Sistema di accumulo di energia a batteria (BESS) industriale per il peak shaving in un impianto di lavorazione metalli in Vietnam

Questa revisione del progetto è stata scritta dagli ingegneri che hanno progettato e messo in servizio il sistema. Spiega perché questo sistema di accumulo di energia a batteria è stato costruito nel modo in cui è stato: come era il profilo di carico del cliente, perché l'alimentazione esistente non era più adeguata, come è stato dimensionato il sistema ESS C&I e cosa è cambiato dopo la sua entrata in servizio.

Contesto del progetto

Il cliente è un'azienda di lavorazione metalli in un parco industriale nella provincia di Binh Duong, Vietnam. Producono parti di lamiera di precisione, componenti tagliati al laser e assemblaggi saldati per OEM HVAC ed ascensori, principalmente per l'esportazione. L'impianto opera su due turni di produzione dal lunedì al sabato, con un turno notturno più ridotto sulle linee di saldatura. La base delle attrezzature comprende macchine per punzonatura CNC e taglio laser, presse piegatrici, celle di saldatura robotizzate, una linea di verniciatura a polvere e un sistema centralizzato di aria compressa.

Abbiamo visitato per la prima volta dopo che il cliente ha ricevuto un preventivo dall'utility per un aggiornamento del trasformatore e desiderava una seconda opinione; l'audit che ne è seguito è diventato la base del progetto di accumulo.

La sfida energetica del cliente

Abbiamo iniziato registrando il carico reale dell'impianto. Un analizzatore di potenza temporaneo sul lato a bassa tensione del trasformatore principale ha registrato tre settimane di dati, comprese due settimane di produzione complete.

Durante il turno mattutino il carico si attestava tra 450 e 650 kW, saliva dopo pranzo e raggiungeva il picco tra le 13:30 e le 16:30 circa, quando le macchine CNC, le presse piegatrici, i compressori e il forno di verniciatura funzionavano contemporaneamente. La media più alta registrata su 15 minuti era di circa 980 kW, rispetto a un carico medio diurno di circa 620 kW - un divario molto più ampio di quanto il team di produzione avesse realizzato.

Quel profilo ha avuto due conseguenze. La tariffa provinciale include una tariffa di potenza basata sulla domanda media più alta su 15 minuti ogni mese, quindi il picco pomeridiano ha gonfiato la parte fissa della bolletta. E il picco era ancora in crescita: una nuova linea di taglio laser era già in ordine.

Perché l'attuale sistema di alimentazione non era sufficiente

L'impianto è alimentato da un unico trasformatore 22/0,4 kV da 1.250 kVA. A 980 kW e con un fattore di potenza misurato intorno a 0,92, stava trasportando circa 1.065 kVA - oltre l'85% della potenza nominale. Non un sovraccarico immediato, ma nessun margine, e questo spiegava due lamentele del responsabile della manutenzione.

Primo, la tensione: durante il picco pomeridiano l'estremità lontana della barra collettrice della fabbrica si abbassava e i controller CNC occasionalmente andavano in blocco per sottotensione nei mesi più caldi. Secondo, la capacità: la nuova linea laser avrebbe spinto il trasformatore vicino al suo limite entro un anno.

L'utility ha proposto un nuovo trasformatore da 2.000 kVA e una riconfigurazione della sottostazione - tempi di consegna lunghi e costi di capitale significativi. Abbiamo guardato il problema in modo diverso: il trasformatore era stressato solo per due o tre ore al giorno e aveva un ampio margine per il resto del tempo. Questa asimmetria è esattamente ciò che l'accumulo corregge, quindi invece di aggiornare il trasformatore per servire un picco di tre ore, abbiamo proposto un ESS che riduce il picco e lascia l'infrastruttura esistente in loco.

Progettazione del sistema ESS

L'ambito concordato era un sistema di accumulo di energia a batteria connesso alla rete con tre funzioni: peak shaving nel pomeriggio, load shifting caricando di notte quando la tariffa è più bassa e backup per un elenco definito di carichi critici durante i guasti di rete. Il risultato è stato un sistema AC da 500 kW con 1.075 kWh di capacità nominale LiFePO4 in cinque armadi esterni. La tabella riassume i parametri; le sezioni sottostanti spiegano perché ogni valore è stato scelto.

Configurazione della batteria

LiFePO4 è stata selezionata per due motivi specifici del sito: tollera bene l'ambiente esterno caldo (le temperature ambiente raggiungono regolarmente 35-37°C) e il team elettrico del cliente non aveva esperienza con il litio, quindi la sicurezza e l'invecchiamento prevedibile erano più importanti delle prestazioni di picco.

La cifra di 1.075 kWh non è stata presa da un catalogo. Mantenere il limite di domanda a 850 kW durante un tipico pomeriggio richiede circa 130 kW di scarica media per due o tre ore, quindi la capacità nominale è stata impostata ben al di sopra di questo valore per mantenere il ciclo giornaliero all'interno di una profondità di scarica confortevole. L'intervallo SOC è 10-90%: il limite superiore rallenta l'invecchiamento in condizioni di caldo, il limite inferiore protegge dalla scarica profonda e l'EMS aggiunge una riserva di backup configurabile durante le ore di lavoro, in modo che il peak shaving non svuoti mai la batteria fino al fondo.

Cinque armadi da 100 kW / 215 kWh dalla nostra gamma di armadi ESS industriali e commerciali hanno sostituito quello che altrimenti sarebbe stato un container, poiché l'unico spazio disponibile vicino al complesso del trasformatore era lungo e stretto. Il layout modulare offre anche un facile percorso di espansione: se la nuova linea laser spinge il picco più in alto, uno o due armadi possono essere aggiunti senza toccare il resto del sistema.PCS ed EMSOgni armadio ha il proprio PCS bidirezionale da 100 kW, per un totale di 500 kW AC, che gestisce la sincronizzazione con la rete, il controllo della corrente e il rilevamento dell'isole. La conversione distribuita corrisponde ai blocchi batteria modulari, consente di isolare un'unità per la manutenzione senza interrompere il sistema e mantiene semplice il cablaggio AC.

Il sistema di gestione dell'energia (EMS), in un pannello accanto alla fila di armadi, legge il carico dell'impianto dai trasformatori di corrente sull'incomer principale a bassa tensione e dirige ogni PCS e BMS tramite Modbus TCP in tempo reale. Tutti i setpoint, le pianificazioni e la riserva SOC sono regolabili da remoto; una connessione LAN del sito con fallback 4G consente agli elettricisti del cliente di controllare il sistema da casa e a noi di rivedere i dati operativi senza una visita.

Sistema di raffreddamento e sicurezzaGli armadi sono raffreddati ad aria, deliberatamente. I tassi operativi rimangono pari o inferiori a 0,5C, entro la capacità di raffreddamento ad aria. Il raffreddamento a liquido avrebbe fornito un controllo più preciso della temperatura delle celle e un tasso C continuo più elevato, ma aggiunge circuiti del refrigerante, pompe e un onere di manutenzione che il piccolo team del cliente avrebbe dovuto sostenere per anni.Ogni armadio è IP54, montato all'esterno su un basamento in cemento a circa 300 mm dal suolo, lontano dagli schizzi di pioggia e dalla polvere stradale. I filtri di aspirazione accessibili sono sulla lista di manutenzione mensile del cliente. Il monitoraggio della tensione e della temperatura a livello di cella avviene tramite ogni BMS, con sensori di fumo e sovratemperatura in grado di attivare uno spegnimento controllato; i lati DC e AC hanno interruttori indipendenti e la fila ha un arresto di emergenza chiaramente segnalato.

Installazione e messa in servizio

L'installazione è stata vincolata dal sito. L'unica posizione adatta era una striscia tra il complesso del trasformatore e la strada del parco, a circa 30 metri di cavo dalla sala quadri, quindi abbiamo versato un basamento, posizionato i cinque armadi su di esso con spazio di servizio, e alimentato ciascuno da un nuovo quadro di distribuzione collegato dopo l'interruttore principale. L'impianto ha consentito solo una breve interruzione della produzione, quindi tutto il lavoro su barra sotto tensione è stato eseguito di domenica, coordinato con l'utility e il piano dei turni.

La messa in servizio ha richiesto circa dieci giorni lavorativi: test di isolamento e continuità di terra, controlli di coppia e verifica della polarità dei TA e della sequenza di fase confrontando le letture dell'EMS con il contatore dell'utility per un giorno intero. È seguita una carica completa, consentendo al BMS di bilanciare le celle e correggere il riferimento SOC - se l'EMS pensa che la batteria sia più carica di quanto non sia, ogni decisione di spedizione deriva.

I test di protezione erano i più importanti per il cliente. Abbiamo testato l'anti-islanding aprendo l'interruttore dell'utility a monte e confermando che il PCS smetteva di esportare entro il tempo richiesto dal codice di rete locale. Abbiamo quindi testato il backup: con l'interruttore principale aperto, il PCS è passato in modalità isola e ha alimentato la barra critica - controlli CNC, PLC del compressore, pannello della linea di verniciatura e illuminazione di emergenza. Il criterio di accettazione era semplice: i PLC e i controller CNC non dovevano riavviarsi. Non lo hanno fatto, e quel test ha convinto il responsabile del sito che si trattava più di uno strumento di fatturazione.

Il sistema ha quindi funzionato in modalità di osservazione per due settimane - registrando il carico e simulando decisioni senza caricare - per darci un profilo reale su cui ottimizzare.

Come opera l'ESS durante una tipica giornata lavorativa

In un normale giorno feriale il sistema segue un ritmo che gli elettricisti del cliente ora riconoscono a colpo d'occhio.

La carica avviene di notte. L'EMS si avvia alle 22:30 - deliberatamente dopo la fine del turno notturno di saldatura verso le 22:15 - e normalmente termina ben prima delle 06:30, limitando la potenza di carica a circa 200-250 kW per mantenere moderato il carico del trasformatore e la batteria gestita delicatamente. Una notte tipica sposta il SOC da circa il 15% al soffitto del 90%: circa 600-650 kWh.

Al mattino il carico rimane al di sotto del limite e l'ESS riposa. Dopo pranzo, quando il carico si avvicina al limite di 850 kW, l'EMS scarica e modula l'uscita per mantenere l'assorbimento totale al limite, ruotando la spedizione tra gli armadi per mantenere bilanciati gli stati di carica. Nella maggior parte dei giorni la scarica dura due o tre ore e la batteria termina il pomeriggio vicino alla sua riserva, non al minimo.

Se la rete scende o si interrompe durante le ore di lavoro, le unità PCS rilevano la condizione anomala, si disconnettono e formano un'isola che alimenta la barra critica dalla batteria. Quando la rete ritorna, il sistema verifica la stabilità di tensione e frequenza prima di risincronizzarsi e riprendere la sua pianificazione. La riserva esiste per questa situazione: l'EMS non scarica mai al di sotto di essa durante il peak shaving, quindi l'energia rimane sempre per un evento di rete, anche a tarda sera.

Risultati operativi

Il sistema è in funzione da diversi cicli di fatturazione. Le affermazioni sulle prestazioni di accumulo sono spesso esagerate, quindi riportiamo solo ciò che mostrano i dati di monitoraggio e i registri del cliente.

Il limite di domanda è stato mantenuto. Dall'inizio del peak shaving attivo, la domanda massima su 15 minuti nei giorni lavorativi è rimasta al valore configurato di 850 kW, rispetto al picco di circa 980 kW misurato durante l'audit. Il cliente si aspettava che la tariffa di potenza diminuisse di conseguenza, e i dati operativi iniziali indicano che tale aspettativa era realistica, sebbene sia necessario un confronto completo di dodici mesi prima di poter quotare un risparmio certo.

Anche la funzione di backup si è dimostrata valida. Due volte nei primi mesi l'alimentatore è venuto meno, cosa che l'utility ha attribuito a lavori di costruzione esterni. Nell'evento più lungo la rete è stata assente per circa 25 minuti; l'ESS ha alimentato la barra critica per tutto il tempo e ha terminato al di sopra del livello di riserva. Nessun programma CNC è andato perso - in precedenza un rischio mensile nella stagione delle tempeste, ha detto il cliente.

Termicamente, la temperatura massima delle celle nella settimana più calda è stata di circa 42°C, entro il limite di progettazione, con le ventole alla massima velocità solo durante la scarica pomeridiana. Il responsabile della manutenzione ha notato che il sistema ha richiesto meno attenzione del compressore d'aria accanto ad esso.

Lezioni dal progetto

Diverse lezioni meritano di essere trasmesse a chiunque pianifichi un'installazione simile.

Primo, la curva di carico è la base. Il cliente ha detto "il trasformatore è troppo piccolo"; le misurazioni hanno mostrato un picco di tre ore su un trasformatore altrimenti sano. Il dimensionamento basato su una descrizione invece che su dati è il modo in cui i progetti ottengono il rapporto kW/kWh sbagliato.

Secondo, la tariffa determina il valore. Questo progetto paga perché la tariffa di potenza si basa sul picco di 15 minuti; senza di essa, lo stesso sistema avrebbe un tempo di ritorno molto più lungo - lo abbiamo detto durante l'audit.

Terzo, l'EMS deve rimanere regolabile. Il cliente ha cambiato i modelli di turno due volte, e ogni cambiamento ha richiesto una piccola regolazione della finestra di carica o del limite. Una pianificazione fissa alla messa in servizio diventa silenziosamente errata entro un anno.

Quarto, la capacità locale conta più delle caratteristiche hardware. Abbiamo scelto il raffreddamento ad aria, una topologia di comunicazione semplice e un EMS documentato in parte perché il team del cliente vivrà con questo sistema per anni.

Infine, prevedere un budget per le pratiche burocratiche con l'utility: l'approvazione della connessione alla rete ha richiesto più tempo dell'installazione.

Perché è stata selezionata questa configurazione ESS

Ogni scelta importante risale a un vincolo del sito. 500 kW coprono il divario tra il picco registrato e il limite target con un margine per modulare fluidamente. 1.075 kWh coprono la finestra pomeridiana senza cicli profondi, proteggendo la durata del ciclo in un clima caldo. LiFePO4 si adatta al calore e alla capacità di manutenzione del cliente; il raffreddamento ad aria si adatta al tasso C moderato; cinque armadi modulari si adattano al layout del sito e al piano di espansione; e l'operazione connessa alla rete con backup è stata scelta rispetto a una microrete completa perché solo una barra critica definita necessitava di operazione in isola - la differenza di costo è stata significativa.

Il cliente non ha acquistato il sistema più grande proposto, e noi non ne abbiamo spinto uno. Abbiamo presentato la logica di dimensionamento con i dati di carico, e loro hanno scelto la configurazione che corrispondeva al loro picco misurato, al piano di espansione e al budget.

Conclusione

Questo progetto non riguardava realmente le batterie. Riguardava una fabbrica il cui trasformatore era troppo piccolo per tre ore al giorno, la cui tariffa puniva il suo picco pomeridiano e la cui produzione non poteva permettersi di perdere programmi CNC ogni volta che la rete lampeggiava. Un sistema di accumulo di energia a batteria da 500 kW / 1.075 kWh ha affrontato tutti e tre con un unico pezzo di infrastruttura.

Alla consegna il cliente ha detto che il sistema si comporta come una parte prevedibile dell'infrastruttura elettrica della fabbrica, non un esperimento - per un'installazione di accumulo di energia commerciale, il miglior risultato possibile. L'impianto sta ora discutendo un'aggiunta di Solar + Storage; il BESS è stato specificato in modo che l'aggiunta di PV richieda solo una nuova capacità di inverter e un aggiornamento dell'EMS.

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L'hardware descritto in questo progetto proviene dalla nostra gamma standard di sistemi di accumulo di energia industriali. I clienti che valutano un retrofit simile di solito iniziano con i seguenti tre articoli.

Armadio ESS industriale e commerciale da 241 kWh LiFePO4

La classe di armadi utilizzata nella configurazione della batteria modulare di questo progetto, progettata per il peak shaving di fabbrica con alimentazione di backup.Inverter per accumulo di energia commerciale da 500 kW PCSL'unità di conversione di potenza che corrisponde alla potenza nominale AC di 500 kW di questo progetto, supportando sia l'operazione grid-tied che in isola.

ESS industriale impilabile, 241 kWh (768 V, 15 pacchi)

Un'alternativa a tensione più elevata, a blocco singolo per siti in cui una fila di armadi non si adatta allo spazio disponibile.