ベトナムの金属加工工場でのピークカットのための産業用バッテリーエネルギー貯蔵システム (BESS)

このプロジェクト レビューは、システムの設計と運用を担当したエンジニアによって書かれました。このバッテリー エネルギー貯蔵システムがなぜそのような方法で構築されたのか、つまり顧客の負荷プロファイルがどのようなものか、既存の供給が快適ではなくなった理由、C&I ESS のサイズがどのように決定されたか、稼働開始後に何が変わったかについて説明します。

プロジェクトの背景

お客様は、ベトナムのビンズオン省の工業団地にある金属加工会社です。同社は、主に輸出向けに、HVAC やエレベーターの OEM 向けに精密板金部品、レーザーカット部品、溶接アセンブリを製造しています。工場では月曜から土曜まで 2 つの生産シフトがあり、溶接ラインでは夜勤が少なくなります。設備ベースには、CNC パンチングおよびレーザー切断機、プレス ブレーキ、ロボット溶接セル、粉体塗装ライン、集中圧縮空気システムが含まれます。

私たちが最初に訪問したのは、お客様が変圧器のアップグレードに関する公共料金の見積もりを受け取り、セカンドオピニオンを希望された後でした。その後の監査がストレージ プロジェクトの基礎となりました。

顧客のエネルギー課題

私たちは、プラントの実際の負荷を記録することから始めました。主変圧器の低電圧側にある一時的な電力アナライザは、完全な生産 2 週間を含む 3 週間のデータを記録しました。

午前中の勤務中、負荷は 450 ～ 650 kW に留まり、昼食後に上昇し、CNC 機械、プレス ブレーキ、コンプレッサー、コーティング オーブンが同時に稼働する約 13:30 ～ 16:30 の間にピークに達しました。記録された 15 分間の最高平均は約 980 kW で、日中の平均負荷は約 620 kW でした。これは、生産チームが認識していたよりもはるかに大きな差でした。

このプロフィールには 2 つの影響がありました。州の料金には、毎月最も高い 15 分間の平均需要に基づくデマンド料金が含まれているため、午後のピークにより料金の固定部分が膨らみました。そして、ピークはまだ成長し続けていました。新しいレーザー切断ラインはすでに注文されていました。

既存の電力システムではなぜ不十分なのか

このプラントには、定格 1,250 kVA の単一の 22/0.4 kV 変圧器によって電力が供給されます。 980 kW、測定された力率は約 0.92 で、定格の 85% を超える約 1,065 kVA を供給していました。直ちに過負荷になるわけではありませんが、余裕がありません。これにより、メンテナンス マネージャーからの 2 つの苦情が説明されました。

まず、電圧です。午後のピーク時に工場のバスバーの遠端が垂れ下がり、最も暑い月には CNC コントローラーが不足電圧でトリップすることがありました。第二に、容量です。新しいレーザーラインにより、変圧器は 1 年以内に限界に近づくことになります。

電力会社は、新しい 2,000 kVA 変圧器と変電所の再構成を提案しましたが、これには長いリードタイムと多額の資本コストがかかります。私たちは問題を別の見方で見ました。変圧器に負荷がかかるのは 1 日あたり 2 ～ 3 時間だけで、残りの時間は十分な余裕がありました。この非対称性はまさにストレージによって修正されるものであるため、3 時間のピークに対応するために変圧器をアップグレードする代わりに、ピークをカットし、既存のインフラストラクチャをそのまま残す ESS を提案しました。

ESSシステム設計

合意された範囲は、午後のピークカット、料金が安い夜間の充電による負荷シフト、送電網障害時の重要な負荷の定義済みリストのバックアップという3つの機能を備えた送電網接続型蓄電池システムであった。その結果、5 つの屋外キャビネットに公称 LiFePO4 容量 1,075 kWh を備えた 500 kW AC システムが完成しました。表はパラメータをまとめたものです。以下のセクションでは、各値が選択された理由を説明します。

バッテリー構成

LiFePO4 が選択されたのは、サイト固有の 2 つの理由からです。1 つは、暖かい屋外環境 (周囲温度は定期的に 35 ～ 37 °C に達します) によく耐えること、そしてお客様の電気チームにはリチウムの経験がなかったため、ピーク性能よりも安全性と予測可能な経年劣化が重要であったということです。

1,075kWhという数字はカタログから引用したものではありません。典型的な午後まで需要の上限を 850 kW に維持するには、2 ～ 3 時間で約 130 kW の平均放電が必要となるため、1 日のサイクルを快適な放電深度内に保つために、公称容量はそれよりも大幅に大きく設定されました。 SOC ウィンドウは 10 ～ 90% です。上限は暑い天候での劣化を遅らせ、下限は深放電を防ぎ、EMS は稼働時間中に構成可能なバックアップ予備量を追加するため、ピークカットによってバッテリーが空になることはありません。

当社の 100 kW / 215 kWh キャビネット 5 台産業用および商業用ESSキャビネット製品群変圧器施設の近くには細長いスペースしかなかったので、本来はコンテナだったはずのものを置き換えました。また、モジュラー レイアウトにより、拡張が容易になります。新しいレーザー ラインがピークを押し上げた場合でも、システムの残りの部分に触れることなく、1 つまたは 2 つのキャビネットを追加できます。

PCSとEMS

各キャビネットには独自のものがあります100kW双方向PCS、合計 500 kW AC、系統同期、電流制御、単独運転検出を処理します。分散型変換はモジュール式バッテリー ブロックに適合し、システムを停止することなく 1 つのユニットを分離してサービスできるようにし、AC ケーブル接続をシンプルに保ちます。

キャビネット列の横のパネルにあるエネルギー管理システム (EMS) は、メインの低電圧受電器の変流器からプラント負荷を読み取り、リアルタイムで Modbus TCP 経由ですべての PCS と BMS に指示します。すべての設定値、スケジュール、SOC リザーブはリモートで調整可能です。 4G フォールバックを備えたサイト LAN 接続により、顧客の電気技師は自宅からシステムをチェックでき、訪問せずに稼働データを確認できるようになります。

冷却および安全システム

キャビネットは意図的に空冷されています。動作率は空冷能力の範囲内で 0.5C 以下に維持されます。液体冷却により、より厳密なセル温度制御とより高い連続 C レートが得られますが、冷却ループ、ポンプが追加され、顧客の小規模チームが何年にもわたって維持することになるメンテナンスの負担が増大します。

各キャビネットは IP54 に準拠しており、屋外の地上約 300 mm のコンクリート台座上に設置され、雨のしぶきや道路の粉塵のない場所に設置されます。アクセス可能な吸気フィルターは、お客様の毎月のメンテナンス リストに記載されています。セルレベルの電圧と温度の監視は各 BMS を通じて実行され、煙と過熱センサーによって制御されたシャットダウンをトリガーできます。 DC 側と AC 側には独立したブレーカーがあり、列には明確にマークされた緊急停止が付いています。

設置と試運転

設置場所に制約があった。唯一の適切な場所は、変電所と公園道路の間の、開閉器室からケーブルが約 30 メートル離れた帯でした。そのため、台座を 1 つ流し、その上に保守許可を与えて 5 つのキャビネットを設置し、主ブレーカーの後にタップされた新しい分電盤からそれぞれに電力を供給しました。この工場では短期間の生産停止が 1 回だけ許可されていたため、すべての活線バスバー作業は電力会社とシフト計画と調整されて日曜日に行われました。

試運転には約 10 営業日かかりました。絶縁およびアース導通テスト、トルク チェック、および EMS 読み取り値と公共料金メーターを比較することによる CT の極性と相順序の検証が 1 日かけて行われました。フル充電に続いて、BMS がセルのバランスをとり、SOC 基準を修正します。EMS がバッテリーが実際よりも満杯であると判断すると、すべてのディスパッチの決定がずれてしまいます。

保護テストは顧客にとって最も重要でした。上流のユーティリティ ブレーカーを開き、ローカル グリッド コードで要求される時間内に PCS がエクスポートを停止したことを確認することで、単独運転防止をテストしました。次に、バックアップをテストしました。メイン ブレーカーを開いた状態で、PCS をアイランド モードに切り替え、CNC 制御、コンプレッサー PLC、コーティング ライン パネル、非常用照明などの重要なバスを搭載しました。合格基準は単純で、PLC と CNC コントローラーが再起動してはいけないというものでした。彼らはそうではなく、そのテストによりサイト管理者はこれが単なる請求ツール以上のものであると確信しました。

その後、システムは 2 週間観察モードで実行され、充電なしで負荷を記録し、意思決定をシミュレートし、調整するための実際のプロファイルを取得しました。

通常の勤務日における ESS の動作方法

通常の平日では、システムは顧客の電気技師が一目で認識できるリズムに従います。

充電は夜間に行われます。 EMS は、溶接の夜勤が約 22:15 に終了した後、意図的に 22:30 に開始され、通常は 06:30 よりかなり前に終了し、変圧器の負荷を適度に保ち、バッテリーを優しく扱うために充電電力を約 200 ～ 250 kW に制限します。典型的な夜間は、SOC を約 15% から 90% の上限、つまり約 600 ～ 650 kWh に戻します。

午前中、荷重はキャップの下に留まり、ESS は停止します。昼食後、負荷が 850 kW の上限に近づくと、EMS は放電して出力を調整して総摂取量を上限に保ち、充電状態のバランスを保つためにキャビネット間でディスパッチをローテーションします。ほとんどの日、放電は 2 ～ 3 時間続き、バッテリーは床面ではなく、予備の近くで午後に終了します。

稼働時間中に送電網が低下したり故障したりすると、PCS ユニットが異常状態を検出し、バッテリーから重要なバスに電力を供給するアイランドを切断して形成します。グリッドが復帰すると、システムは再同期してスケジュールを再開する前に、電圧と周波数の安定性を検証します。この状況に備えて予備が存在します。EMS はピークシェービング中にそれ以下に放電することはありません。そのため、たとえ午後遅くであっても、エネルギーは常に系統イベントのために残されます。

運用実績

システムは数回の請求サイクルにわたって実行されました。ストレージのパフォーマンスに関する主張は誇張されることが多いため、当社では監視データと顧客の記録が示すもののみを報告します。

需要の上限は維持されています。アクティブ ピーク シェービングが開始されて以来、営業日の 15 分間の最大需要は、監査中に測定された約 980 kW のピークに対して、設定された 850 kW に留まっています。顧客はデマンド料金もそれに応じて下がると予想しており、当初の運用データはその予想が現実的であったことを示しているが、確実な節約額を見積もる前に 12 か月全体の比較が必要である。

バックアップ機能も実証済みです。最初の数か月間で 2 回フィーダーが故障したが、電力会社は外部工事が原因であると考えた。より長いイベントでは、グリッドは約25分間不在でした。 ESS は重要なバスを最後まで運び、予備レベルを超えて終了しました。 CNC プログラムは 1 つも失われず、以前は嵐の季節には月々のリスクがあったと顧客は述べました。

熱的には、最も暑い週の最高セル温度は約 42°C で、午後の放電時のみファンが高速回転したため、設計限界内でした。メンテナンスマネージャーは、このシステムは隣のエアコンプレッサーほど注意を必要としないと述べました。

プロジェクトから得た教訓

同様の設置を計画している人には、いくつかの教訓を伝える価値があります。

まず、荷重曲線が基礎となります。お客様は「変圧器が小さすぎる」と言いました。測定結果は、正常な変圧器で 3 時間のピークを示しました。データではなく説明に基づいてサイジングを行うと、プロジェクトが間違った kW/kWh 比を取得してしまいます。

第二に、料金が価値を決定します。このプロジェクトは、デマンド料金が 15 分間のピークに基づいているため、採算が取れます。それがなければ、同じシステムの投資回収ははるかに長くなります。私たちは監査中にそう言いました。

第三に、EMS は調整可能な状態を維持する必要があります。顧客はシフト パターンを 2 回変更しましたが、変更ごとにチャージ ウィンドウまたはキャップを少し調整する必要がありました。試運転時にひっそりと決められたスケジュールは、1年も経たないうちに狂ってしまう。

第 4 に、ハードウェアの機能よりもローカルの機能が重要です。私たちが空冷、シンプルな通信トポロジ、および文書化された EMS を選択したのは、お客様のチームがこのシステムを何年も使用することになるためです。

最後に、公共事業の事務手続きの予算です。送電網接続の承認には、設置よりも時間がかかりました。

この ESS 構成が選択された理由

すべての主要な選択は、サイトの制約に依存します。 500 kW は、記録されたピークとターゲット キャップの間のギャップをマージンでカバーし、スムーズに変調します。 1,075 kWh は、激しいサイクリングをせずに午後の窓をカバーし、温暖な気候でのサイクル寿命を保護します。 LiFePO4 は熱と顧客のメンテナンス能力に適しています。空冷は中程度の C レートに適しています。 5 つのモジュール式キャビネットは、サイトのレイアウトと拡張計画に適しています。そして、完全なマイクログリッドではなく、バックアップを伴うグリッド接続の運用が選択されました。これは、定義された重要なバスのみがアイランド運用を必要とするためであり、コストの差は顕著でした。

お客様は提案された最大のシステムを購入しませんでしたし、私たちはそれを推進しませんでした。私たちは負荷データとともにサイジング ロジックを提示し、彼らは測定されたピーク、拡張計画、予算に一致する構成を選択しました。

結論

このプロジェクトは実際にはバッテリーに関するものではありませんでした。それは、変圧器が小さすぎて 1 日 3 時間使用できず、料金のせいで午後のピークが厳しくなり、グリッドが点滅するたびに CNC プログラムを失うわけにはいかない工場のことでした。 500 kW / 1,075 kWh のバッテリー エネルギー貯蔵システムは、1 つのインフラストラクチャで 3 つすべてに対応しました。

引き渡し時に顧客は、このシステムは実験ではなく、工場の電気インフラストラクチャの予測可能な一部のように動作する、つまり商用エネルギー貯蔵設備としては最良の結果であると述べました。工場では現在、太陽光＋蓄電の追加; BESS が指定されているため、PV の追加には新しいインバーター容量と EMS の更新のみが必要です。

産業用ピークシェービングに推奨されるESS製品

このプロジェクトで説明されているハードウェアは、当社の標準産業用エネルギー ストレージ シリーズからのものです。同様の改修を評価するお客様は、通常、次の 3 つの項目から始めます。

天安新能源科技有限公司について

2018 年に設立された Tianon New Energy Technology Co., Ltd. は、このプロジェクトで使用されるシステムのメーカーです。同社の製品マトリックスは、住宅用リチウム電池、屋外用 C&I ESS キャビネット、液冷 BESS、コンテナ化されたエネルギー貯蔵装置、折り畳み式ソーラー コンテナをカバーしており、完全な MWh レベルの太陽電池 - 電池 - ディーゼル ハイブリッド ソリューションを提供します。生産量の 80 ～ 90% が輸出され、3,000 を超える顧客にサービスを提供している同社は、社内のシステム サイジング、製品統合、出荷、アフターセールス技術サポートであらゆるプロジェクトをサポートしています。詳細については、会社概要そしてその中で完全な製品カタログ。