Bachelorarbeit Marvin Kühnel

 

Modellprädiktive Regelung einer netzdienlichen Klimatisierung eines Batteriecontainers

Smart Grid Urheberrecht: EBC Kennfeld der Stromkennzahl einer Klimaanlage CS-E18QKEW CU-E18QKE

Bei der Implementierung eines Smart Grid, kann der Einsatz verteilter kleiner und mittlerer Speichereinheiten zur Erhöhung der Flexibilität der Verteilnetze beitragen. Dafür wurde das Projekt Energy Local Storage Advanced system(ELSA), in Zusammenarbeit mit einer Vielzahl von europäischen Partnern, gestartet. Das Ziel ist das Management und die Regelung lokaler Lasten und Erzeuger mittels Energiemanagementsysteme, auf Basis von Informations- und Kommunikationstechnik (IKT). Das Institut Energy Efficient Buildings and Indoor Climate (EBC) erforscht dazu die Möglichkeit der Kühlung von Batteriespeichern mittels einer Raumklimatisierung. Der Versuchsaufbau besteht aus sechs \glqq second-life\grqq Lithium-Ionen Batterien aus elektrischen Fahrzeugen, welche in einem ISO-Container untergebracht sind.

Um die Verlustwärme, die beim Auf- und Entladen der Batterien entsteht, abzuführen, ist an dem Container ein Klimagerät angebracht. Das Ziel dieser Arbeit ist es, den Container zu Modellieren und eine Modellprädiktive Regelung (MPC) für das Klimagerät zu entwickeln. Die Regelung hat die Aufgabe, mittels geschätzter zukünftiger Verluste, die Raumtemperatur und somit die Batterien in einem definierten Temperaturfenster zu halten. Dabei soll besonderes Augenmerk auf die Netzdienlichkeit gelegt werden. Das heißt, dass die Klimatisierung sich maßgeblich an dem Ladeverhalten der Batterien orientieren soll.

Zunächst wurde mit Hilfe des Software Tools TEASER ein Modell des verwendeten ISO-Containers erstellt. Dieses wurde dann in einer Simulationssoftware um das bereitgestellte Batteriemodell erweitert. Das Vollständige Modell wurde danach als FMU (Functional Mockup Unit) ausgeleitet um es in die Regelung einzubinden. Die MPC wurde in Python geschrieben und mittels einer zusätzlichen Simulation validiert. Nach der Implementierung erfolgte die Anpassung der Modell- und Reglerparameter.

Im Zuge der Versuche konnte das gewünschte Verhalten der Klimatisierung angenähert werden, wies jedoch ein verzögertes Einsetzen der Regelung auf. Eine Anpassung des Prädiktionshorizonts, sowie der Abtastschrittweite führte zu einem häufigeren Einsetzen der Regelung während der Entladezeiten der Batterien. Das verzögerte Absenken der Luftumwälzrate konnte jedoch nicht vollständig korrigiert werden. Bei Tests unter kalten Umgebungstemperaturen zeichnete sich ein verändertes Regler-Verhalten ab, was eine Temperaturabhängigkeit der MPC-Parameter in Betracht kommen lässt.