Angenommen, ein Batterie-Energiespeichersystem soll mit 50 kW entladen, die tatsächliche Ausgangsleistung pendelt sich aber bei 35 kW ein. Es ist nicht zwingend etwas falsch. Der Unterschied kann einfach bedeuten, dass 50 kW das ist, was der Standort möchte, während 35 kW das ist, was Batterie und Leistungsumwandlungsausrüstung in diesem Moment unterstützen können. Diese Lücke ist eine nützliche Möglichkeit, PCS, BMS und EMS als Teile desselben Betriebsprozesses zu verstehen.Drei Rollen, unterschiedliche Arten von Autorität
Das EMS liegt normalerweise am nächsten am Betriebsziel des Standorts. Es kann entscheiden, dass die Batterie entladen soll, weil die Last gestiegen ist, die Solarleistung gefallen ist oder eine andere Betriebsanweisung den Einsatz gespeicherter Energie verlangt. Das unmittelbare Ergebnis kann einfach sein: laden, entladen oder auf einem bestimmten Leistungsniveau halten. Siemens Energy beschreibt das EMS als die Ebene, die den gesamten BESS-Betrieb und Dispatch verwaltet, während das PCS die Leistungsumwandlung ausführt und das BMS die Batteriezustände überwacht und steuert. (siemens-energy.com)
Die Batterie hat ihren eigenen Betriebszustand. Zellspannungen, Temperaturen und andere Messwerte sowie geschätzte Zustände wie SOC beeinflussen, wie viel Ladung oder Entladung sie unterstützen kann. Infineon führt SOC/SOH-Schätzung neben Überwachung, Balancierung, Fehlererkennung und Kommunikation als zentrale BMS-Funktionen für Batterie-Energiespeicherung auf. (infineon.com) In gemanagten Systemen kann das BMS den Batteriestatus zusammen mit Grenzen für Ladespannung, Ladestrom und Entladestrom kommunizieren. Victron dokumentiert beispielsweise Batterien, die diese Grenzen dynamisch an den Systemcontroller senden, wenn sich Zellspannung, SOC oder Temperatur ändern. (victronenergy.com)
Eine Batteriegrenze erfüllt daher einen anderen Zweck als eine EMS-Anforderung. Angenommen, das EMS fordert 50 kW Entladung an, während die aktuellen batterieseitigen Grenzen bedeuten, dass nur etwa 35 kW verfügbar sind. Der Wert 35 kW setzt unter diesen Bedingungen die batterieseitige Grenze. Wenn der Standort nur 20 kW benötigt, gibt es keinen Grund, mit 35 kW zu entladen, nur weil die Batterie das kann. Wenn der Standort 50 kW möchte, muss der gewünschte Betriebspunkt auf etwas reduziert werden, das das System tatsächlich unterstützen kann.
Stellen Sie sich vor, derselbe Kontrollbildschirm zeigt eine 50 kW-Anforderung, einen zulässigen Wert von 35 kW und eine gemessene Ausgangsleistung von 34.7 kW. Alle drei sind in Kilowatt angegeben, beschreiben aber verschiedene Dinge: Absicht, Grenze und Ergebnis. Die Einheit allein reicht nicht aus. Beschriftung und Quelle sind wichtig, weil Sollwert, Grenze und tatsächliche Messung rechtmäßig voneinander abweichen können, ohne auf eine Störung hinzuweisen.
Dasselbe System kann mehrere Grenzen gleichzeitig führen. Victron dokumentiert eine Anordnung, bei der eine vom BMS bereitgestellte Ladestromgrenze mit einem nutzerkonfigurierten Maximum verglichen und der niedrigere Wert angewendet wird, während gerätebezogene Grenzen aktiv bleiben können. Welcher Controller diese Einschränkungen abgleicht, hängt von der Architektur ab; eine universelle Hierarchie wäre daher irreführend. Eine Anforderung beschreibt den beabsichtigten Betrieb; eine Grenze definiert den Rahmen, in dem dieser Betrieb stattfinden kann. Der machbare Betriebspunkt liegt dort, wo beides zusammentrifft. (victronenergy.com)
Das PCS macht aus einer machbaren Anforderung Leistung
Sobald eine Betriebsanforderung innerhalb der aktiven Grenzen liegt, wandelt das PCS diese Entscheidung in elektrischen Leistungsfluss um. Die Batterie arbeitet auf der DC-Seite, während Standort oder Netz typischerweise auf der AC-Seite liegen; das PCS steuert die Umwandlung zwischen beiden. Siemens Energy beschreibt das PCS als Leistungsumwandlungselement des BESS, getrennt vom EMS, das den Dispatch verwaltet, und vom BMS, das die Batteriezustände managt. (siemens-energy.com)
Ein einfaches Diagramm kann eine saubere Sequenz nahelegen, in der das EMS einen Befehl ausgibt, das BMS ihn freigibt und das PCS ihn ausführt. Reale Systeme sind meist verteilter. Das Hochvolt-BESS-Referenzdesign von NXP weist der Battery-Management-Unit beispielsweise Verantwortung für Interlock-Überwachung und Schützsteuerung sowie Kommunikation mit einem EMS zu. Wenn Batterieschutz eine Trennung erfordert, kann diese Reaktion innerhalb der Batterieschutzebene erfolgen, statt auf eine standortweite Optimierungsentscheidung zu warten. (nxp.com)
Auch das PCS arbeitet innerhalb eigener elektrischer Grenzen und AC-seitiger Bedingungen. Der endgültige Leistungsfluss wird durch die Betriebsanforderung zusammen mit Batterie-, Wandler- und Systemgrenzen geprägt. Einen einzelnen Controller als „Gehirn“ des Systems zu bezeichnen, verdeckt, wie Autorität tatsächlich verteilt ist. Das EMS bestimmt, was der Standort von der Batterie möchte. Das BMS liefert batterieseitigen Status, Grenzen und Schutz. Das PCS wandelt einen zulässigen Betriebspunkt in kontrollierte elektrische Leistung um.
Das Beispiel mit 50 kW wird nützlicher, wenn sich Bedingungen während des Betriebs ändern. Eine Anforderung, die vor einer Minute machbar war, kann nach einem Temperaturanstieg der Batterie oder einer Verschärfung einer anderen batterieseitigen Grenze nicht mehr machbar sein. In Victrons dokumentiertem Aufbau schalten Multis und Quattros im Inselbetrieb ab, wenn der maximale Entladestrom null erreicht. Die BESS Battery-Management-Unit von NXP umfasst ebenfalls Schützsteuerung und zeigt, wie batterieseitiger Schutz bei Bedarf von einer kommunizierten Betriebsgrenze zur physischen Trennung übergehen kann. (victronenergy.com) (nxp.com)
Eine sich ändernde Grenze bedeutet lediglich, dass sich der machbare Betriebspunkt verschoben hat. Batterieseitiger Status und Grenzen können über Schnittstellen wie CAN FD, RS485 und Ethernet an eine übergeordnete Steuerung kommuniziert werden; NXP integriert alle drei in seine BESS Battery-Management-Unit für die Kommunikation mit einem EMS. Die übergeordnete Steuerung kann dann auf die neue Batteriegrenze reagieren, während das PCS weiter innerhalb der weiterhin aktiven Einschränkungen arbeitet. Der Steuerungsprozess ist daher kontinuierlich: Bedingungen werden beobachtet, Grenzen aktualisiert, Betriebsanforderungen bei Bedarf angepasst, und der tatsächliche Betrieb wird Teil der Information für die nächste Entscheidung. (nxp.com)
So betrachtet wird ein 3S-Diagramm zu einer Karte dafür, wie eine Betriebsabsicht in ausführbaren Leistungsfluss übersetzt wird. Das EMS steht für das, was der Standort tun möchte, das BMS liefert die batterieseitigen Informationen und Grenzen, die bestimmen, was möglich ist, und das PCS führt die Umwandlung aus, die den resultierenden Betriebspunkt real macht. Wenn ein System 50 kW anfordert und 35 kW liefert, lautet die nützliche Frage, welche Einschränkung 35 kW zum machbaren Betriebspunkt gemacht hat. Diese Frage sagt mehr über das System aus als die Namen der Controller allein.
