Evaluation of power flow control strategies for heterogeneous battery energy storage systems

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Mühlbauer, Markus:
Evaluation of power flow control strategies for heterogeneous battery energy storage systems.
Bayreuth , 2022 . - 160, XXXI S.
( Dissertation, 2022 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00005989

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Abstract

The past decade has seen a rapid transformation of electric power systems in many countries worldwide through integrating renewable energy sources. However, the associated increase in irregular power generation and consumption forces system operators to compensate for resulting power fluctuations. Battery energy storage systems are predestined for integrating renewable energy sources smoothly but demand proper energy management. Research in this area has clearly established that coordinated control is an essential contributor to the reliable operation of energy storage systems and thus the power grid. The development of battery energy storage systems requires operating strategies to efficiently manage the power flow under rapidly and continuously changing power requirements. Therefore, this work aims to identify, quantify, and evaluate the potentials and sensitivities of power flow control strategies for heterogeneous battery energy storage systems in several applications and system designs. Moreover, it aims at developing a versatile power flow control strategy for battery energy storage systems.

The experimental research design was used to analyze the causal relationships between the inputs and the outputs of heterogeneous battery energy storage systems. In this context, a methodological framework was developed that includes a validated simulation model of a battery energy storage system and methods to systematically evaluate and visualize these causal relationships for different power flow control strategies and applications. The results showed that the trade-offs between the target indicators “performance,” “efficiency,” and “service life” can be quantified accurately. Furthermore, the individual influences of the power flow control strategies and applications on the target indicators were analyzed. It was shown that, for example, a heterogeneous battery energy storage system could influence the service life of the batteries in different ways depending on the applied power flow control strategy. The findings of this work show that the applied power flow control strategy, system design, and application are essential factors to consider when operating heterogeneous battery energy storage systems. These factors influence the resulting power distribution within the system, which is, in turn, a decisive point for reliable and sustainable operation. In many cases, a trade-off between the target indicators “efficiency” and “service life” was observed, requiring a decision on a more equal or a more individual power-sharing. A more individual power-sharing, for example, might be beneficial in the case of the peak shaving scenario, especially in terms of efficiency. However, this often decreases the service life and demands a premature replacement of a single battery.

Generally, this work contributes to the body of knowledge on power flow control strategies for battery energy storage systems by incorporating a methodological framework for researchers and industries to analyze and develop battery energy storage systems. The benefits gained from the methodological framework address system operator needs across a wide range of different applications. This work focuses, among other aspects, on the successful implementation of the methodological framework for heterogeneous battery energy storage systems. However, most battery energy storage systems are included in higher-level systems, resulting in new challenges to be addressed. A further study could assess the potentials and sensitivities of operating strategies for microgrids or other higher-level systems using the methodological framework of this work.

Abstract in weiterer Sprache

In den vergangenen Jahren hat sich durch die Integration erneuerbarer Energien in vielen Ländern weltweit eine rasche Umgestaltung der Stromnetze vollzogen. Die damit verbundene und zunehmend volatile Stromerzeugung sowie auch der unregelmäßigere Verbrauch zwingen die Netzbetreiber zum Ausgleich resultierender Stromschwankungen. Batteriespeichersysteme sind dafür prädestiniert eine reibungslose Integration erneuerbarer Energien zu gewährleisten, erfordern aber ein entsprechendes Energiemanagement. Forschungsarbeiten in diesem Gebiet haben gezeigt, dass ein koordinierter Betrieb einen wesentlichen Beitrag zur Zuverlässigkeit von Energiespeichersystemen und somit von Stromnetzen leistet. Die Entwicklung von Batteriespeichersystemen erfordert unter anderem Betriebsstrategien zur effizienten Leistungsflusssteuerung bei sich schnell und kontinuierlich ändernden Leistungsanforderungen. Daher zielt diese Arbeit darauf ab, die Potenziale und Sensitivitäten von Betriebsstrategien für heterogene Batteriespeichersysteme in verschiedenen Anwendungen und Systemkonfigurationen zu identifizieren, zu quantifizieren und schließlich zu bewerten. Darüber hinaus verfolgt sie die Entwicklung einer vielseitigen Betriebsstrategie für Batteriespeichersysteme.

Um die Wirkungszusammenhänge von heterogenen Batteriespeichersystemen zu analysieren, wurde ein experimentelles Forschungsdesign verwendet. In diesem Zusammenhang wurde ein methodischer Rahmen entwickelt, der ein validiertes Simulationsmodell eines Batteriespeichersystems und Methoden zur systematischen Bewertung und Visualisierung der Wirkungszusammenhänge bei verschiedenen Betriebsstrategien und Anwendungen umfasst. Die Ergebnisse zeigten, dass die einzugehenden Kompromisse zwischen den Zielindikatoren „Funktionserfüllung“, „Effizienz“ und „Lebensdauer“ genau quantifiziert werden können. Darüber hinaus wurden die einzelnen Einflüsse der Betriebsstrategien, Systemkonfigurationen und Anwendungen auf die Zielindikatoren bewertet. Es konnte gezeigt werden, dass z.B. die Heterogenität eines Batteriespeichersystems je nach verwendeter Betriebsstrategie die Lebensdauer der Batterien unterschiedlich beeinflussen kann. Die Ergebnisse dieser Arbeit legen dar, dass die genannten Faktoren wesentlich auf einen optimierten Betrieb heterogener Batteriespeichersysteme Einfluss nehmen und für die resultierende Leistungsaufteilung innerhalb des Systems essenziell sind. Die Leistungsaufteilung wiederum ist der entscheidende Punkt für einen zuverlässigen und nachhaltigen Betrieb. In vielen Fällen wurde beispielsweise ein Zielkonflikt zwischen den Zielindikatoren „Effizienz“ und „Lebensdauer“ beobachtet, welcher folglich eine Entscheidung über eine gleichmäßigere oder individuellere Leistungsaufteilung erfordert. Im Hinblick auf die Effizienz ist im Anwendungsfall der Lastspitzenkappung oft eine individuellere Leistungsaufteilung vorteilhaft. Diese führt jedoch häufig zu einer geringeren Lebensdauer und somit zu einem vorzeitigen Austausch einer einzelnen Batterie.

Insgesamt leistet diese Arbeit einen wesentlichen Beitrag zum aktuellen Wissensstand von Betriebsstrategien für Batteriespeichersysteme, indem sie einen methodischen Rahmen für die Analyse und Entwicklung von Batteriespeichersystemen für Forschung und Industrie bietet. Die Vorteile, die sich aus dem methodischen Rahmen ergeben, können die Anforderungen von Systembetreibern in einem breiten Spektrum unterschiedlicher Anwendungen erfüllen. Diese Arbeit konzentriert sich unter anderem auf die erfolgreiche Umsetzung des methodischen Rahmens für heterogene Batteriespeichersysteme. Die meisten Batteriespeichersysteme sind jedoch Teil eines übergeordneten Systems, wodurch sich wiederum neue Herausforderungen ergeben. Eine nachfolgende Studie könnte die Potenziale und Sensitivitäten von Betriebsstrategien für Microgrids oder andere übergeordnete Systeme unter Verwendung des hier entwickelten methodischen Rahmens bewerten.