Introduzione
Un ESS con autonomia estesa incorpora una fonte di ricarica che non è la connessione alla rete primaria. Questa configurazione è diversa dalla semplice integrazione del generatore di backup perché il range extender funziona in base allo stato di carica della batteria anziché alla domanda di carico. L'ESS con autonomia estesa è particolarmente utile in luoghi in cui l'energia elettrica di rete è disponibile ma inaffidabile o dove la generazione rinnovabile ha un'intermittenza giornaliera prevedibile. Injet HanCang ha progettato e messo in servizio sedici unità ESS con gamma estesa per clienti commerciali e industriali. Questo articolo presenta le linee guida per la configurazione, i risultati dei test e i dati sulle prestazioni osservate da queste installazioni.
Configurazione standard per ESS con gamma estesa
Un ESS esteso della gamma standard comprende cinque componenti principali. Il primo componente è un banco di batterie agli ioni di litio dimensionato per un carico medio da quattro a sei ore. Il secondo componente è un generatore diesel o a gas dimensionato tra un terzo e la metà della potenza nominale dell'inverter. Il terzo componente è un inverter bidirezionale che gestisce il flusso di potenza tra la batteria e il carico. Il quarto componente è un raddrizzatore che converte l'uscita CA del generatore in CC per la ricarica della batteria. Il quinto componente è un controller con logica basata sullo stato di carica. Injet HanCang utilizza un'architettura accoppiata DC per la maggior parte delle installazioni. In questa architettura, il generatore si collega al bus CC tramite il raddrizzatore e l'inverter collega il bus CC al carico CA. L'accoppiamento CC migliora l'efficienza evitando la doppia conversione. In un sistema da cinquecento kilowatt con un range extender da duecento kilowatt, l'accoppiamento DC ha migliorato l'efficienza complessiva del sistema di quattro punti percentuali rispetto all'accoppiamento AC.
Metodologia di dimensionamento basata sull'analisi del carico
Il corretto dimensionamento di un ESS con intervallo esteso richiede un'analisi dettagliata del carico su un periodo minimo di un anno. Injet HanCang utilizza una metodologia in sette fasi. Il primo passaggio raccoglie i dati di carico a intervalli di quindici minuti. La seconda fase identifica il fabbisogno energetico medio giornaliero. Il terzo passaggio identifica il fabbisogno di potenza di picco. La fase quattro calcola la capacità della batteria richiesta come energia giornaliera media moltiplicata per i giorni di autonomia desiderati meno il contributo previsto del generatore. Il passo cinque dimensiona il generatore come carico medio durante l'evento di scarica previsto più lungo. Il passo sei seleziona la potenza dell'inverter come maggiore tra il carico di picco o la potenza del generatore più il contributo della batteria. Il settimo passaggio convalida il dimensionamento utilizzando la simulazione dei dati di carico storici. Per un edificio commerciale con un carico medio di centocinquanta kilowatt e un carico di picco di quattrocento kilowatt, questa metodologia ha prodotto una batteria di seicento kilowattora e un generatore di centocinquanta kilowatt.
Risultati del test da un'applicazione di supporto della rete
Un ESS con gamma estesa installato in un edificio commerciale in California è stato sottoposto a un programma di test di sei mesi. L'edificio aveva un carico medio di duecento kilowatt e un carico di picco di quattrocentocinquanta kilowatt dovuto all'aria condizionata. La connessione alla rete era limitata a trecento kilowatt. L'ESS con autonomia estesa utilizzava una batteria da quattrocento kilowattora e un generatore da centocinquanta kilowatt. Il programma di test ha misurato tre categorie di prestazioni. La prima categoria riguardava l'efficacia della rasatura massima. Il sistema ha limitato con successo l'assorbimento della rete a 280 kilowatt durante tutti gli eventi di punta, con una percentuale di successo del 95%. La seconda categoria riguardava l'utilizzo del generatore. Il generatore si è avviato quarantadue volte, con un'autonomia media di un'ora e quindici minuti. Le ore di funzionamento totali del generatore sono state di cinquantatré ore in sei mesi. La terza categoria riguardava l’impatto sulla durata del ciclo della batteria. La batteria ha completato centodue cicli completi equivalenti con un degrado della capacità misurato pari a uno virgola uno per cento.
Dati sulla riduzione degli oneri per la domanda
Gli addebiti per la domanda basati sul consumo energetico medio di quindici minuti più elevato rappresentano un costo importante per i clienti commerciali. Un ESS con autonomia estesa può ridurre questi addebiti fornendo energia dalla batteria durante i periodi di punta. Tuttavia, se si verificano più picchi in rapida successione, la batteria potrebbe scaricarsi. Il range extender ricarica la batteria tra i picchi, consentendo più eventi di riduzione dei picchi nello stesso intervallo di domanda. Injet HanCang ha analizzato intervalli di domanda di quindici minuti in un sito di produzione per dodici mesi. Il sito ha avuto una media di tre picchi di domanda al giorno. Senza l'estensione dell'autonomia, la batteria potrebbe ridurre solo il primo picco prima di scaricarsi al di sotto dello stato minimo di carica. Con il range extender in funzione tra i picchi, il sistema ha ridotto tutti e tre i picchi nel novantuno per cento dei giorni. Il costo medio della domanda prima dell'installazione era di settemiladuecento dollari al mese. Dopo l'installazione, il costo medio della domanda è stato di duemilaottocento dollari al mese, con una riduzione del 61%.
Capacità di bridging dell'interruzione della rete
Gamma estesa ESS fornisce energia di ponte durante le interruzioni della rete senza fare affidamento sui tempi di ripristino della rete. La batteria gestisce il primo periodo di interruzione. Se le interruzioni si ripetono prima che venga ripristinata l'alimentazione di rete, il range extender si avvia e ricarica la batteria durante la breve rete su Windows. Injet HanCang ha testato questo scenario utilizzando un profilo di griglia simulato con dieci interruzioni consecutive di cinque minuti separate da una griglia di tre minuti su Windows. Il test ha utilizzato una batteria da trecento kilowattora e un generatore da cento kilowatt. Il carico durante il test era costante di centocinquanta kilowatt. La batteria ha fornito energia durante la prima interruzione, riducendo lo stato di carica dall'80% al 60%. Durante la prima griglia sulla finestra, la griglia ha ricaricato la batteria al 75%. La seconda interruzione ha scaricato la batteria al 55%. Il generatore si è avviato durante la seconda griglia nella finestra e ha ricaricato la batteria al settanta per cento. Questo schema è continuato per tutte e dieci le interruzioni. La gamma estesa ESS ha mantenuto l'alimentazione del carico senza alcuna interruzione. Una batteria autonoma della stessa capacità si sarebbe esaurita dopo la quarta interruzione.
Dati sul consumo di carburante tra diversi profili di carico
Il consumo di carburante di un ESS con autonomia estesa varia in modo significativo in base al profilo di carico. Injet HanCang ha misurato il consumo di carburante su tre diversi profili di carico utilizzando la stessa piattaforma hardware. Il primo profilo era a carico costante a cento kilowatt. Il secondo profilo era a carico variabile con schema giornaliero di carico notturno basso e carico diurno elevato. Il terzo profilo era un carico intermittente con picchi casuali. Per il profilo di carico costante, il generatore ha consumato due virgola otto litri all'ora di funzionamento e ha funzionato per tre ore al giorno, con un consumo giornaliero di otto virgola quattro litri. Per il profilo di carico variabile, il generatore ha consumato tre virgola uno litri all'ora e ha funzionato per due ore al giorno, determinando un consumo giornaliero di sei virgola due litri. Per il profilo di carico intermittente, il generatore ha consumato tre virgola quattro litri all'ora a causa di cicli di avvio/arresto più frequenti e ha funzionato per una virgola cinque ore al giorno, con un consumo giornaliero di cinque virgola uno litri. Il profilo di carico costante presentava il consumo assoluto più elevato ma il consumo più basso per kilowattora erogato.
Requisiti di installazione e considerazioni sul sito
L'installazione di un ESS con gamma estesa richiede la considerazione di diversi fattori specifici del sito. Il generatore richiede una ventilazione di scarico verso l'esterno. Il tubo di scarico deve essere idoneo per temperature fino a cinquecento gradi Celsius e deve essere separato da materiali combustibili di almeno diciotto pollici. Il generatore necessita di un serbatoio di stoccaggio del combustibile con contenimento secondario. Le dimensioni del serbatoio devono garantire almeno settantadue ore di funzionamento continuo del generatore a pieno carico. La batteria richiede uno spazio climatizzato con una temperatura mantenuta tra i quindici e i trenta gradi Celsius. L'inverter e il controller richiedono uno spazio libero di almeno un metro su tutti i lati per l'accesso per la manutenzione. Injet HanCang fornisce una lista di controllo pre-installazione che include la verifica di questi requisiti. I siti che non soddisfano alcun requisito ricevono un design modificato.
Conclusione
Gamma estesa ESS fornisce una soluzione configurabile per siti commerciali e industriali che richiedono sia la riduzione dei picchi che il bridging delle interruzioni. Le linee guida di configurazione di Injet HanCang specificano una batteria dimensionata per 4-6 ore di carico medio e un generatore dimensionato da un terzo a metà della potenza nominale dell'inverter. I risultati dei test condotti in un edificio commerciale hanno mostrato un picco di rasatura del 95% e un degrado della batteria dell'1,1% in sei mesi. I dati sulla riduzione dei costi della domanda hanno mostrato una riduzione del 61% dopo l'installazione. Il test di bridging delle interruzioni della rete ha dimostrato il corretto funzionamento attraverso dieci interruzioni consecutive di cinque minuti. I dati sul consumo di carburante hanno mostrato che il profilo di carico intermittente aveva il consumo giornaliero più basso pari a cinque virgola uno litri. Questi risultati confermano che l’ESS con range esteso è un’opzione matura per gli utenti commerciali.