Performance “PerMod” Simulationsmodell
Das Standard-Batterie-Berechnungsmodell von Polysun basiert auf dem Open-Source-Leistungsmodell „PerMod“ zur Simulation von Batteriesystemen von (Weniger & Tjaden). Eine vollständige Dokumentation inklusive Matlab-Quellcode ist unter http://pvspeicher.htw-berlin.de/permod verfügbar.
Dieser Abschnitt beschreibt kurz das Simulationsmodell und die Vereinfachungen, die im Vergleich zum ursprünglichen Modell vorgenommen wurden, um eine Parametrisierung von PV-Batteriesystemen unter Verwendung von Messungen auf der Grundlage des BVES Effizienzleitfadens zu ermöglichen.
Berechnungsmodell
Anstatt konstante Wirkungsgrade anzunehmen, wie viele Batteriesystemmodelle, berechnet PerMod die Leistungsverluste der einzelnen Komponenten als quadratische Funktion der Leistungsaufnahme bzw. -abgabe. Die nachfolgende Abbildung zeigt die Wirkungsgrade und Leistungsverluste als Funktionen der normierten Ausgangsleistung beim Laden für zwei beispielhafte PV-Speichersysteme.
Die Leistungsverlustkurve kann angemessen gefittet werden als
\(a \cdot p^{2} + b \cdot p + c\)
mit der spezifischen Leistung p = Leistungsabgabe/ Nennleistung und den gefitteten Parametern a, b und c. Der Wirkungsgrad \(\eta(p)\) ergibt sich aus
\(\ \eta(p) = \ 1 – \frac{p_{loss}}{p}\)
wobei \(p_{loss}\ \) der Leistungsverlust [W/kW] ist. Auf den Datenblättern von PV‑Speichersystemen, die dem BVES-Effizienzleitfaden entsprechen, sind Kurven für die in der untenstehenden Abbildung dargestellten anwendbaren Energieumwandlungspfade dargestellt.
Einmal extrahiert (z.B. mit einem Curve-Fitting Tool), können die Verlustleistungskoeffizienten in den Polysun-Katalog für PV-Wechselrichter bzw. Batteriewechselrichter eingegeben werden (siehe die untenstehende Abbildung). Wird im Katalogeintrag nur ein Wandlungspfad angegeben (wie bei den meisten Einträgen in der nächsten Abbildung ), geht Polysun davon aus, dass die Verlustleistungsfunktion für den nicht spezifizierten Pfad gleich ist.
Hinweis: Es ist zu beachten, dass der Wirkungsgrad eines Wechselrichters nicht nur von der Leistung, sondern auch von der Spannung abhängt. Da PerMod die Leistung nur als Input für die Wirkungsgradfunktion betrachtet, kann ein Wechselrichter je nach System, in dem er eingesetzt wird, unterschiedliche Polynome haben. So kann ein Wechselrichter z.B. in Kombination mit einer Batterie, die eine höhere Gleichspannung hat, aufgrund der geringeren Spannungsdifferenz zwischen der Batterie und dem Zwischenkreis des Wechselrichters einen höheren Wirkungsgrad haben. Aus diesem Grund kann es notwendig sein, mehrere Katalogeinträge für denselben Wechselrichter zu haben; jeder mit unterschiedlichen Verlustkoeffizienten. In diesem Fall ist die Batterie, für die die Koeffizienten ermittelt wurden, im Namen des jeweiligen Katalogeintrags anzugeben.
PerMod Vereinfachungen
Das HTW PerMod simulationstool (Version 1.0) wurde für die Simulation von PV-Speichersystemen auf der Grundlage von Labormessungen konzipiert. Aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit der Daten, die zur Parametrierung des Modells benötigt werden, ist seine Verwendung derzeit vor allem auf Forschungsinstitute, Universitäten und Hersteller von PV-Batteriesystemen beschränkt. Da der Anwenderkreis von Polysun nicht auf Personen mit Zugriff auf solche Daten beschränkt ist und Polysun variable Zeitschrittgrössen zwischen 1 s und 1 h zulässt, wurden in der Polysun-Implementierung von PerMod verschiedene Vereinfachungen vorgenommen – mit dem Ziel, eine einfachere Parametrierung und Simulationen mit variablen Zeitschrittgrössen zu ermöglichen. Die nachfolgende Tabelle fasst die in Polysun vorgenommenen Vereinfachungen zusammen und gibt eine Begründung für jede Vereinfachung. Es wird eine umfassende Kenntnis des ursprünglichen HTW PerMod-Simulationstools (Version 1.0) vorausgesetzt.
Tabelle: Zusammenfassung der Polysun PerMod-Vereinfachungen und deren Gründe
| Vereinfachung | Grund |
| Polysun vereinfacht E_BAT zu (E_BAT_beladung + E_BAT_entladung) / 2 | Einfachere Parametrisierung |
| Die Batterieumwandlungsverluste werden als konstant angesehen. | Einfachere Parametrisierung |
| Keine Ladeleistungsbegrenzung im Modus konstante Spannung (CV) oder konstante Leistung (CP). | Einfachere Parametrisierung |
| Statische Regelabweichung nicht als Funktion der Leistung, sondern als Konstanten (zum Laden/Entladen) | Einfachere Parametrisierung |
| Keine dynamische Regelabweichung | Variable Zeitschrittweite |
| Es wird angenommen, dass die Standby-Verluste im voll geladenen und leeren Zustand gleich sind. | Einfachere Parametrisierung |
| Eingangsdatenauflösungen und Zeitschrittgrößen über 1 s sind möglich | Variable Zeitschrittweite |
Beim Vergleich des HTW-Simulationstools PerMod mit der vereinfachten Polysun-Implementierung können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden:
- Das vereinfachte Modell mit 1 s aufgelösten Daten führt zu einer leichten Überschätzung aller Performance-Indikatoren des Systems um etwa 1 bis 5 Prozentpunkte.
- Nach den Modellvereinfachungen führen Reduzierungen in der zeitlichen Auflösung der Simulation kaum noch zu weiteren Fehlern in den Ergebnissen (Schwerpunkt: SPI).
- Eine 15-minütige Resolution bewirkt eine spürbare Erhöhung der Autarkie.
- Das vereinfachte Modell mit Auflösungen bis zu 1 Minute führt zu akzeptablen Ergebnissen.
- Die Ergebnisse der 15-minütig aufgelösten Simulation sind tolerierbar, aber nicht sehr genau.
Tabelle: Vergleich der Leistungsindikatoren zwischen einem idealen System, dem ursprünglichen PerMod-Modell und Polysun-Vereinfachungen mit verschiedenen zeitlichen Auflösungen
Hinweis: Bei der Durchführung detaillierter Simulationen von Batteriesystemen empfehlen wir eine Simulationszeitschrittweite und eine Auflösung der Eingabedaten von 1 Minute oder weniger. Geringere zeitliche Auflösungen führen zu einer Mittelung der Lade-/Entladeleistung, was wiederum zu einer weniger genauen Modellierung von Be- und Entladespitzen führt. In allen Polysun-Editionen erhöht die Verwendung eines hoch aufgelösten Lastprofils die zeitliche Auflösung der Gesamtsimulation. In den Polysun Research/Premium-Editionen ist es möglich, die maximale Zeitschrittgrösse mit den Plugin-Steuerungen einzustellen.
Standardwerte
Da die BVES-Effizienzrichtlinie zum Zeitpunkt der Implementierung des Simulationsmodells in Polysun noch nicht vollständig etabliert war, haben viele Hersteller von PV-Batteriesystemen noch keine normgerechten Datenblätter herausgegeben. Zudem garantieren die Mindestdatenblattanforderungen der BVES-Effizienzrichtlinie 2.0 nicht genügend Parametrierdaten für die Implementierung von PerMod in Polysun. Polysun stützt sich deshalb bei der Parametrierung in den Katalogeinträgen hauptsächlich auf Labormessungen von Forschungsinstituten und Batterieherstellern.
Um innovative Hersteller, die bereits normbasierte Datenblätter herausgegeben haben, oder Systemplaner, die den Bedarf eines transparenten Marktes haben, nicht zu benachteiligen, übernimmt Polysun für jedes System, für das keine BVES-konformen Daten zur Verfügung gestellt werden, Standardwerte. Diese entsprechen jeweils den Ergebnissen der am wenigsten effizienten Systeme der Stromspeicher-Inspektion 2018. Die Daten wurden mit Hilfe von Bilddatenerfassungs- und Kurvenanpassungssoftware aus der Publikation extrahiert.