Έξυπνες Στρατηγικές Διαχείρισης Ενέργειας για Σύγχρονους Κόμβους BESS

Γρήγορη απάντηση

Ένας σύγχρονος κόμβος φόρτισης αποθήκευσης ενέργειας μπαταρίας (BESS) επιτυγχάνει ή αποτυγχάνει στη στρατηγική διαχείρισης ενέργειας, όχι στο υλικό του. Η έξυπνη διαχείριση ενέργειας χρησιμοποιεί ένα σύστημα διαχείρισης ενέργειας (EMS) σε επίπεδο τοποθεσίας για να αποφασίζει συνεχώς πότε θα φορτίζει την μπαταρία, πώς θα κατανέμει την ισχύ μεταξύ των φορτιστών και πότε θα εκφορτίζει για την εξάλειψη αιχμής, τη μετατόπιση φορτίου ή την απόκριση στη ζήτηση. Οι τρεις στρατηγικές με τον υψηλότερο μετρήσιμο αντίκτυπο είναι η αποστολή με εξάλειψη αιχμής, ο δυναμικός περιορισμός ισχύος φορτιστή μέσω του OCPP 2.0.1 και ο προγραμματισμός βάσει τιμών που εκμεταλλεύεται τις διαφορές τιμολόγησης. Εφαρμοσμένες μαζί, μειώνουν το κόστος ενέργειας της τοποθεσίας κατά 20-40%, προστατεύουν τους φορτιστές από τα όρια του δικτύου και δημιουργούν νέα έσοδα από προγράμματα κοινής ωφέλειας. Αυτό το άρθρο εξηγεί την ιεραρχία του EMS, τις βασικές στρατηγικές και τα πρωτόκολλα που καθιστούν τον αυτοματισμό αξιόπιστο σε κλίμακα κόμβου.

Βασικά σημεία

• Το EMS είναι ο εγκέφαλος ελέγχου που συνδέει τις μπαταρίες, τους φορτιστές, τα φωτοβολταϊκά και τα τιμολόγια του δικτύου σε ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης.
• Η μείωση των τιμών αιχμής είναι η στρατηγική με την υψηλότερη αξία: ο περιορισμός του παραθύρου ζήτησης των 15 λεπτών μειώνει το μεγαλύτερο δασμολογικό στοιχείο.
• Η δυναμική διαχείριση φορτίου (DLM) επιτρέπει σε μια υπομεγέθη σύνδεση δικτύου να εξυπηρετεί υπερμεγέθεις στόλους φορτιστών.
• Ο προγραμματισμός βάσει τιμών και η ανταπόκριση στη ζήτηση μετατρέπουν την αποθήκευση σε περιουσιακό στοιχείο εσόδων και όχι απλώς σε εργαλείο αποφυγής κόστους.
• Τα πρότυπα OCPP 2.0.1, ISO 15118 και IEC 61851 για τη διαλειτουργικότητα αποτελούν τα αδιαπραγμάτευτα θεμέλια του αυτοματοποιημένου ελέγχου.

Τι κάνει έναν κόμβο φόρτισης «έξυπνο» σήμερα

Πριν από δέκα χρόνια, μια τοποθεσία φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων ήταν μια συλλογή φορτιστών συνδεδεμένων με έναν μετρητή. Κάθε φορτιστής διαπραγματευόταν την ισχύ με το όχημα ανεξάρτητα, η τοποθεσία καταγράφηκε σε οποιαδήποτε κορύφωση και ο χειριστής συμφώνησε τη ζημιά στο τέλος του μήνα. Ένας έξυπνος κόμβος BESS είναι δομικά διαφορετικός: κάθε ροή ισχύος μετριέται, κάθε απόφαση βελτιστοποιείται και η τοποθεσία συμπεριφέρεται ως ένα ενιαίο ελεγχόμενο στοιχείο.

Οι καθοριστικές δυνατότητες ενός έξυπνου κόμβου είναι:

1. Μέτρηση σε πραγματικό χρόνοφορτίου εγκατάστασης, κατάστασης φόρτισης μπαταρίας (SoC), ισχύος φορτιστή και —όπου ισχύει— παραγωγής φωτοβολταϊκών. 2.Πρόβλεψητης ζήτησης οχημάτων, της ηλιακής ενέργειας και των παραθύρων τιμολόγησης. 3.Βελτιστοποίησηπου επιλύει το πρόβλημα του χαμηλότερου κόστους ή των υψηλότερων εσόδων εντός των φυσικών και συμβατικών περιορισμών. 4.Εκτέλεσηπου στέλνει σήματα ελέγχου στους φορτιστές, το PCS της μπαταρίας και το σημείο διασύνδεσης του δικτύου. 5.Συμμόρφωσημε συμφωνίες σύνδεσης με το δίκτυο, κανόνες μέτρησης και απαιτήσεις κυβερνοασφάλειας.

Ένας κόμβος χωρίς αυτές τις δυνατότητες είναι απλώς ένα μεγαλύτερο πάρκο φορτιστών. Με αυτές, γίνεται ένα ενεργειακό περιουσιακό στοιχείο του οποίου ο φορέας εκμετάλλευσης μπορεί να υποσχεθεί στην εταιρεία κοινής ωφέλειας ένα σταθερό προφίλ φορτίου και να το παραδώσει.

Η ιεραρχία EMS: Ελεγκτής τοποθεσίας, Δίκτυο φορτιστή, Άκρη δικτύου

Η έξυπνη διαχείριση ενέργειας λειτουργεί σε τρία ένθετα επίπεδα και οι καλύτερες εφαρμογές διατηρούν και τα τρία συντονισμένα:

Επίπεδο 1 — Ελεγκτής τοποθεσίας (EMS).Το EMS είναι ο υπεύθυνος λήψης αποφάσεων. Λαμβάνει δεδομένα τιμολόγησης, παραμέτρους υγείας μπαταρίας, καταστάσεις φορτιστή και δεδομένα πρόβλεψης και, στη συνέχεια, δημοσιεύει ένα σχέδιο αποστολής: σημεία ρύθμισης φόρτισης/εκφόρτισης μπαταρίας, όρια ισχύος ανά φορτιστή και στόχους εισαγωγής δικτύου. Οι εμπορικές πλατφόρμες EMS ανανεώνουν αυτό το σχέδιο κάθε 1-15 λεπτά, ανάλογα με την αστάθεια της αγοράς.

Επίπεδο 2 — Δίκτυο φορτιστή.Οι φορτιστές εκτελούν το σχέδιο μέσω του OCPP. Στο OCPP 2.0.1, το EMS μπορεί να ορίσει δυναμικά όρια ισχύος σε κάθε συνεδρία φόρτισης σε πραγματικό χρόνο, περιορίζοντας τις μεμονωμένες συνεδρίες για να διατηρήσει την τοποθεσία εντός του ορίου της. Αυτός είναι ο μηχανισμός που μετατρέπει μια σύνδεση 500 kVA σε έναν κόμβο με δυνατότητα 960 kW: οι φορτιστές λειτουργούν με πλήρη ισχύ όταν η μπαταρία αποφορτίζεται και μειώνονται όταν δεν αποφορτίζεται.

Επίπεδο 3 — Άκρη πλέγματος.Το σημείο διασύνδεσης αναφέρει δεδομένα μετρητών και, σε προγράμματα έξυπνων δικτύων, λαμβάνει εξωτερικά σήματα — συμβάντα απόκρισης ζήτησης, δημοπρασίες χωρητικότητας ή παλμούς τιμών κατά τον χρόνο χρήσης. Το EMS τα αντιμετωπίζει αυτά ως περιορισμούς ή εισροές τιμών στη βελτιστοποίησή του.

Η λειτουργία αστοχίας που πρέπει να αποφευχθεί είναι ο απομονωμένος έλεγχος: εάν η μπαταρία διαχειρίζεται από έναν προμηθευτή, οι φορτιστές από έναν άλλο και τα φωτοβολταϊκά από έναν τρίτο, δεν υπάρχει ενιαίος βελτιστοποιητής. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι ενσωματωμένες πλατφόρμες [σταθμού φόρτισης BESS](https://www.midapower.com/bess-charging-station/) —όπου το EMS αποστέλλεται με την μπαταρία και τους φορτιστές— παρέχουν σταθερά καλύτερα αποτελέσματα από τις βέλτιστες στοίβες που συνδέονται μεταξύ τους επί τόπου.

Διαχείριση φορτίου: Μείωση αιχμής και μετατόπιση φορτίου

Οι δύο στρατηγικές που καθορίζουν την κινητήρια δύναμη της διαχείρισης ενέργειας του κόμβου BESS είναι η μείωση των αιχμών και η μετατόπιση φορτίου. Συχνά συγχέονται, αλλά στοχεύουν σε διαφορετικά στοιχεία τιμολόγησης.

Ξύρισμα κορυφήςπεριορίζει τη μέγιστη ζήτηση δικτύου 15 λεπτών της τοποθεσίας. Το EMS παρακολουθεί το κυλιόμενο παράθυρο ζήτησης. Όταν η προβλεπόμενη κορυφή πλησιάζει το όριο, αποφορτίζει την μπαταρία στην απαραίτητη ισχύ. Το όφελος είναι η αποφυγή φόρτισης ζήτησης - συνήθως το μεγαλύτερο ελεγχόμενο κόστος σε έναν λογαριασμό τοποθεσίας φόρτισης. Σε έναν κόμβο με κορυφή 1,2 MW και χρέωση 15 $/kW, η μείωση της ισχύος κατά 300 kW εξοικονομεί 54.000 $ ετησίως.

Μετατόπιση φορτίουμετατοπίζει την κατανάλωση ενέργειας στο πέρασμα του χρόνου. Η μπαταρία φορτίζει εκτός ωρών αιχμής (όταν η ενέργεια είναι 0,03$–0,06$/kWh) και τροφοδοτεί τους φορτιστές κατά τις ώρες αιχμής (όταν η ενέργεια είναι 0,15$–0,30$/kWh). Το όφελος είναι η μείωση του κόστους ενέργειας συν, σε ορισμένες αγορές, έσοδα από arbitrage.

Ο παρακάτω πίνακας συγκρίνει τις στρατηγικές ανά στόχο, ενεργοποίηση ελέγχου και τυπική εξοικονόμηση:

Ένα καλά συντονισμένο EMS εκτελεί πολλά από αυτά ταυτόχρονα: μείωση της αιχμής, μετατόπιση του φορτίου μεταξύ των παραθύρων τιμολόγησης και απόκριση σε συμβάντα DR όταν η τιμή είναι σωστή.

Απόκριση Ζήτησης και V2G: Η Αποθήκευση ως Περιουσιακό Στοιχείο Δικτύου

Πέρα από τον μετρητή, ένας κόμβος BESS μπορεί να συμμετέχει σε υπηρεσίες δικτύου που πληρώνουν για ευελιξία. Τα προγράμματα απόκρισης ζήτησης (DR) πληρώνουν τοποθεσίες για να μειώσουν την κατανάλωση - ή να εξάγουν ενέργεια - όταν το δίκτυο βρίσκεται σε πίεση. Ένα BESS ισχύος 240 kW που μπορεί να αποφορτιστεί για τέσσερις ώρες αντιπροσωπεύει σχεδόν 1 MWh ευελιξίας κατανομής, αξίας 12.000-36.000 δολαρίων ετησίως σε ενεργές αγορές DR.

Η σύνδεση οχήματος-δικτύου (V2G) επεκτείνει την ίδια λογική στον ίδιο τον στόλο φορτηγών ή λεωφορείων. Με αμφίδρομους φορτιστές και οχήματα με δυνατότητα ISO 15118, ένα αμαξοστάσιο μπορεί να συγκεντρώσει μπαταρίες σταθμευμένων οχημάτων ως εικονικό εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας. Αυτό είναι πιο περίπλοκο στη λειτουργία του —πρέπει να τηρούνται οι περιορισμοί διαθεσιμότητας στόλου— αλλά μετατρέπει το μεγαλύτερο υποχρησιμοποιούμενο περιουσιακό στοιχείο (μπαταρίες σταθμευμένου στόλου) σε έσοδα. Οι περισσότεροι φορείς εκμετάλλευσης εφαρμόζουν σταδιακά το V2G μετά την εξάντληση της αιχμής και την απόσβεση φορτίου (DR), καθώς αυτά δεν απαιτούν συνεργασία από την πλευρά του οχήματος.

Προγραμματισμός και Προγνωστικός Έλεγχος με βάση την Τεχνητή Νοημοσύνη

Το EMS που βασίζεται σε στατικούς κανόνες—«εκφόρτιση από τις 4 μ.μ. έως τις 9 μ.μ.»—αφήνει χρήματα στο τραπέζι, επειδή τα πραγματικά φορτία και οι τιμές ποικίλλουν καθημερινά. Ο προγνωστικός έλεγχος προσθέτει πρόβλεψη: το EMS προβλέπει τη ζήτηση φόρτισης του αύριο από την τηλεματική του στόλου, την ηλιακή παραγωγή από τα μετεωρολογικά δεδομένα και τις τιμές από τα ημερολόγια τιμολόγησης και στη συνέχεια βελτιστοποιεί το σχέδιο μπαταρίας σε ολόκληρο τον ορίζοντα.

Οι βελτιώσεις μηχανικής μάθησης προχωρούν ένα βήμα παραπέρα, μαθαίνοντας τα εβδομαδιαία πρότυπα μιας τοποθεσίας και προσαρμόζοντας αυτόματα την πολιτική αποστολής. Τα μετρήσιμα αποτελέσματα στους λειτουργικούς κόμβους περιλαμβάνουν:

• 10–20% πρόσθετη μείωση κόστουςέναντι της αποστολής βάσει κανόνων, από καλύτερο χρονισμό των κύκλων μπαταρίας·
• Λιγότεροι κύκλοι μπαταρίας ανά κιλοβατώρα που εξυπηρετείται, επεκτείνοντας τη διάρκεια ζωής του κύκλου αντιστοιχίζοντας την ισχύ εκφόρτισης με το πραγματικό φορτίο·
• Βελτιωμένη συμμόρφωση με το ανώτατο όριοκατά τη διάρκεια ασυνήθιστων ημερών (αργίες, καύσωνες, εκδηλώσεις) που οι κανόνες παραβλέπουν.

Για έναν [σταθμό φόρτισης BESS 2 MWh 960 kW μεγαβάτ] (https://www.midapower.com/2mwh-960kw-bess-charging-station-megawatt-ev-charger-solar-battery-storage-system-product/), όπου ένας κακός χρονισμένος κύκλος μπορεί να κοστίσει εκατοντάδες δολάρια σε υποβάθμιση συν υπερβάσεις ζήτησης, ο προγνωστικός έλεγχος δεν είναι πολυτέλεια - είναι το πρότυπο λειτουργίας.

Διαλειτουργικότητα πρωτοκόλλου: OCPP 2.0.1 και ISO 15118

Κάθε έξυπνη στρατηγική που περιγράφεται παραπάνω εξαρτάται από το γεγονός ότι το EMS μιλάει μια κοινή γλώσσα με τους φορτιστές και τα οχήματα. Τρία πρωτόκολλα ορίζουν αυτή τη γλώσσα:

• OCPP 2.0.1— το πρότυπο charger-to-backend. Η λειτουργικότητα SmartCharging επιτρέπει στο EMS να ορίζει όρια ισχύος ανά συνεδρία, ελέγχους συναλλαγών και διαχείριση συσκευών από απόσταση. Αντικαθιστά το OCPP 1.6J για νέους κόμβους λόγω καλύτερης ασφάλειας (TLS), καλύτερου χειρισμού σφαλμάτων και εγγενούς έξυπνης φόρτισης.
• ISO 15118— το πρότυπο οχήματος προς φορτιστή. Το Plug & Charge επαληθεύει την ταυτότητα του οχήματος και το πρωτόκολλο μεταφέρει την κατάσταση της μπαταρίας του οχήματος και τους περιορισμούς φόρτισης στο EMS, επιτρέποντας πραγματικά βελτιστοποιημένες συνεδρίες αντί για φόρτιση με σταθερό ρυθμό.
• IEC 61851— το βασικό πρότυπο σηματοδότησης EVSE που εφαρμόζει κάθε σύγχρονος φορτιστής και το οποίο επεκτείνουν τα OCPP και ISO 15118.

Ο καθορισμός και των τριών κατά την προμήθεια αποτελεί την φθηνότερη ασφαλιστική πολιτική που μπορεί να αγοράσει ένας ιδιοκτήτης κόμβου. Εγγυάται ότι η [BESS για υποδομή ηλεκτρικών οχημάτων](https://www.midapower.com/news/bess-for-ev-infrastructure-fast-flexible-and-grid-friendly-ultra-fast-charging-solutions/) μπορεί να λειτουργήσει από οποιοδήποτε σύγχρονο EMS, μπορεί να ενταχθεί σε μελλοντικά προγράμματα DR και μπορεί να δεχτεί οχήματα από οποιονδήποτε κατασκευαστή πρωτότυπου εξοπλισμού (OEM) χωρίς εναλλακτικές λύσεις προσαρμογέα.

Σύναψη

Η έξυπνη διαχείριση ενέργειας είναι αυτό που διαχωρίζει έναν κόμβο BESS από ένα σωρό μπαταρίες. Το EMS - εξοπλισμένο με λογική μείωσης των τιμών αιχμής, δυναμική διαχείριση φορτίου, προγραμματισμό με επίγνωση των τιμολογίων και ανοιχτά πρωτόκολλα - μετατρέπει την αποθήκευση σε μια μηχανή μείωσης κόστους και εσόδων, διατηρώντας παράλληλα κάθε φορτιστή τροφοδοτούμενο. Οι φορείς εκμετάλλευσης θα πρέπει να δώσουν προτεραιότητα στην ενσωματωμένη πλατφόρμα έναντι της αγοράς εξαρτημάτων, να τυποποιήσουν τα πρότυπα OCPP 2.0.1 και ISO 15118 και να ξεκινήσουν με την μείωση των τιμών αιχμής πριν ενσωματώσουν το arbitrage, το DR και, τελικά, το V2G. Η στοίβα στρατηγικής είναι αποδεδειγμένη, μετρήσιμη και ολοένα και περισσότερο η διαφορά μεταξύ ενός χώρου φόρτισης που επιβιώνει στο περιβάλλον τιμολόγησης και ενός που ευδοκιμεί σε αυτό.

Συχνές ερωτήσεις

1. Τι κάνει στην πραγματικότητα ένα EMS σε έναν κόμβο φόρτισης BESS;Το EMS αποφασίζει συνεχώς πότε θα φορτίσει την μπαταρία, πόση ενέργεια μπορεί να καταναλώσει κάθε φορτιστής και πότε θα την αποφορτίσει, βελτιστοποιώντας την σε σχέση με τα τιμολογιακά παράθυρα, τα όρια δικτύου και τη ζήτηση των οχημάτων. Είναι ο εγκέφαλος λογισμικού του κόμβου.

2. Πόσα μπορεί να εξοικονομήσει η έξυπνη διαχείριση ενέργειας σε έναν σταθμό φόρτισης;Τυπικά αποτελέσματα είναι 20-40% χαμηλότερο συνολικό κόστος ενέργειας, με μειώσεις χρέωσης ζήτησης κατά 30-50% και μειώσεις κόστους ενέργειας κατά 10-25% λόγω μετατόπισης φορτίου. Κλιμακωτές εξοικονομήσεις με επιθετική τιμολόγηση.

3. Ποια είναι η διαφορά μεταξύ της αλλαγής κορυφής και της μετατόπισης φορτίου;Η μείωση της μέγιστης κατανάλωσης ενέργειας περιορίζει την υψηλότερη 15λεπτη κατανάλωση ρεύματος από το δίκτυο για τη μείωση των χρεώσεων ζήτησης. Η μετατόπιση φορτίου μεταφέρει την κατανάλωση ενέργειας σε φθηνότερα τιμολογιακά παράθυρα για τη μείωση των ενεργειακών χρεώσεων. Και οι δύο χρησιμοποιούν την μπαταρία, αλλά επιλύουν διαφορετικά ζητήματα λογαριασμού.

4. Χρειάζομαι OCPP 2.0.1 ή είναι αρκετά τα 1.6J;Το OCPP 2.0.1 συνιστάται ανεπιφύλακτα για νέους κόμβους: προσθέτει ασφάλεια TLS, εγγενή έξυπνη φόρτιση και καλύτερη διαχείριση συσκευών. Το OCPP 1.6J παραμένει καλό για αναβαθμίσεις, αλλά περιορίζει τον μελλοντικό αυτοματισμό και τη συμμετοχή στο DR.

5. Πώς η δυναμική διαχείριση φορτίου μου επιτρέπει να υπερμεγέθη φορτιστές;Το EMS περιορίζει τη συνολική ισχύ του χώρου στο όριο σύνδεσης στο δίκτυο και ιεραρχεί τις συνεδρίες, έτσι ώστε μια σύνδεση 500 kVA να μπορεί να φιλοξενήσει 960 kW φορτιστών — ο καθένας να λειτουργεί σε πλήρη ισχύ για όσο διάστημα η συνολική ισχύς παραμένει κάτω από το όριο.

6. Μπορεί ένας κόμβος BESS να κερδίσει χρήματα από την ανταπόκριση στη ζήτηση;Ναι, όπου είναι διαθέσιμη η συγκέντρωση δεδομένων. Μια μπαταρία 240 kW μπορεί να αποβάλει ~1 MWh σε ένα τετράωρο συμβάν, αποφέροντας 50–150 $ ανά kW-έτος σε ενεργές αγορές DR.

7. Είναι εφικτή η σύνδεση οχήματος-δικτύου στις αποθήκες στόλου σήμερα;Όλο και περισσότερο, με αμφίδρομους φορτιστές και οχήματα ISO 15118, αλλά προσθέτει λειτουργική πολυπλοκότητα. Οι περισσότεροι φορείς εκμετάλλευσης αναπτύσσουν V2G μετά την αποκοπή αιχμής και την εγκατάσταση DR, αντιμετωπίζοντας τις μπαταρίες σταθμευμένου στόλου ως επέκταση του χώρου BESS.