreich auf 280 Kilowatt, was einer Erfolgsquote von 95 Prozent entspricht. Die zweite Kategorie war die Generatornutzung. Der Generator startete zweiundvierzig Mal mit einer durchschnittlichen Laufzeit von einer Stunde und fünfzehn Minuten. Die Gesamtbetriebsstunden des Generators beliefen sich über einen Zeitraum von sechs Monaten auf 53 Stunden. Die dritte Kategorie betraf die Auswirkungen auf die Batterielebensdauer. Die Batterie absolvierte einhundertzwei Vollzyklusäquivalente mit einer gemessenen Kapazitätsverschlechterung von einem Komma eins Prozent.
Daten zur Reduzierung der Bedarfsgebühren
Bedarfsentgelte, die auf der höchsten durchschnittlichen Stromaufnahme von fünfzehn Minuten basieren, stellen für gewerbliche Kunden einen erheblichen Kostenfaktor dar. Ein ESS mit erweiterter Reichweite kann diese Ladungen reduzieren, indem es in Spitzenzeiten Strom aus der Batterie bereitstellt. Wenn jedoch mehrere Spitzenwerte schnell hintereinander auftreten, kann es zu einer Entladung der Batterie kommen. Der Range Extender lädt die Batterie zwischen Spitzen auf und ermöglicht so mehrere Spitzenrasurereignisse innerhalb desselben Bedarfsintervalls. Injet HanCang analysierte die Bedarfsintervalle von fünfzehn Minuten an einem Produktionsstandort über einen Zeitraum von zwölf Monaten. Der Standort verzeichnete durchschnittlich drei Nachfragespitzen pro Tag. Ohne Reichweitenerweiterung könnte der Akku nur den ersten Spitzenwert erreichen, bevor er unter den minimalen Ladezustand sinkt. Da der Range Extender zwischen den Spitzenwerten in Betrieb war, konnte das System an 91 Prozent der Tage alle drei Spitzenwerte ausgleichen. Der durchschnittliche Bedarfspreis vor der Installation betrug siebentausendzweihundert Dollar pro Monat. Nach der Installation betrug die durchschnittliche Verbrauchsgebühr zweitausendachthundert Dollar pro Monat, was einer Reduzierung um einundsechzig Prozent entspricht.
Fähigkeit zur Überbrückung von Netzausfällen
ESS mit erweiterter Reichweite stellt Überbrückungsstrom bei Netzausfällen bereit, ohne auf die Wiederherstellungszeit des Netzes angewiesen zu sein. Die erste Ausfallphase übersteht die Batterie. Kommt es erneut zu Ausfällen, bevor der Netzstrom wiederhergestellt ist, startet der Range Extender und lädt die Batterie während der kurzen Netzunterbrechung wieder auf. Injet HanCang testete dieses Szenario anhand eines simulierten Netzprofils mit zehn aufeinanderfolgenden fünfminütigen Ausfällen, getrennt durch ein dreiminütiges Raster an Fenstern. Für den Test wurden eine 300-Kilowattstunden-Batterie und ein 100-Kilowatt-Generator verwendet. Die Belastung während des Tests betrug konstant 150 Kilowatt. Während des ersten Ausfalls lieferte die Batterie Strom, wobei der Ladezustand von 80 Prozent auf 60 Prozent sank. Während des ersten Grid-On-Fensters lud das Grid die Batterie auf 75 Prozent auf. Beim zweiten Ausfall wurde die Batterie auf 55 Prozent entladen. Der Generator startete während des zweiten Startfensters und lud die Batterie auf siebzig Prozent auf. Dieses Muster setzte sich bei allen zehn Ausfällen fort. Die Reichweitenerweiterung ESS sorgte für eine durchgehende und unterbrechungsfreie Lastversorgung. Eine eigenständige Batterie mit derselben Kapazität wäre nach dem vierten Ausfall leer gewesen.
Kraftstoffverbrauchsdaten über verschiedene Lastprofile hinweg
Der Kraftstoffverbrauch eines ESS mit erweiterter Reichweite variiert erheblich je nach Lastprofil. Injet HanCang hat den Kraftstoffverbrauch über drei verschiedene Lastprofile hinweg mit derselben Hardwareplattform gemessen. Das erste Profil war eine konstante Belastung mit einhundert Kilowatt. Das zweite Profil war eine variable Belastung mit einem täglichen Muster aus geringer Nachtbelastung und hoher Tagesbelastung. Das dritte Profil war eine intermittierende Belastung mit zufälligen Spitzen. Beim konstanten Lastprofil verbrauchte der Generator zwei Komma acht Liter pro Betriebsstunde und war drei Stunden am Tag in Betrieb, was zu einem täglichen Verbrauch von acht Komma vier Litern führte. Beim variablen Lastprofil verbrauchte der Generator drei Komma eins Liter pro Stunde und war zwei Stunden pro Tag in Betrieb, was zu einem täglichen Verbrauch von sechs Komma zwei Litern führte. Beim intermittierenden Lastprofil verbrauchte der Generator aufgrund der häufigeren Start-Stopp-Zyklen drei Komma vier Liter pro Stunde und war ein Komma fünf Stunden pro Tag in Betrieb, was zu einem Tagesverbrauch von fünf Komma einem Liter führte. Das konstante Lastprofil hatte den höchsten absoluten Verbrauch, aber den niedrigsten Verbrauch pro gelieferter Kilowattstunde.
Installationsanforderungen und Standortüberlegungen
Die Installation eines ESS mit erweiterter Reichweite erfordert die Berücksichtigung mehrerer standortspezifischer Faktoren. Der Generator benötigt eine Absaugung ins Freie. Das Abgasrohr muss für Temperaturen bis zu fünfhundert Grad Celsius ausgelegt sein und einen Abstand von mindestens 18 Zoll zu brennbaren Materialien haben. Der Generator benötigt einen Kraftstoffspeichertank mit Sekundärbehälter. Die Tankgröße sollte einen kontinuierlichen Generatorbetrieb von mindestens zweiundsiebzig Stunden bei Volllast ermöglichen. Die Batterie benötigt einen klimatisierten Raum mit einer Temperatur zwischen fünfzehn und dreißig Grad Celsius. Der Wechselrichter und die Steuerung benötigen für den Wartungszugang einen Freiraum von mindestens einem Meter auf allen Seiten. Injet HanCang bietet eine Checkliste vor der Installation, die die Überprüfung dieser Anforderungen umfasst. Websites, die keine Anforderungen erfüllen, erhalten ein geändertes Design.
Abschluss
ESS mit erweiterter Reichweite bietet eine konfigurierbare Lösung für Gewerbe- und Industriestandorte, die sowohl Spitzenausgleich als auch Ausfallüberbrückung erfordern. Die Konfigurationsrichtlinien von Injet HanCang sehen eine Batterie vor, die für vier bis sechs Stunden durchschnittliche Last ausgelegt ist, und einen Generator, der auf ein Drittel bis die Hälfte der Wechselrichterleistung ausgelegt ist. Testergebnisse aus einem Gewerbegebäude zeigten einen Spitzenerfolg beim Rasieren von 95 Prozent und eine Batterieverschlechterung von 1,1 Prozent über einen Zeitraum von sechs Monaten. Die Daten zur Verbrauchspreisreduzierung zeigten nach der Installation eine Reduzierung um 61 Prozent. Der Netzausfallüberbrückungstest zeigte einen erfolgreichen Betrieb über zehn aufeinanderfolgende fünfminütige Ausfälle hinweg. Die Kraftstoffverbrauchsdaten zeigten, dass das intermittierende Lastprofil mit fünf Komma einem Liter den niedrigsten Tagesverbrauch aufwies. Diese Ergebnisse bestätigen, dass ESS mit erweiterter Reichweite eine ausgereifte Option für kommerzielle Nutzer ist.