Einführung
Die modulare Multilevel-Batterie (M2B) ist ein neuartiger Ansatz zur Integration von Batterien in das Stromnetz. Konventionelle stationäre Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) bestehen aus einem zentralen Wechselrichter und fest verdrahteten Batteriemodulen, die das Hochspannungs-Batterie-Rack bilden. Im Gegensatz zu dieser Topologie weist die M2B eine andere Struktur auf: Die Batteriemodule werden separat mit jeweils einer eigenen Leistungselektronik ausgestattet. Dieser Ansatz bietet einige Vorteile; unter anderem einen im Vergleich zu konventionellen Wechselrichtern höherer Wirkungsgrad.
Inhalt
Basierend auf einem Low-Level-Simulationsmodell ergab sich eine sehr hohe Effizienz für den gesamten Leistungsbereich mit einem Maximum von 99,4%. Dies ist hauptsächlich auf die niedrige Schaltfrequenz und die Verwendung niederohmiger Transistoren zurückzuführen. Auch bei 10% der Nennleistung liegt der Wirkungsgrad bei 97,5%, verglichen mit einer Effizienz von 93% eines Referenzsystems mit konventioneller Architektur.
Auf der Grundlage der Low-Level-Effizienzkurve zeigte die Analyse für ein BESS, das Primärregelleistung vorhält, dass die erhöhte Effizienz der M2B-Technologie den Cashflow im Vergleich zu einem Referenzsystem um 15% erhöht. Auf Grund des höheren Wirkungsgrads, insbesondere im Teillastbereich, geht beim Laden und Entladen weniger Energie verloren. Daher muss weniger Energie am Intraday-Markt (IDM) gekauft werden, um den Ladezustand des Energiespeichers zu managen.
Grundlagen
Um die Herangehensweise unseres Effizienznachweises zu verstehen, bedarf es einem Verständnis, wie Batteriespeicher (BESS) als Primärreserve (eng. Frequency Containment Reserve (FCR)) fungieren können, deren typische Topologie, ein grobes Verständnis der Leistungselektronik in BESS und schlussendlich der Funktionalität von M2B & deren erwarteten Vorteile.
Standardtopologie von stationären Batterie-Energiespeichersystemen
Abbildung 1 zeigt die Standardtopologie eines stationären BESS. Neben Hilfskomponenten für das Wärmemanagement, der Systemsteuerung und der Überwachung bestehen sie aus zwei Haupt-Hardwareteilen: dem Batteriepack und der Leistungselektronikeinheit.
Der Akkupack besteht typischerweise aus mehreren Modulen, die aus verschiedenen Zellen bestehen. Die Module können dann in einer Serien-Parallel-Konfiguration verbunden werden, um die gewünschte Kapazität und Ausgangsspannung je nach Projekt- oder Kundenspezifikation zu erreichen.
Die Leistungselektronik dient als Verbindungspunkt zwischen Batterie und Netz und wandelt die DC-Batteriespannung bidirektional in die AC-Netzspannung um. Dies kann auf mehrere Arten realisiert werden. Entweder ist jedes Batteriepaket – falls mehr als eines vorhanden ist – mit einem eigenen Wechselrichter ausgestattet, oder mehrere Batteriepakete werden mit einem gemeinsamen Wechselrichter an einen DC-Bus angeschlossen.
Abhängig von den Spannungsniveaus auf beiden Seiten können die Batterie und die Leistungselektronik ohne oder mit einem Transformator an das Netz angeschlossen werden. Wenn die Ausgangsspannung und die Netzspannung übereinstimmen, kann der Transformator entfallen [5].
Standardtechnologien der Leistungselektronik
Die Standardtechnologien basieren auf dem zweistufigen Spannungsquellen-Wechselrichter, der die Standardtopologie für stationäre Energiespeichersysteme darstellt [1, 2, 3, 5]. Ein dreiphasiger Spannungsquellen-Wechselrichter, dargestellt in Abbildung 2, besteht aus drei Halbbrücken. Innerhalb einer Halbbrücke sind zwei Schalter in Reihe geschaltet mit einer Klemme dazwischen.
Die AC/DC-Wandlung erfolgt durch Ein- und Ausschalten der sechs vollgesteuerten Halbleiter, typischerweise Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBTs). Um Kurzschlüsse zu vermeiden, dürfen die Schalter einer Halbbrücke nie den gleichen Zustand zur gleichen Zeit haben.
Da die Ausgangsspannung nur diskrete Zustände annehmen kann, kann keine kontinuierliche Sinuskurve erzeugt werden. Daher muss der Mittelwert der Ausgangsspannung über einen Schaltzyklus so eingestellt werden, dass er dem kontinuierlichen, sinusförmigen Sollwert entspricht [12]. Dies ist die Aufgabe von Modulationsverfahren, wie z. B. der Pulsweitenmodulation (PWM): Durch Variation der Zeit des Ein- und Ausschaltzustandes, des sogenannten Tastverhältnisses, des Transistors während eines Schaltzyklus kann die mittlere Spannung gesteuert und eine Sinuswelle erzeugt werden.
Diese Topologie ist zwar einfach im Aufbau, hat aber einige Nachteile [13]: Die Ausgangsspannung für eine Phase ist auf DC-Spannung begrenzt. Für Anwendungen, die höhere AC-Ausgangsspannungen benötigen, muss ein zusätzlicher DC/DC-Aufwärtswandler installiert werden, was die Kosten erhöht und den Wirkungsgrad senkt.
Ein weiterer Nachteil sind die relativ großen Oberschwingungen der PWM-Spannung. Es wird ein großer Ausgangsfilter benötigt, der die erzeugte PWM-Spannung glättet, um die Normen für elektromagnetische Störungen (EMI) und Netzstandards zu erfüllen. Diese Komponente bringt zusätzliche Verlustleistung und Kosten mit sich [3, 13].
Darüber hinaus erfordert der Ausfall eines Batteriemoduls beim Einsatz als Einzelumrichter für einen Energiespeicher eine externe Überbrückung oder einen Austausch, da sonst das gesamte System unbrauchbar wird.
Multilevel Technologien
Um die oben genannten Probleme anzugehen, wurden Multilevel-Technologien eingeführt, da sie eine Wechselspannung aus mehreren Ebenen von Gleichspannungen synthetisieren können [1]. Dies wird erreicht, indem identische Teilmodule und eine Induktivität zu einem so genannten Wechselrichterschenkel in Reihe geschaltet werden, wie in Abbildung 3 dargestellt. Die Induktivität ermöglicht Spannungsdifferenzen zwischen den einzelnen Schenkeln und begrenzt den Stromanstieg beim Anschluss der leistungselektronischen Blöcke [3].
Die maximale Ausgangsspannung und die Anzahl der möglichen Spannungsstufen sind abhängig von der Anzahl der Submodule pro Wechselrichterschenkel.
Mit jeder weiteren Stufe wird die Ausgangsspannung der sinusförmigen Netzspannung ähnlicher und der Gehalt an Oberwellen nimmt ab [3, 14].
Ist die Anzahl der Stufen hoch genug, ist der Oberwellengehalt so gering, dass kein zusätzlicher Filter benötigt wird [15].
Es existieren verschiedene Multilevel-Konverter-Topologien, die sich in der Art der Verschaltung der Wechselrichterschenkel unterscheiden. Eine weit verbreitete Implementierung ist der kaskadierte H-Brücken-Umrichter (CHB), der als Basis für den M2B dient [3].
Neben dem geringen Oberwellengehalt der Ausgangsspannung sind weitere Vorteile des CHB die niedrige Schaltspannung und Frequenz, die beide zu geringeren Schaltverlusten beitragen [16]. Sein modularer Aufbau ermöglicht eine höhere Zuverlässigkeit, da ausgefallene Module oder Zellen leicht überbrückt werden können. Nach [17] ist der CHB in Bezug auf Kosten und Leistung praktischer als andere Multilevel-Topologien.
Die modulare Multilevel-Batterie
Das M2B ist ein neuartiger Ansatz zur Integration von Batterien in Wechselstromsysteme und wurde an der Universität der Bundeswehr München entwickelt [3], während sich STABL (ehemals m-Bee) auf die Kommerzialisierung der Technologie konzentriert. Mehrere Veröffentlichungen beschreiben den Einsatz für stationäre und automobile Anwendungen [4, 18-20].
Im Gegensatz zur konventionellen Systemtopologie von stationären BESS verfügt das M2B weder über einen zentralen Wechselrichter noch über ein zentrales Batteriemanagementsystem. Außerdem ist das Batteriepaket in Module aufgeteilt. Jedes Modul besteht aus einer oder mehreren Batteriezellen und einem Leistungselektronikmodul.
Die Hauptaufgabe des M2B ist die Umwandlung der DC-Batteriespannungen in AC bidirektional.
Im einfachsten Fall wird die sinusförmige Wellenform erzeugt, indem alle Module nacheinander ein- und ausgeschaltet werden.
Nach [3] können die Batterien unterschiedliche Spannungen, SOH-Werte (State of Health) und Chemikalien aufweisen; die einzige Änderung, die vorgenommen werden muss, wenn eine Batterie ausgetauscht werden muss, ist ein Software-Update des Master-Controllers. Unterschiedliche Modulspannungen schränken jedoch die Nutzung von Parallelschaltungen der Batterien ein.
Vorteile des M2B Ansatzes:
Nach [3, 18] hat das M2B mehrere Vorteile gegenüber einem herkömmlichen stationären BESS, von denen die meisten auf den höheren Wirkungsgrad zurückzuführen sind. Dieser wird durch die Behebung von vier Verlustmechanismen erreicht:
- Verluste durch den SOC-Ausgleich
- Schaltverluste
- Leitungsverluste
- statische Verluste
Bestimmen der Effizienz
Abschätzungen über die Rentabilität und Wettbewerbsfähigkeit des M2B können nur gemacht werden, wenn die Effizienz des M2B bekannt ist. Um die Effizienz zu ermitteln, wurde ein bestehendes Simulationsmodell, erstellt von Singer [3], verwendet. Es kann ein M2B-System mit einer beliebigen Anzahl von Modulen auf einem Halbleiter-Detaillevel darstellen und wurde modifiziert, um den Wirkungsgrad in jedem Betriebspunkt zu berechnen.
Das ursprüngliche Modell wurde in Matlab/Simulink entwickelt und umfasst das physikalische System des BESS und dessen Anschluss an das Netz. Ebenfalls implementiert ist ein Controller, der Strom und SOC regelt.
Auf eine genaue Darlegung der verwendeten Formeln und Modellierungen wird an dieser Stelle verzichtet.
Die entsprechenden Werte der einzelnen Betriebspunkte sind in Abbildung 6 gezeigt.
Für einen Leistungsanteil (p) > 0,2 nehmen die Wirkungsgrade hohe Werte größer als 99 % an. Für beide Fälle liegt das Maximum bei p ~ 0,4 (99,39 % und 99,41 % für das Laden bzw. Entladen).
Bei p > 0,45 beginnen die Wirkungsgrade aufgrund des höheren Einflusses hoher Ströme leicht zu sinken. Im Teillastbetrieb, bei p < 0,2, sinken die Wirkungsgrade rapide ab.
In kleinen Leistungsbereichen ist der Systemverbrauch der dominierende Faktor für die Verluste, da er unabhängig von der Ausgangsleistung ist und bei allen Leistungsverhältnissen konstant bleibt.
Aufgrund des kleinen Wiederstandes (R) der MOSFETs machen die Leitungsverluste nur für p > 0,65 den größten Teil der Verluste aus. Da die Leitungs- und Leiterplattenwiderstandsverluste mit dem Quadrat des Stroms ansteigen, machen sie bei maximaler Leistung zusammen über 80 % der Verluste aus.
Die Schaltverluste spielen keine wesentliche Rolle. Der maximale absolute Wert für sie beträgt 0,195 W bei einem Leistungsverhältnis von p = 1,2. Die Verwendung von MOSFETs mit kleineren Anstiegs- und Abfallzeiten als IGBTs ist eine Ursache für diesen Effekt. Auch die niedrige Schaltfrequenz spielt eine Rolle. Durch die höhere Anzahl der Stufen und das Fehlen einer überlagerten PWM betrug die maximale Schaltfrequenz bei der Simulation nur 147Hz. Der Hauptgrund für die geringen Schaltverluste ist jedoch die geringere Schaltspannung aufgrund des Multi-Level-Ansatzes. Da die Schaltverluste mit der Frequenz und der quadrierten Spannung korrelieren, werden die Verluste um den Faktor m² (m = Anzahl der Module) minimiert. Bei vier Modulen würden die Schaltverluste also auf 1/16 eines Zentralwechselrichters reduziert, allein durch die Reduzierung der Spannung.
Um den Wirkungsgrad mit modernen Wechselrichtern zu vergleichen, haben wir ein M2B-System mit acht Modulen simuliert, das in der Lage ist, eine 230V-Ausgangsspannung zu erzeugen. Als Referenz wird eine von Notton et al. [22] modellierte Wechselrichterkurve gewählt, die sich durch „geringe Standby- und lastabhängige Verluste“ auszeichnet. Abbildung 7 zeigt beide Wirkungsgrade in Abhängigkeit vom Leistungsverhältnis.
Der M2B hat in jedem Betriebspunkt einen höheren Wirkungsgrad, wobei der Unterschied im Teillastbereich am größten ist. Bei p = 0,05 erreicht der Referenz-Wechselrichter einen Wirkungsgrad von 87,8 %, der M2B-Wirkungsgrad liegt bei 95,1 %. Dies entspricht einer relativen Differenz von über 8 %. Die Maxima liegen bei 99,41 % für den M2B und bei 96,94 % für die Referenz. Bei hohen Leistungsverhältnissen ist der geringe Widerstand der MOSFETs für das langsame Absinken des Wirkungsgrads des M2B im Vergleich zur Referenz verantwortlich.
Fallbeispiel: Frequenzbegrenzungsreserve
Unter Verwendung der mit dem Low-Level-Simulationsmodell generierten Effizienzkurve bewerten wir die langfristige Leistung eines M2B-Systems anhand einer Fallstudie für ein stationäres BESS, der zur Primärregelleistung genutzt wird.
Hierfür wurde das Open-Source-Softwaretool SimSES [23, 24] verwendet.
Technische Ergebnisse
Das BESS erreicht einen Round-Trip-Wirkungsgrad von 90,71 % im Vergleich zu 79,63 % des Referenzsystems. Der Wirkungsgrad des Wechselrichters ist sowohl beim Laden als auch beim Entladen von M2B höher als bei der Referenz. Betrachtet man die Leistungsverteilung der gelieferten AC-Leistung für beide Systeme in Abbildung 8, so wird deutlich, dass FCR nicht mehr als 1 % der Zeit 30 % der Nennleistung überschreitet.
Zusammen mit dem relativen Unterschied im Umwandlungswirkungsgrad des M2B und der Referenz können wir den hohen Unterschied im Round-Trip-Wirkungsgrad erklären. Fast 90 % der gelieferten AC-Leistung liegen im Bereich von 0 bis 10 % der Nennleistung, wobei der M2B-Wirkungsgrad im Durchschnitt 13,5 % höher ist als der der Referenz.
Wirtschaftliche Ergebnisse
Abbildung 9 zeigt alle Cashflows für das simulierte Jahr. Die Ausgaben von M2B durch IDM-Transaktionen sind 53,94 % niedriger als die der Referenz. Die Einnahmen durch FCR sind für beide Systeme gleich, da sie ihre geforderte Leistung die ganze Zeit über erbringen können. Die Kosteneinsparungen durch den IDM ergeben für das M2B einen jährlichen Cashflow von 99 669 EUR, der um 15,8 % höher ist als der der Referenz.
Der Grund für die Kosteneinsparung ist der höhere Wirkungsgrad des M2B-Systems, wobei insbesondere Unterschiede im Teillastbetrieb zum Tragen kommen. Durch den höheren Wirkungsgrad geht beim Laden und Entladen weniger Energie verloren. Folglich muss weniger Energie über IDM-Transaktionen eingekauft werden, um im gültigen Betriebsbereich zu bleiben. Dies führt zu geringeren Kosten und damit zu einem höheren jährlichen Cashflow.
Wir diskontieren den Cashflow für 20 Jahre unter der Annahme, dass die Einnahmen jedes Jahres gleich sind, und verwenden die NPV- und IRR-Methoden, um die Zeit zu bestimmen, in der das Projekt profitabel wird.
M2B erreicht den Break-even nach dem 13. Jahr, während der NPV der Referenz drei Jahre später, nach 16 Jahren Betrieb, positiv wird. Nach 20 Jahren erreicht die Referenz einen NPV von 461 606EUR. Der NPV des M2B beträgt 797 957 EUR, was eine relative Steigerung von 72,9 % bedeutet. Der IRR zeigt ein ähnliches Bild und wird nach 13 und 15 Jahren für M2B bzw. die Referenz positiv. Der IRR für die Referenz wird ein Jahr früher positiv als der NPV. Das bedeutet, dass für den Zeitraum, wenn der NPV negativ und der IRR positiv ist, die Kapitalkosten höher sind als der IRR und das Projekt für diesen voraussichtlichen Zeitraum abgelehnt werden sollte. Nach 20 Betriebsjahren ist der IRR für beide Projekte positiv: Es wird erwartet, dass M2B eine Rendite von 5,8 % gegenüber den 4 % des Referenzprojekts erzielt.
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