Účinnost systému a vlastní spotřeba C&I BESS

Analytická zpráva o energetickém řetězci jednoho cyklu nabití–vybití a pomocné spotřebě komerčního a průmyslového bateriového rozvaděče

Tato zpráva se týká komerčního a průmyslového bateriového rozvaděče 125 kW / 261 kWh a analyzuje energetický řetězec jednoho úplného cyklu DOD 0 % → 95 % → 0 %. Jmenovitá AC-AC RTE systému činí 88,5 %, přičemž nad rámec účinnosti PCS a DC zpáteční účinnosti baterie je nutné odečíst pomocnou spotřebu kapalinového chladicího okruhu, BMS/EMS a odvlhčovače.

• Jádrová RTE (PCS + baterie, bez pomocné spotřeby): 88,95 %
• Spotřeba kapalného chlazení při jmenovitém chladicím pracovním cyklu na jeden cyklus: přibližně 5,8 – 8,1 kWh (pokrývá rozsah od 50% pracovního cyklu výše až po maximální výkon)
• Odpovídající rozsah čisté RTE systému: 85,15 % – 87,48 % (od 25% chlazení po jmenovité chlazení, pokrývá běžné provozní podmínky v terénu)

1. Parametry systému

2. Zapojení a svorky

Tato část se netýká externího zapojení; klade důraz na body měření energie a doporučuje následující:

• Měření na straně sítě: Dvousměrný elektroměr na vývodu síťového spínače uvnitř rozvaděče, sloužící jako zdroj statistik pro $E_{\text{grid\_in}}$ / $E_{\text{grid\_out}}$.
• Měření na AC straně PCS: Dvousměrný elektroměr na AC výstupu PCS, sloužící ke kontrole vlastní účinnosti PCS.
• DC strana baterie: Snímače na DC sběrnici BMS, používané k výpočtu DC zpáteční účinnosti baterie.

3. Specifikace kapalinového chladicího okruhu

Jednotka využívá frekvenční kompresor + frekvenční oběhové vodní čerpadlo. Hlavním řídicím signálem je teplota jednotlivých článků baterie ($T_{\max}$ / $T_{\min}$), signálem nastavení je teplota výstupní kapaliny ($T_{\text{outlet}}$, konfigurovatelná v BMS).

3.1 Řídicí logika provozních režimů (BMS active)

Poznámka: $T_{\max}$ / $T_{\min}$ představují nejvyšší/nejnižší teplotu jednotlivých článků uvnitř DC rozvaděče; $\Delta T$ je rozdíl teplot vstupní a výstupní kapaliny.

3.2 Ochranná logika při ztrátě napájení BMS (BMS inactive)

Při ztrátě napájení zůstává výše uvedená logika chlazení/topení zachována a jsou přidána dvě nucená samovolná oběhová ochranná pravidla:

3.3 Priorita režimů

Chlazení > Topení > Samovolná cirkulace; samovolná cirkulace může být přímo přepsána nucenými podmínkami (3.2).

4. Komunikace

Tato zpráva se nezabývá externími komunikačními protokoly, ale pro účely sběru dat v terénu doporučuje sjednotit následující rozhraní a datové body, aby nadřazený EMS mohl vypočítat RTE:

• BMS → EMS: DC napětí/proud baterie, SOC, SOH, teplota jednotlivých článků.
• PCS → EMS: AC napětí/proud/výkon, stav nabíjení/vybíjení, chybové slovo.
• Kapalinový chladicí okruh → EMS: teplota výstupní kapaliny, start/stop kompresoru a čerpadla, aktuální režim (chlazení/topení/samovolná cirkulace).

5. Postup a výpočetní základ

5.1 Základní energetický řetězec

• DC zpáteční účinnost baterie 94 %, symetricky rozdělena na 96,95 % × 96,95 %
• Účinnost nabíjení/vybíjení PCS v obou směrech 97,3 %
• DoD = 95 %

$$E_{\text{usable}} = 261 \times 95\% = 247{,}95 \text{ kWh}$$

$$E_{\text{grid\_in\_basic}} = \frac{E_{\text{usable}}}{\eta_{\text{DC-AC}} \times \eta_{\text{AC-AC}}} = \frac{247{,}95}{0{,}973 \times 0{,}9695} = 262{,}84 \text{ kWh}$$

$$E_{\text{AC\_gross}} = E_{\text{usable}} \times \eta_{\text{AC-AC}} \times \eta_{\text{DC-AC}} = 247{,}95 \times 0{,}9695 \times 0{,}973 = 233{,}91 \text{ kWh}$$

Teoretická účinnost systému bez spotřeby kapalinového chlazení a fixní pomocné spotřeby (jádro PCS + baterie):

$$\eta_{\text{core}} = \eta_{\text{DC-AC}} \times \eta_{\text{bat\_RT}} \times \eta_{\text{AC-AC}} = 0{,}973 \times 0{,}94 \times 0{,}973 = 88{,}95\%$$

5.2 Energetický řetězec jednoho cyklu

• Nabíjecí trasa: síť → PCS (×97,3 %) → DC baterie (×96,95 %) → uloženo 247,95 kWh.
• Vybíjecí trasa: DC baterie (×96,95 %) → PCS (×97,3 %) → hrubý AC výstup 233,91 kWh.
• Spotřeba kapalinového chlazení a pomocných systémů je zobrazena jako plovoucí odbočka: na straně nabíjení se pomocná spotřeba přičítá, na straně vybíjení se odečítá z hrubého výstupu PCS.

5.3 Obecné vzorce

Nechť $\delta$ je pracovní cyklus chlazení (pracovní cyklus samovolné cirkulace $1-\delta$), doba nabíjení při jednom cyklu na plný výkon $T_{\text{ch}} = E_{\text{grid\_in\_basic}} / P_{\text{rated}} = 2{,}103 \text{ h}$, doba vybíjení $T_{\text{dis}} = E_{\text{AC\_gross}} / P_{\text{rated}} = 1{,}871 \text{ h}$.

$$P_{\text{liq\_avg}} = P_{\text{liq,idle}} + k_{\text{cool}} \cdot \delta = 0{,}25 + 2{,}25\delta \quad \text{(kW)}$$

$$E_{\text{grid\_in}} = E_{\text{grid\_in\_basic}} + T_{\text{ch}} \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \right) = 262{,}84 + 2{,}103 \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + 0{,}26 \right) \quad \text{(kWh)}$$

$$E_{\text{grid\_out}} = E_{\text{AC\_gross}} - T_{\text{dis}} \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \right) = 233{,}91 - 1{,}871 \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + 0{,}26 \right) \quad \text{(kWh)}$$

$$\eta_{\text{RTE\_net}} = \frac{E_{\text{grid\_out}}}{E_{\text{grid\_in}}}$$

Uzavřený tvar po dosazení (s vyloučením meziproměnné $P_{\text{liq\_avg}}$):

$$E_{\text{grid\_in}}(\delta) = 262{,}84 + 2{,}103 \cdot (0{,}25 + 2{,}25\delta + 0{,}26) = 263{,}91 + 4{,}732\,\delta \quad \text{(kWh)}$$

$$E_{\text{grid\_out}}(\delta) = 233{,}91 - 1{,}871 \cdot (0{,}25 + 2{,}25\delta + 0{,}26) = 232{,}96 - 4{,}210\,\delta \quad \text{(kWh)}$$

$$\eta_{\text{RTE\_net}}(\delta) = \frac{232{,}96 - 4{,}210\,\delta}{263{,}91 + 4{,}732\,\delta}$$

5.4 Scénáře pomocné spotřeby

Fixní pomocná spotřeba: BMS + EMS = 200 W, odvlhčovač = 60 W (trvalý provoz), celkem $P_{\text{aux\_fixed}} = 260 \text{ W}$. Kapalinový chladicí okruh je modelován v 8 typických stavech:

[1] Podmínka spuštění samovolné cirkulace: spuštění při rozdílu teplot vstupní a výstupní kapaliny $\Delta T \geq 4\,°C$, zastavení při $\Delta T \leq 2\,°C$. Pokud je baterie v nečinnosti a teplotní rozdíl je malý, chlazení fakticky odpovídá řádku „vypnuto" (0 kW); při nabíjení/vybíjení nebo nárůstu teploty přechází do řádku „samovolná cirkulace" (0,25 kW). Při ztrátě napájení BMS, pokud teplota výstupní kapaliny $T_{\text{outlet}} \geq 38\,°C$ nebo $\leq 8\,°C$, je na 120 s vynucena samovolná cirkulace.

5.5 Závěry a doporučení

• Jádrová RTE 88,95 %; čistá RTE po zahrnutí 260 W fixní pomocné spotřeby je přibližně 88,6 %; při samovolné cirkulaci kapalinového chlazení klesá na 88,27 %; při 50% pracovním cyklu chlazení činí 86,70 %.
• Aby bylo zaručeno, že systémová jmenovitá RTE 88,5 % bude splněna, z podmínky $\eta_{\text{RTE\_net}} \geq 0{,}885$ vyplývá zpětným výpočtem:

  $$P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \leq 0{,}348 \text{ kW} \;\Rightarrow\; P_{\text{liq\_avg}} \leq 0{,}088 \text{ kW}$$

  tedy průměrný příkon kapalného chlazení + fixní pomocné spotřeby na jeden cyklus musí být ≤ 0,35 kW (z toho samotný kapalinový chladicí okruh ≤ 0,09 kW, což v podstatě odpovídá vypnutému stavu nebo oblasti blízké samovolné cirkulaci).
• Poznámka k samovolné cirkulaci: Podle řídicí logiky v části 3.1 se samovolná cirkulace spouští pouze při $\Delta T \geq 4\,°C$, a nepoběží tedy nepřetržitě. Pokud je baterie v nečinnosti a teplotní rozdíl je malý, fakticky se jedná o „chlazení vypnuto" (0 kW) a RTE může dosáhnout 88,62 %; při nabíjení/vybíjení a nárůstu teploty přechází do samovolné cirkulace (0,25 kW) a RTE je přibližně 88,27 %. Výše uvedený řídicí cíl ≤ 0,09 kW neplatí během vynucené samovolné cirkulace při ztrátě napájení BMS (ochranné pásmo 120 s).

6. Upozornění

1. Energetický řetězec v této zprávě vychází z předpokladu symetrické účinnosti nabíjení a vybíjení. Pokud se účinnost PCS v terénu v různých rozsazích SOC/výkonu výrazně liší, je třeba provést přefitování po segmentech.
2. Pracovní cyklus chlazení/topení kapalinového chladicího okruhu se výrazně liší v závislosti na okolní teplotě; RTE by měla být počítána v rámci smluvního teplotního rozsahu.
3. Pokud odvlhčovač pracuje v režimu zapnuto/vypnuto podle potřeby, a nikoli trvale na 60 W, je třeba ve vzorcích nahradit fixní hodnotu skutečným pracovním cyklem.
4. Po stárnutí baterie DC zpáteční účinnost klesá; do výpočtu RTE je třeba současně zavést korekční koeficient SOH.
5. Všechny hodnoty výkonu/energie jsou statistikami jednoho cyklu a nelze je přímo extrapolovat na denní/měsíční data.

Příloha A – Definice symbolů

A.1 Systémové parametry

A.2 Účinnosti a referenční energie

A.3 Čas a pomocný výkon

A.4 Kapalinový chladicí okruh

A.5 Energie a systémová RTE

A.6 Konvence pojmenování symbolů

• Dolní index in / out označuje energii proudící do/ze sítě.
• Dolní index ch / dis označuje proces nabíjení/vybíjení.
• Dolní index aux označuje pomocné systémy, dolní index liq označuje kapalinové chlazení.
• Dolní index idle / cool / heat / max označuje provozní stupeň kapalného chlazení.
• Holé dolní indexy max / min označují nejvyšší/nejnižší teplotu jednotlivých článků (nikoli výkonový stupeň).
• Řecké písmeno $\eta$ značí účinnost, $\delta$ značí pracovní cyklus (pozor na záměnu s DoD), $\Delta$ značí rozdíl.