Modeling and steering of multi-use operation with uninterruptible power supply systems utilizing the example of lead-acid batteries

Badeda, Julia; Monti, Antonello; Sauer, Dirk Uwe

doi:39317

Modeling and steering of multi-use operation with uninterruptible power supply systems utilizing the example of lead-acid batteries

Badeda, Julia^RWTH*

2019 & 2020

VerantwortlichkeitsangabeJulia Badeda

ImpressumAachen : ISEA 2019

Umfang1 Online-Ressource (XIII, 15-282 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ReiheAachener Beiträge des ISEA ; 135

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Sauer, Dirk Uwe (Thesis advisor)^RWTH* ; Monti, Antonello (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-06-28

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-05456
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/789815/files/789815.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
EEC model (frei) ; UPS (frei) ; aging model (frei) ; battery storage systems (frei) ; frequency response (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Bei zunehmender Durchdringung eines elektrischen Netzes mit fluktuierenden erneuerbare Energieerzeugungsanlagen (fEE) steigt der Bedarf der Flexibilisierung desselben. Batterieenergiespeichersysteme bieten dabei eine Option in einem Portfolio an Flexibilisierungsmaßnahmen. Im Wettbewerb sind aktuell vor allem die immer noch hohen spezifischen Kosten je kW und kWh hinderlich. Deswegen ist es von Interesse, bereits installierte Batteriespeichersysteme zu ertüchtigen, so dass sie gleichzeitig Netzdienstleistungen liefern können. Die Kombination von verschiedenen Anwendungen führt zu einer Erhöhung der möglichen monetären Rückflüsse und wird als Multi-Nutzen-Anwendung bezeichnet. Speicher in Unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlagen (USV) werden in dieser Arbeit als Lösung betrachtet. Es werden dafür verschiedene USV Topologien beschrieben und die für die Anwendung am besten Geeignetste identifiziert. Es erfolgt eine Kategorisierung der aktuell absehbaren Anwendungen innerhalb des deutschen Strommarkts sowie eine detaillierte Analyse der attraktivsten Opportunitäten. Für die Simulation des elektrischen Verhaltens einer USV Batterie in Multi-Nutzen-Anwendung wurde ein equivalent electrical circuit (EEC) Model entwickelt und mit einer für die USV-Anwendung üblichen Batterie parametriert. Das elektrische Model wurde mit einem physiko-chemischen Alterungsmodel kombiniert, um den ökonomischen Mehrwert von Multi-Nutzen vs. Stand-alone Anwendung evaluieren zu können. Die Prozedur zur Parametrierung ist im Detail beschrieben, so dass Verbesserungen an dieser und Erweiterungen auf andere Typen möglich sind. Für die Modellimplementierung und der Anwendung in der Batteriediagnostik wurde außerdem der Einfluss der relevanten Alterungsmechanismen auf das Impedanzspektrum einer Blei-Säure-Batterie tiefergehend untersucht. Diese Arbeit bietet einen Ansatz für die Ertüchtigung von gängigen USV Anlagen zur Erbringung von Zusatzleistungen im zukünftigen Stromsystem.

With an increasing share of fluctuating renewable energy generation the necessity arises for flexibility options in the electrical grid. Within a portfolio of options, battery energy storage systems (BESS) represent one solution. One major drawback of BESS is still their relatively high costs per kW and kWh. Hence, it is of interest to enable already installed battery systems to deliver services to the grid. The combination of several markets leads to an increase of possible monetary revenue and is defined as multi-use application. Industrial Uninterruptible Power Supply (UPS) systems are investigated as a valuable solution. Different UPS topologies are elaborated to identify the most suitable one for the above-mentioned purpose. Furthermore, a categorization of currently foreseeable applications within the German market as well as a detailed analysis of the most attractive opportunities is given. An equivalent electrical circuit (EEC) model with physically motivated sub-models is developed and parameterized for an UPS lead-acid battery to simulate its electrical characteristics under multi-use operation. The electrical model is coupled with an electrochemical aging model to evaluate the economic benefit of multi-use vs. stand-alone operation. The parameterization process is described in detail to facilitate the adaption of the model for other battery types. For the model implementation and diagnostic applications, the influence of the different aging mechanisms on the impedance spectra of a lead-acid battery is further investigated. This work is a contribution to enable UPS systems to deliver flexibilities to a future electrical network.

OpenAccess:
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