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Main Title: Bewertung der Energieeffizienz von netzgekoppelten Photovoltaik-Batteriesystemen in Wohngebäuden
Translated Title: Energy efficiency assessment of grid-connected photovoltaic battery systems in residential buildings
Author(s): Weniger, Johannes
Advisor(s): Kowal, Julia
Referee(s): Kowal, Julia
Quaschning, Volker
Sauer, Dirk Uwe
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Der Einsatz von Photovoltaik-Anlagen (PV-Anlagen) in Kombination mit Batteriespeichersystemen zur Energieversorgung von Wohngebäuden gewinnt immer mehr an Bedeutung. Mit der zunehmenden Anzahl der am Markt erhältlichen PV-Batteriesysteme rücken verstärkt Fragen in Bezug auf die Effizienz der unterschiedlichen Systemkonzepte in den Vordergrund. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines modellbasierten Simulationstests zur Effizienzbewertung und Verlustanalyse von PV-Batteriesystemen. Im ersten Schwerpunkt der Arbeit wird ein Modell zur Simulation des Betriebsverhaltens von AC-gekoppelten PV-Batteriesystemen in einsekündiger Auflösung beschrieben. Zur Parametrierung des Modells sind Messdaten erforderlich, die aus Labortests gemäß dem Effizienzleitfaden für PV-Speichersysteme hervorgehen. Auf Grundlage des entwickelten Simulationsmodells wird anschließend ein neues Verfahren zur Analyse der Verluste in PV-Batteriesystemen vorgestellt. Hierzu werden ausgehend von einem idealen, verlustfreien Betriebsverhalten die Auswirkungen der einzelnen Effizienzverluste anhand der jeweils hervorgerufenen Änderung der Energieflüsse am Netzanschlusspunkt aufgezeigt. Auf diese Weise werden die Effekte der Dimensionierungs-, Umwandlungs-, Regelungs-, Energiemanagement- und Bereitschaftsverluste getrennt voneinander analysiert. Des Weiteren wird in dieser Arbeit die Aussagekraft von unterschiedlichen Kennzahlen zur Bewertung von PV-Batteriesystemen untersucht. Viele der bisher verwendeten Bewertungsgrößen lassen einzelne Verlustmechanismen der PV-Batteriesysteme außer Acht. Mit dem System Performance Index (SPI) wird eine neue Effizienzkennzahl für PV-Batteriesysteme vorgestellt, mit der sich die Relevanz der einzelnen Verlustmechanismen quantifizieren lässt. Im Anschluss werden ausgewählte Einflussfaktoren auf den SPI näher untersucht. Unter anderem wird die Bedeutung der zeitlichen Auflösung der Eingangsdaten sowie des Detaillierungsgrads des verwendeten Simulationsmodells analysiert. Anhand von Simulationsuntersuchungen wird zudem der Beitrag einer prognosebasierten Batterieladestrategie zur Verringerung der Energiemanagementverluste und zur Verbesserung des SPI aufgezeigt. In einem weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit wird die Effizienz von AC-, DC- und PV-gekoppelten PV-Batteriesystemen mit dem SPI bewertet. Es zeigt sich, dass die erzielte Kosteneinsparung eines PV-Batteriesystems maßgeblich von dessen Effizienz abhängt. Der Einfluss der Systemeffizienz auf die Kosteneinsparung der PV-Batteriesysteme ist oft größer als der Einfluss der Speicherkapazität. Die untersuchten AC-, DC- und PV-gekoppelten Systeme erzielen im Mittel einen SPI von jeweils 88%. Eine ausgeprägte Abhängigkeit der Systemeffizienz von der Systemtopologie konnte somit nicht festgestellt werden. Es bleibt festzuhalten, dass die Gesamtsystemverluste von den Umwandlungsverlusten in den leistungselektronischen Systemkomponenten dominiert werden. Maßnahmen zur Verbesserung der Systemeffizienz sollten daher insbesondere die Steigerung der Umwandlungswirkungsgrade der PV-Batteriesysteme zum Ziel haben.
Combining photovoltaic (PV) systems with battery storage systems for the energy supply of residential buildings is becoming increasingly important. With a growing number of PV-battery systems available on the market, questions regarding the efficiency of the various system concepts are increasingly emerging. The aim of this thesis is to develop a model-based simulation test for the efficiency assessment and loss analysis of PV-battery systems. First, a new simulation model to calculate the energy flows of AC-coupled PV-battery systems with a temporal resolution of one second is proposed. Laboratory measurements according to the efficiency guideline for PV-battery systems were used to parametrize the model. Based on the developed simulation model, a new procedure is shown which allows a comparison of the different efficiency losses: Compared to the behavior of a lossless system, the change in the energy fed into the grid and drawn from the grid due to the different loss mechanisms is determined. Consequently, the effects of the sizing, conversion, control, energy management and standby losses are analyzed separately for a reference system. Moreover, this thesis evaluates different energy performance indicators for PV-battery systems. Many of the indicators disregard individual loss mechanisms of a PV-battery system. The System Performance Index (SPI) is introduced as a new efficiency indicator. The SPI can be used to quantify the relevance of the modelled loss mechanisms. In the following, a sensitivity analysis is conducted which analyzes selected influencing factors on the SPI more closely. Among other things, the impact of the temporal resolution of the input data as well as the impact of the level of detail of the simulation model is shown. Further simulations show that a predictive operation strategy can reduce the energy management losses and improve the SPI. Finally, the efficiency of AC-, DC- and PV-coupled systems is assessed using the SPI. The simulation results show that the achievable cost savings of a PV-battery system depend significantly on its efficiency losses. In many cases, the cost savings are affected more strongly by the efficiency than by the battery capacity of the system. The AC-, DC- and PV-coupled systems under study achieve an average SPI of 88%. A substantial discrepancy in the mean efficiency between the different system topologies could not be determined. The overall system losses of all systems under study are dominated by the conversion losses of the power electronics. Measures to improve the system efficiency should therefore especially aim at increasing the conversion efficiency of the system components.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10969
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9859
Exam Date: 3-Sep-2019
Issue Date: 2020
Date Available: 20-Apr-2020
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Energiespeicher
Batteriespeicher
Speichersystem
Performance
Simulation
energy storage
battery storage
storage system
performance
simulation
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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