Modellierung von Batterie-Energiespeichersystemen für Studien zur Netzunterstützung

Wichtigste Erkenntnisse

• • Ein Netzunterstützungsmodell muss die Batterie, den Wechselrichter und die Anlagensteuerung als ein einziges Betriebssystem abbilden.

  • Ladezustandsgrenzen und Leistungsgrenzen auf der Gleichstromseite beeinflussen die Betriebsverfügbarkeit ebenso stark wie die Nennleistung des Wechselrichters.

  • In fundierten Studien werden der Normalbetrieb, Störungen und die Übergabe der Steuerung über den gesamten Betriebsbereich hinweg überprüft.

Für eine genaue Modellierung eines Batterie-Energiespeichersystems zur Netzunterstützung sind Ladezustandsgrenzen und das Regelverhalten des Wechselrichters im Fehlerfall erforderlich.

Einfache Batterieblöcke können zwar den Energiedurchsatz abschätzen, würden einer fundierten Netzunterstützungsstudie jedoch nicht standhalten. Die Prüfung der Netzanbindung, die Schutzkontrollen und die Bewertung der Netzvorschriften hängen alle davon ab, wie sich der Wechselrichter verhält, wenn Spannungsabfälle auftreten, der Strom einen Grenzwert erreicht oder die Batterie nahe an einer Betriebsgrenze arbeitet. Die Kapazität von Batteriespeichern im großtechnischen Maßstab in den USA stieg von 9,1 GW Ende 2022 auf 15,5 GW Ende 2023. Dieses Wachstum erhöht die Kosten einer unzureichenden Modellierung, da nun mehr Projekte einer detaillierten technischen Prüfung unterzogen werden.

Ein aussagekräftiges Modell erhalten Sie nur, wenn Batterie, Wechselrichter und Anlagensteuerung als ein einziges Betriebssystem betrachtet werden. Ein an einen Sammelbus angeschlossener Ladegerät oder eine Entladungsquelle liefert Ihnen keine ausreichenden Informationen über die Priorisierung von Blindstrom, die Leistungsreduzierung oder die Ladesperre bei hohem Ladezustand. Diese Vereinfachung verschleiert die Grenzen, die bei einer Netzbelastung entscheidend sind. Studien zur Netzunterstützung benötigen die Steuerungslogik, die das Verhalten im Normalbetrieb und unter belasteten Netzbedingungen bestimmt.

Ein nützliches BESS-Modell beginnt mit der Forschungsfrage

Ein nützliches BESS-Modell geht von der Dienstleistung oder Störung aus, die Sie untersuchen möchten. Diese Wahl bestimmt die Modellgenauigkeit, den Zeitschritt und den Detaillierungsgrad der Steuerung. Frequenzunterstützung, Spannungsregelung und Störungsüberbrückung belasten die Anlage auf unterschiedliche Weise. Sie sparen Zeit, wenn der Umfang des Modells genau auf das Untersuchungsziel abgestimmt ist.

Eine Untersuchung der Einspeisespannung erfordert in der Regel eine Wechselrichtersteuerungsebene, einen Standorttransformator, die Kollektorimpedanz und eine Logik zur Ladezustandsermittlung, während eine Abschätzung der thermischen Alterung weitaus mehr Details zur Batterie und weniger Details zum Netz benötigt. Ein Phasen-Erd-Fehler an einem schwachen Sammelschienenabschnitt führt zu einer Auslastung der Strombegrenzungen und beeinflusst die Regelpriorität, weshalb die Modellierung elektromagnetischer Transienten an Bedeutung gewinnt. Eine Überprüfung der Energieumschichtung am Vortag kann oft auf einem einfacheren Niveau bleiben, wenn es lediglich um die Machbarkeit der Einspeisung geht. Dieser Unterschied bestimmt die Struktur Ihres Modells, noch bevor Sie einen einzigen Baustein platzieren. Die meisten Simulationsschritte für Batterie-Energiespeichersysteme lassen sich in eine kurze Abfolge einordnen:

• Legen Sie den Netzdienst oder die Störung fest, die Sie testen möchten.
• Wählen Sie eine Modellgenauigkeit, die dem zeitlichen Rahmen der Studie entspricht.
• Legen Sie die Batterieenergie, den anfänglichen Ladezustand und die Reservebereiche fest.
• Stellen Sie die Grenzwerte, Filter und Schutzlogik des Wechselrichters dar.
• Schreiben Sie die Akzeptanzkriterien für Spannung, Strom, Leistung und Erholung auf.

Für Studien zur Netzunterstützung wird ein Steuerungsmodell für Batterie-Wechselrichter benötigt

Für Netzunterstützungsstudien wird ein Regelungsmodell des Wechselrichters benötigt, da der Wechselrichter bestimmt, wie die Anlage Wirk- und Blindstrom ins Netz einspeist. Dieses Verhalten bestimmt die Klemmenspannungsunterstützung, die Leistungsnachführung und die Wiederherstellung nach einer Störung. Ein Batterieblock ohne Regelkreise lässt den Mechanismus außer Acht, den das Netz tatsächlich wahrnimmt. Sie modellieren einen geregelten Leistungswandler und nicht nur gespeicherte Energie.

Ein nützlicher Regelungssatz umfasst in der Regel Phasenverfolgung, innere Stromregelkreise, äußere Wirk- und Blindleistungsregelkreise, Strompriorisierung, Rampenbegrenzungen und Messfilter. Betrachten wir eine Anlage, die während eines lokalen Spannungseinbruchs 0 MW halten und Blindleistungsunterstützung bereitstellen soll. Die Batteriezellen verfügen zwar noch über Energie, doch die Reaktion des Netzes hängt davon ab, wie der Wechselrichter den Strom umverteilt und wie schnell der äußere Regelkreis die Steuerung übergibt. Aus diesem Grund darf sich die BESS-Modellierung für die Netzunterstützung nicht auf Kilowatt, Kilowattstunden und den Round-Trip-Wirkungsgrad beschränken. Für das Netz sind der vom Wechselrichter angeforderte Strom, dessen Sättigungslogik sowie dessen Rückstellverhalten nach Beendigung des Ereignisses entscheidend.

Der Ladezustand muss als Betriebsgrenze dienen

Der Ladezustand muss als Betriebsgrenze dienen, da er sich direkt darauf auswirkt, wie viel Energie die Anlage aufnehmen oder abgeben kann. Ein Modell, das diese Grenze außer Acht lässt, wird die Verfügbarkeit der Anlage zu hoch einschätzen. 

„Studien zur Netzunterstützung fallen oft durch die Prüfung, wenn die Batterie scheinbar unbegrenzt laden oder entladen kann.“

Eine Batterie mit einem Ladezustand von 95 % kann während der Überfrequenzunterstützung nicht lange Aktivleistung aufnehmen, auch wenn dies laut Typenschild des Wechselrichters möglich sein sollte. Eine Anlage mit einem Ladezustand von 10 % kann keine anhaltende Entladung bei Unterfrequenz gewährleisten, ohne gegen die Reservenrichtlinien zu verstoßen. Gute Modelle beinhalten obere und untere Schwellenwerte, Lade- und Entladesperren, Hysterese zur Vermeidung von Schwankungen sowie Betreiberreserven, die Energie für das nächste Ereignis zurückhalten. Diese Struktur ist bei der Simulation von Netzdienstleistungen mit Batteriespeichern von Bedeutung, da das Dienstleistungsangebot und die physikalische Reaktion an denselben Energiezustand gebunden sind. Wenn Sie diese Grenzwerte außer Acht lassen, sehen Ihre Diagramme zwar stabil aus, doch ist Ihre Betriebslogik bereits unrealistisch.

Die Leistungsgrenzen der Batterie sollten je nach Zustand der Zellen variieren

Die Leistungsgrenzen einer Batterie sollten sich je nach Zustand der Zellen ändern, da sich die Gleichstromseite nicht wie ein fester Energiespeicher verhält. Die verfügbare Leistung ändert sich in Abhängigkeit von Klemmenspannung, Temperatur, Innenwiderstand und Ladezustand. Ein Batterieblock mit konstanter Leistung würde diese Schwankungen verbergen. Sie benötigen Leistungsgrenzen, die sich entsprechend dem Betriebspunkt anpassen.

Eine kalte Batterie mit niedrigem Ladezustand weist oft eine engere Entladungsgrenze auf als dieselbe Batterie bei mittlerem Ladezustand und mäßiger Temperatur. Das bedeutet, dass der vom Wechselrichter angeforderte Strom den Wert überschreiten kann, den die Gleichstromquelle liefern kann, was im Modell zu einer Leistungsdrosselung oder einem Einbruch der Gleichspannung führt. Ein sinnvoller Ansatz besteht darin, die Lade- und Entladekapazität in Abhängigkeit vom Ladezustand und der Temperatur abzubilden und diese Grenzwerte anschließend an die Wechselrichtersteuerung weiterzugeben. Dieser zusätzliche Schritt ist bei der Simulation von Wechselrichtersteuerungen für Batteriespeicher von Bedeutung, da der Wechselstromregler nur so viel Leistung anfordern darf, wie die Gleichstromseite tatsächlich liefern kann.

Die Anlagensteuerungslogik gehört in das Wechselrichtermodell

Die Anlagensteuerungslogik gehört in das Wechselrichtermodell, da die Leistungsabgabe und die Netzunterstützung in derselben Steuerungskette miteinander verknüpft sind. Die Sollwerte für Wirkleistung, Blindleistung, Spannungsabfall und Leistungsfaktor durchlaufen alle Grenzwerte und die Moduslogik, bevor Strom erzeugt wird. Ein Modell in Forschungsqualität muss diese Übergänge klar darstellen. Sie überprüfen das vorgegebene Verhalten und nicht nur die stationäre Leistung.

Eine Netzbatterie, die bei Einhaltung eines Blindleistungsziels 20 MW exportieren soll, verhält sich anders als dieselbe Anlage unter Spannungsregelung mit Blindleistungspriorität. Totzonen, Rampen, Sollwertfilter und Prioritätsregeln entscheiden darüber, welcher Befehl Vorrang hat, wenn das Netz mehr verlangt, als der Umrichter liefern kann. Aus diesem Grund entwickeln viele Teams die Anlagensteuerung, die Wechselrichtersteuerung und die Batteriegrenzen als miteinander verbundene Blöcke und nicht als separate Platzhalter. SPS SOFTWARE passt sich diesem Arbeitsablauf an, da Sie die Regelungsstruktur einsehen und bearbeiten können, anstatt sie wie eine geschlossene Komponente zu behandeln. Diese Transparenz ist hilfreich, wenn ein Prüfer fragt, warum die Anlage während eines Spannungsereignisses die Wirkleistung gedrosselt oder einen Ladebefehl bei nahezu vollem Ladezustand abgelehnt hat.

Für Fehleranalysen sind Strombegrenzungen des Wechselrichters bei Spannungseinbrüchen erforderlich

Bei Fehleranalysen müssen die Stromgrenzen des Wechselrichters während Spannungseinbrüchen berücksichtigt werden, da die Umrichterhardware den Strom begrenzt, selbst wenn das Netz mehr Unterstützung benötigt. Der Regler muss dann entscheiden, wie der begrenzte Strom zwischen Wirk- und Blindkomponenten aufgeteilt wird. Diese Entscheidung beeinflusst die Klemmenspannung, die Belastung des Zwischenkreises und die Wiederherstellung nach einem Fehler.

„Ohne diese Begrenzungslogik lässt sich das Verhalten von BESS bei Netzstörungen nicht glaubwürdig modellieren.“

Ein dreiphasiger Spannungseinbruch auf 0,5 pro Einheit ist ein anschauliches Beispiel. Der übergeordnete Regler fordert möglicherweise eine starke Blindleistungsunterstützung an, um die Wiederherstellung der Sammelschiene zu unterstützen, doch die inneren Regelkreise unterliegen weiterhin einem maximalen Stromkreis oder -rechteck, das nicht überschritten werden darf. Einige Anlagen priorisieren während des Spannungseinbruchs die Blindleistung und stellen die Wirkleistung erst nach einer zeitgesteuerten Erholungsphase wieder her. Andere halten ein festes Verhältnis ein oder wenden Schutzschwellenwerte an, die die Leistung vorübergehend reduzieren. Diese Details beeinflussen den von den Schutzvorrichtungen erfassten Fehlerstrom und wirken sich zudem auf die Einhaltung der Durchfahrtsregeln aus. Ein Modell, das unbegrenzt Strom einspeist, sieht auf einem Diagramm zwar hilfreich aus, sagt aber nichts Aussagekräftiges über den tatsächlichen Wechselrichter aus.

In Netzdienststudien sollten Übergänge zwischen verschiedenen Betriebszuständen untersucht werden

In Studien zu Netzdienstleistungen sollten Übergänge zwischen verschiedenen Betriebszuständen untersucht werden, da viele Probleme nicht im stationären Betrieb, sondern beim Übergang zwischen den Betriebszuständen auftreten. Laden, Entladen, Standby-Betrieb, Blindleistungsunterstützung und Fehlerbehebung unterliegen jeweils unterschiedlichen Grenzwerten und Regelpfaden. Die Anlage kann einen statischen Test bestehen und dennoch versagen, wenn sie von einem Modus in einen anderen wechselt. Daher müssen Zustandsübergänge in den Untersuchungsplan aufgenommen werden.

Eine häufige Schwachstelle tritt auf, wenn eine Anlage nach einer Störung in der Zuleitung vom nächtlichen Ladevorgang in den Spannungsausgleich übergeht. Der Befehlspfad verschiebt sich, die Strompriorität ändert sich, und der Ladezustandsregler kann das weitere Laden blockieren, während der Blindleistungsregler sofortige Unterstützung anfordert. Eine weitere Schwachstelle tritt auf, wenn die Frequenzregelung die Anlage nahe einer niedrigen Energieschwelle aus dem Leerlauf in den Entladezustand versetzt. Diese Übergänge können Rampenbegrenzungen, Modusverriegelungen oder vorübergehende Totzonen auslösen, die in einer einzelnen Betriebsaufnahme nicht erkennbar sind. Die Simulation von Netzdienstleistungen durch Batteriespeicher sollte diese Betriebsänderungen berücksichtigen, da die Netzunterstützung eine Abfolge von Zuständen ist und nicht einen einzelnen Punkt auf einem Leistungsdiagramm darstellt.

Die Validierung sollte den gesamten Betriebsbereich der Anlage abdecken

Die Validierung sollte den gesamten Betriebsbereich der Anlage abdecken, da ein Speichermodell nur dann glaubwürdig ist, wenn es sich unter allen Betriebsbedingungen, denen es ausgesetzt sein wird, einwandfrei verhält. Ein einwandfreies Diagramm bei mittlerem Ladezustand beweist kaum etwas. Es sind Überprüfungen nahe den Energiegrenzen, nahe den Stromgrenzen sowie unter verschiedenen Netzstärken erforderlich. Das ist der Standard, der verhindert, dass später erneut Anmerkungen aus der Begutachtung zurückkommen.

Von den Entwicklern geplant für das Jahr 2024 eine neue Batteriekapazität im Großmaßstab in den USA von 14,3 GW. Dieses Volumen bedeutet, dass mehr Speicherprojekte hinsichtlich der Modellglaubwürdigkeit unter Normalbetrieb und bei außergewöhnlichen Ereignissen bewertet werden. Ein solider Validierungssatz umfasst Fälle mit niedrigem und hohem Ladezustand, Lade- und Entlademodi, schwache und starre Netzpunkte, Spannungseinbrüche, Frequenzereignisse sowie die Wiederherstellung des Reglers nach Sättigung. SPS SOFTWARE ist in dieser Phase nützlich, da die offene Modellstruktur diese Überprüfungen leichter nachvollziehbar und erklärbar macht. Gute Speicherstudien scheitern nicht allein an der Batteriegröße. Sie scheitern, wenn das Modell nicht begründen kann, wie Grenzwerte und Regelungsmaßnahmen das Verhalten über den gesamten Betriebsbereich hinweg beeinflussen.