16
A WHITE PAPER 1 Copyright © UniEnergy Technologies, LLC 2014 Witness Testing of the UniEnergy Technologies Uni.System™ Utility Scale Energy Storage System COMMISSIONED BY UniEnergy Technologies Mukilteo, Washington PREPARED BY Garth P. Corey, Consultant Energy Storage Systems Engineer Albuquerque, NM July 31, 2014

UET Witness Test Report-Public Version

Embed Size (px)

Citation preview

A WHITE PAPER 

1    Copyright © UniEnergy Technologies, LLC 2014   

    

Witness Testing of the UniEnergy Technologies 

Uni.System™  

Utility Scale Energy Storage System 

  

 

COMMISSIONED BY 

UniEnergy Technologies 

Mukilteo, Washington 

 

 

 

 

PREPARED BY 

Garth P. Corey, Consultant 

Energy Storage Systems Engineer 

Albuquerque, NM 

 

July 31, 2014 

A WHITE PAPER 

2    Copyright © UniEnergy Technologies, LLC 2014   

Introduction UniEnergy has commissioned me, a third party energy storage systems engineer, to produce a white paper reporting the results of witness testing for the Uni.System™ Vanadium Redox Flow Battery (VFB) onsite at the UET facilities in Mukilteo, Washington during the week of 21‐25 July, 2014.  Specifications of the Uni.System VFB as tested are as follows:  

SPECIFICATIONS OF UNI.SYSTEM™ 

Component  Specification 

Number of modules per battery (20 ft. containers)  4 

Stacks per module  3 

Voltage window  450~986 VDC 

Current  ‐1000~1000 ADC 

Electrolyte volume  23 m3 per battery module 

Operating temperature range  ‐10~55 °C 

PCS power  ‐600~600 kW (see following charge profile) 

 The following photograph shows the 500 kW, 2 MWh Uni.System as installed at the UniEnergy Technologies facility in Mukilteo, Washington.  The system consists of four each 20 ft. modules and one each 20 ft. electronics container.  The system ran continuously throughout the testing activities with no down‐time.  Human intervention was needed only for the purpose of activating the various tests reported here.  

  

A WHITE PAPER 

3    Copyright © UniEnergy Technologies, LLC 2014   

Because of power  limitations of  the current Power Conditioning System  (PCS),  the maximum power available for charging is 400 kW; the maximum power available for discharging is 600 kW.  The following graphic shows the limits in voltage at various states of charge.  This limitation did not  impact the results of the witness test and  is scheduled to be addressed  in the production version of  the Uni.System  system  so  that  the maximum power  available  for discharging  and charging will be 600 kW for both functions.  

PCS CHARGE PROFILE  

 

Third Party Witness Test Plan 

 Witness testing was planned for the following five utility scale application areas: 

1.  Regulation 

Signal “Aggressive” was employed for this testing. The signal is consistent with the PNNL testing protocol. The  starting SOC was controlled around 50%.   The duration of  regulation  testing  is scheduled for 2h.  

   

A WHITE PAPER 

4    Copyright © UniEnergy Technologies, LLC 2014   

Regulation Signal 

  2.  Capacity Testing The capacity testing included two discharge powers: 600kW and 400kW. The charge power was set to ‐400kW due to the de‐rating of the PCS. Because the regulation test (test #1) was centered around  a  50%  state‐of‐charge  (SOC)  point,  the  first  charge  cycle  was  started  at  that  SOC. Roundtrip efficiency will be calculated based on the equation below:  

 

 Aux consumption includes everything except PCS, such as pump loss, electronic loss, cooling loss, et al.   Testing was scheduled as follows: (Capacity testing was scheduled to run for 36~48 continuous hours) 

Two cycles of 400 kW charging and 600 kW max power discharging 

Two cycles of 400 kW charging and 400 kW discharges, the second includes CV discharge to get max energy 

Power Quality Test (to be performed during the peak power points and low power points in the peak shaving test) 

Power quality was tested at 4 points for the duration of ~ 15 minutes: 

Peak power discharge (600 kW) 

End of peak power discharge interval 

Peak power charge (‐400 kW) 

End of peak power charge interval 

A WHITE PAPER 

5    Copyright © UniEnergy Technologies, LLC 2014   

3.  Ramping (sine wave) 

The California CPUC has mandated 1.325GW of storage by 2020 to overcome projected problems with generation and ramping.  The duck curve shown below illustrates California’s looming 12GW ramping, over‐generation and peaking problem.  The most serious aspects of these problems is the projected over capacity during mid‐day followed by an extreme ramp up of load of 13 GW in  3 hours and then followed by a peaking load.  A battery could absorb the mid‐day over‐generation caused by  the high penetration of  renewables  saving  the energy  for  later use as needed.   A battery could also supply the ramping power to assist in the regulation activity and then supply some of the shortfall during peaking.   

4

Net Load Curve

Reduced Ramp

Battery Output

3GW/9GWhStorage

3GW/3h storage in 2020:

Halve ramping to2013 levels

Absorb over‐generation

Reduce system peak by 3GW

and also yield system wide 

frequency regulation voltage control resiliency black start

6GW Flexible CapacityEquivalent performance to 12GW of fossil peakers

13GW ramp in 3 hours

2GW peak in under 3h

Big changes have already started!

Over-Generation

  The sine wave signal was applied to test the system’s ability to follow a ramping application such as the California duck curve.  The source of the load command signal was a signal generator which generated the signal as shown in the next graphic. The peak of discharge ramping is ‐400kW AC (due to PCS de‐rating)  for charge and the peak  for discharge was 600kW AC.   Total energy  in charging and discharging  is equal  to  the area under  the curve,  in both charge and discharge, which equates to 1.6 MWh and 1.2 MWh respectively in each function.  This test was scheduled to take about 13 hours. 

   

A WHITE PAPER 

6    Copyright © UniEnergy Technologies, LLC 2014   

Power Ramping Signal 

 

4.  Combined Ramping and Regulation 

The  combined  ramping  and  regulation  function was  tested with no  interruption. The  charge hours were 7 hours  (‐400kW charge with regulation),  followed by a 4 hours  idle period  (with regulation). Then continue with a discharge for 4 hours (400kW discharge with regulation) and another  idle  interval  for  4  hours  (with  regulation).  The  total  test  time  is  19  hours.  The commanded signal is as follows:  

Combined Ramping and Regulation Signal

 

A WHITE PAPER 

7    Copyright © UniEnergy Technologies, LLC 2014   

5.  Power Quality Test 

The power quality test will be carried out during the cycling and tracking. The meter will be set up to monitor the power quality.   

Testing as scheduled for the 5‐days of witness testing:  

   21‐Jul  22‐Jul  23‐Jul  24‐Jul  25‐Jul 

   Monday  Tuesday  Wednesday  Thursday  Friday 

0:00    

Capacity testing‐

400kWCharge/600kW Discharge for two cycles 

(around 24 hours) 

Capacity testing‐

400kWCharge/400kW Discharge for two cycles 

Peak shaving testing‐Sine wave cycling for one cycle 

Combined function 

1:00    

2:00    

3:00    

4:00    

5:00    

6:00    

7:00    

8:00    

9:00    

10:00       

11:00       

12:00       

13:00    

Combined function 

  

14:00 Regulation 

  

15:00    

16:00 

Capacity testing‐

400kWCharge/600kW Discharge for two cycles 

  

17:00 Capacity testing‐

400kWCharge/400kW Discharge for two cycles 

  

18:00    

19:00    

20:00    

21:00    

22:00    

23:00    

A WHITE PAPER 

8    Copyright © UniEnergy Technologies, LLC 2014   

Witness Testing Results  All planned  testing activities  scheduled  for witness  testing of  the Uni.System was  completed without interruption during the week.  Results reported in this section are correlated with the numbered test in the preceding test plan. 

1.  Regulation 

The  regulation control  signal  from  the  test plan was directed  to  the  system controller of  the Uni.System system.  The following trace is the resulting response of the system. 

 

 Of particular interest is the accuracy with which the system is tracking the AC command with one exception: because the 400 kW limit for the charge mode is present as indicated earlier in this report,  the  system was  unable  to  track  the  signal  for  higher  power  charge  commands  that exceeded  the 400  kW  limit.   This error will be  corrected  in  the upgraded PCS  scheduled  for delivery with the production Uni.System system scheduled for delivery in late summer.  Another  item  of  interest  is  the Open  Circuit  Voltage  (OCV),  a  voltage measurement  on  the electrolyte that very accurately indicates the state‐of‐charge of the battery in real time.  In this “regulation only” application, the system initially begins operations slightly below the 50 % State of Charge  (SOC) point, a point  that  is specifically selected  to optimize  the energy delivery  for power dispatch for the energy storage system.  The OCV varies slightly around the 45% SOC point indicating a changing SOC; however, as expected, there is a “net zero” consumption of energy during  this  2‐hour  regulation  demonstration.    Test  5,  combined  ramping  and  regulation  is intended to show how the system can be used for regulation while dispatching in multiple modes simultaneously taking advantage of the energy available while in a regulation mode. 

A WHITE PAPER 

9    Copyright © UniEnergy Technologies, LLC 2014   

The following table summarizes the key data points for the regulation test.   

Regulation Data   Data  Units 

Test Duration  2.0  hr 

Aux Power Consumption  16.3  kWh 

Charged AC Energy  230  kWh 

Discharged AC Energy  185  kWh 

Net Energy Consumed  246.3  kWh 

Net Energy Produced  185  kWh 

AC Efficiency  80.4  % 

Roundtrip Efficiency incl aux loads  75.1  % 

2.  Capacity Testing 

Capacity testing consisted of four round trip capacity tests for two different power discharges, two at 400 kW charge, 600 kW discharge and  two at 400 kW charge and 400 kW discharge.  Results shown here are for one test of each of the power settings.  For each of the two power output settings, the two sets of data are very comparable.  The system is unable to charge at 600 kW at this time because of a limit in the charge circuit of the inverter.  This charging anomaly is scheduled to be corrected prior to deployment to a field demonstration scheduled for early fall, 2014.  All testing proceeded as planned with no unusual or unexpected events. 

During the first cycling stage of the first capacity testing sequence, the system tripped off at very near  top‐of‐charge.    It was  noted  that  the  voltage  signal  had  fluctuated  noticeably  and  an investigation was  initiated  to  determine  the  cause  of  the  trip.   UET  engineers  reported  the following finding and introduced a correction to mitigate any further tripping for all remaining tests: 

During the cycling testing we experienced an unexpected shut down of the PCS close to the end of the charge cycle near 100% SOC.  This seems to have been due to an instability in the DC voltage imposed by the constant voltage control mode.  The instability was avoided by operating the PCS in constant power control mode and relying instead on the integrated voltage limiting function of the PCS to maintain stability during high Voltage charging at 100% SOC. 

After this fix was implemented no further trips were experienced. 

   

A WHITE PAPER 

10    Copyright © UniEnergy Technologies, LLC 2014   

The  following  table  summarizes  the  capacity  testing  results  for  a  400  kW  charge,  600  kW discharge capacity test: 

 

The following graphic shows a full 400 kW charge and 600 kW discharge cycle.  Details of power levels  and  efficiencies  are  shown  in  the preceding  table.    There were no  remarkable  events throughout the test cycle.  The system operated as predicted. 

 

The  following  table  summarizes  the  capacity  testing  results  for  a  400  kW  charge,  400  kW discharge capacity test: 

 

StateTime   

h

Aux 

consumption  

kWh

Charged 

AC energy  

kWh

Discharged 

AC energy  

kWh

Net 

energy 

consumed  

kWh

Net 

energy 

produced 

kWh

AC 

efficiency  

%

Roundtrip 

efficiency  

%

Idle 0.25 2.1

Charge 5.82 50.4

Idle 0.25 1.8

Discharge 1.95 22.2

1798 1163 1852 1141 64.7 61.6

StateTime   

h

Aux 

consumption  

kWh

Charged 

AC energy  

kWh

Discharged 

AC energy  

kWh

Net 

energy 

consumed  

kWh

Net 

energy 

produced 

kWh

AC 

efficiency  

%

Roundtrip 

efficiency  

%

Idle 0.25 2.1

Charge 8.25 68.0

Idle 0.25 1.8

Discharge 4.73 49.0

2763 1893 2835 1844 68.5 65.0

A WHITE PAPER 

11    Copyright © UniEnergy Technologies, LLC 2014   

The following graphic shows a full 400 kW charge and 400 kW discharge cycle.  Details of power levels  and  efficiencies  are  shown  in  the preceding  table.    There were no  remarkable  events throughout the test cycle.  The system operated as predicted.  

 

This test included a CV voltage discharge to get the max energy, which showed 2.1 MWh for max energy (graph below). 

 Throughout  the  four cycles of capacity  testing,  the system operated continuously  interrupted only  by  the  trips  at  near  top  of  charge which  are  explained  earlier  in  this  report.    Capacity delivered meets all claims and specifications.  

A WHITE PAPER 

12    Copyright © UniEnergy Technologies, LLC 2014   

Ramping (Sine wave) 

The following graphic shows the ramping tracking accuracy of the system as it would be applied for mitigation following the California duck curve discussed earlier.  

 

3. Combined Ramping and Regulation 

The  following  graphic  shows  the  signals  generated during  combined  ramping  and  regulation testing.   Regulation was performed during charging,  idle and discharging  stages.   The  system performed as  claimed and as  specified  showing  that multiple applications  can be performed simultaneously with the Uni.System system.  Note the tracking of the SOC throughout the test indicating the actual SOC at any given point in time. 

 

 The following table summarizes the performance for the combined ramping and regulation test. 

A WHITE PAPER 

13    Copyright © UniEnergy Technologies, LLC 2014   

Combined Ramping and Regulation Data Parameter Data Units 

Test Duration  19.8 hr 

Aux Power Consumption 184 kWh 

Charged AC Energy  2824 kWh 

Discharged AC Energy  1961 kWh 

Net Energy Consumed  3008 kWh 

Net Energy Produced  1961 kWh 

AC Efficiency  69.4 % 

Roundtrip Efficiency incl aux loads 65.2 % 

 

All results meet all system claims and specifications.  

4. Power Quality Test 

Total harmonic distortion (THD) was measured for short periods of time at near top of charge, near the start of a discharge, near the end of a discharge and at near the start of charge during the peak shaving (sine wave) test sequence.  The following table shows THD for an entire cycle showing the gradual increase in un‐normalized THD as the system moves through lower powers in both charge and discharge.  Normalized THD is shown in the last column.  

   THD / %    

AC power  Phase 1  Phase 2  Phase 3  Average of 3 phases  Normalized 

‐417.37  5.69  6.97 6.33 6.33 4.40

‐401.14  6.09  7.42 6.73 6.75 4.51

‐350.93  6.96  8.52 7.55 7.68 4.49

‐301.21  8.25  9.94 8.75 8.98 4.51

‐250.16  9.72  11.93 10.14 10.60 4.42

‐200.84  11.12  13.70 11.51 12.11 4.05

‐151.11  14.13  17.40 14.61 15.38 3.87

‐101.37  20.15  24.69 20.82 21.89 3.70

‐51.63  36.85  45.60 36.97 39.81 3.43

52.19  49.64  52.69 45.39 49.24 4.28

104.52  23.95  25.38 22.30 23.88 4.16

149.38  16.37  17.28 15.27 16.31 4.06

201.71  11.89  12.31 10.87 11.69 3.93

252.34  9.98  10.39 9.18 9.85 4.14

298.32  8.39  8.67 7.65 8.24 4.10

350.88  7.33  7.59 6.65 7.19 4.20

402.21  6.51  6.68 5.81 6.33 4.25

451.93  5.78  5.91 5.11 5.60 4.22

499.15  4.92  5.06 4.36 4.78 3.98

549.64  4.41  4.56 3.94 4.30 3.94

587.99  4.67  4.82 4.41 4.63 4.54

A WHITE PAPER 

14    Copyright © UniEnergy Technologies, LLC 2014   

The  graphics  shown  here  are  derived  from  the  table  on  the  preceding  page.    Harmonics generated are well within tolerance as shown.  Note that harmonics are more prevalent at power levels approaching lowest levels as shown in these graphics.  

     

 

This  photo  shows  the voltage  waveforms  for the 3 phases at near mid‐charge  taken  from  the isolation  transformer secondary  during  a capacity test cycle. 

Although  there  is  some apparent  distortion,  it  is insignificant and has little impact  on  the  output voltage  power  quality.  THD  during  this  period was  approximately  4.35 to 4.55. 

   

A WHITE PAPER 

15    Copyright © UniEnergy Technologies, LLC 2014   

Strengths and Weaknesses of Uni.System In Witness Testing 

 Weaknesses:    The  only  weakness  I  have  seen  in  Uni.System  is  that  it  has  not  been  field demonstrated in a utility application.  That will be the final test for this emerging technology 

Strengths:  There are many strong points in the tested Uni.System system.  Some of the more important points are enumerated here: 

1. Since commissioning, the Uni.System has delivered nearly 100 MWh total power, without testing  interruption  to correct deficiencies noted during  initial  testing of  the  full  scale Uni.System system.  

2. With the exception of a system trip at near top of charge early in the capacity testing, all components and subsystems operated  flawlessly throughout the witness test program which  ran continuously  from noon on Monday  through noon on Friday with operator intervention only to change testing sequences.   

3. The system exhibited high performance both in full and partial power settings and proved to be stable over the complete operational profiles tested. 

4. The system was proven  to be able to operate  in multiple applications, delivering both energy and power at the same time, with no compromise in performance. 

5. The  strong UniEnergy design  team consists of electrochemists and engineers with  the necessary skills and attitude to bring the Uni.System development project to a successful completion.  In my opinion, their efforts will result in the near term deployment of a fully qualified commercial product for the utility scale energy storage market. 

Conclusions  

Throughout the 5‐day witness testing program, the Uni.System operated continuously under the several witness test protocols scheduled with no interruptions in test operations.  However; one event occurred that was not in the test plan providing an opportunity to confirm the functionality of the spill monitoring system in each of the eight electrolyte tanks.  An unexpected overnight rainstorm occurred with the top covers of the container open allowing rain to collect in the top of the electrolyte service area which  is continuously monitored  for any  liquid which might be present.  Every spill monitor sensed the rain that gathered in the service area which resulted in the shutdown of all system pumps showing that the spill sensor subsystem operated as specified.  Throughout the 5‐day testing program, no operational issues occurred which compromised the uninterrupted witness testing plan.  All tests were successfully completed and all data correlated to  expected  results.    In my opinion, with  the updated PCS which will  eliminate  the  400  kW charging  limit  issues, the Uni.System system should be fully capable of meeting all application specifications and ready for a complete field demonstration program.   

A WHITE PAPER 

16    Copyright © UniEnergy Technologies, LLC 2014   

Author Biography 

Garth P. Corey, retired from Sandia National Laboratories in Nov, 2006 as a Principal Member of the Technical Staff. During his tenure at Sandia, he had project management responsibilities with the Energy  Infrastructure and Distributed Energy Resources Department.   Most of his Sandia career was dedicated to communicating his system engineering and battery system management knowledge to engineers involved in the integration of various energy storage technologies with the balance of plant needed  for  the development of a  successful operational energy  storage system. 

During his more than 15 years at Sandia, Garth was involved in high technology energy storage R&D projects and energy storage systems development.  He managed projects that spanned the utility scale energy storage arena including flywheels and ultracapacitor systems; sodium sulfur, nickel cadmium, lead acid, (including advanced lead‐acid technologies), and lithium ion batteries; and  several  flow  battery  technologies.   Much  of  his  time was  dedicated  to  assisting  Sandia Renewable Power engineers in the proper integration of batteries in both off‐grid and grid‐tied Photovoltaic systems.  Since leaving Sandia, Garth has continued to stay current on new energy storage systems development. 

Garth  is  an  internationally  recognized  subject matter  expert  in  utility  scale  energy  storage applications and  systems and  is  frequently  sought out  to provide expert advice on emerging energy storage systems and energy storage device development and deployment.  He is also very active in conducting technology due diligence investigations to determine the status of emerging energy storage technologies. He is a member of the IEEE Power and Energy Society and is active in balloting energy storage related standards.