Sprawność systemu oraz pobór mocy pomocniczej kontenerowego BESS

Raport z analizy łącucha energetycznego oraz zużycia pomocniczego jednego cyklu ładowania/rozładowania kontenerowego systemu magazynowania energii

Niniejszy raport dotyczy kontenerowego systemu magazynowania energii D-Ocean-5016D (12 klastrów × 418 kWh, ogniwa HiTio 314 Ah 1P416S) i analizuje łącuch energetyczny jednego pełnego cyklu SOC 0% → 95% → 0%. System wykorzystuje chiller z chłodzeniem powietrznym Envicool EMW600HCNC3E (certyfikat CE / powłoka antykorozyjna C5-M), a urządzenia pomocnicze pobierają energię bezpośrednio z obwodu głównego + UPS + rozdzielnicy (DC 24 V / 48 V).

• Rdzeniowy RTE (warunki idealne 25°C) = 88,48% (w tym transformator podwyższający 0,99² × PCS 0,98² × bateria DC RTE 0,94)
• System pomocniczy (faktyczny projekt elektryczny obejmujący 14 pozycji, szczegóły w sekcji 1.1): 7,25 kW stałego ciągłego poboru, zużycie na cykl 13,0 – 14,7 kWh
• Zakres netto RTE przy 0,5P pełnej mocy: 85,88% – 87,97% (od mocy maksymalnej do wyłączenia chłodzenia cieczą)
• Samocyrkulacja chłodzenia cieczą 0,74 kW – zużycie na cykl ok. 1,5 kWh; znamionowe chłodzenie 27,8 kW – zużycie na cykl ok. 57,5 kWh
• 88,5% netto RTE nieosiągalne w niniejszym modelu (maksymalnie 87,97%); cel sterowania 87% netto RTE: współczynnik wypełnienia chłodzenia ≤ 48,3%
• Ciągła łączna moc pomocnicza kontenera 7,25 kW, szczytowa (z maksymalną mocą chłodzenia cieczą) 37,25 kW

1. Parametry systemu

1.1 Architektura systemu pomocniczego

Lista rzeczywistych obciążeń elektrycznych projektu D-Ocean-5016D (z schematu rozdzielnicy projektowej):

Opis architektury:

• SMPS skrzynki wysokiego napięcia dostarcza 24 V DC do styczników / sterowania / grzania całego klastra; AC-DC 350 W to zasilanie główne, DC-DC 200 W włącza się tylko przy zaniku AC.
• SMPS rozdzielnicy zasila magistrale 24 V / 48 V kontenera (bez zasilania z UPS) dla obciążeń obwodu głównego.
• 6 osuszaczy AC GCH-8120S (130 W faktycznie) zasilanych z obwodu głównego, praca ciągła.
• Zasilanie 12 BMS-ów klastrów (60 W/klaster) jest podtrzymywane przez UPS, aby BMS działał i raportował alarmy przy utracie zasilania.
• Centrala ppoż. 200 W jest podtrzymywana przez UPS (monitorowanie ciągłe); wentylator wyciągowy przeciwwybuchowy 240 W uruchamiany jest z UPS tylko przy alarmie (stan przejściowy ok. 3 s).
• Gniazdo serwisowe i rezerwowe zaprojektowano na szczyt 1 kW, nie są uwzględniane w RTE jako pomocnicze ciągłe.
• Powyższy system pomocniczy nie obejmuje głównego obwodu wodnego systemu ppoż. (pompy ppoż., tryskacze itp.). W rzeczywistych projektach, w których zastosowano wodny system ppoż., należy dodać obciążenie zgodnie z EN 12845 (typowo 5–10 kW z pompą ppoż.) i zweryfikować zapas głównego wyłącznika kontenera.

2. Okablowanie i zaciski

Niniejsza sekcja nie dotyczy okablowania zewnętrznego; koncentruje się na punktach pomiaru energii. Zalecenia:

• Pomiar po stronie sieci: dwukierunkowy licznik na wyjściu wyłącznika przyłączeniowego, jako źródło danych $E_{\text{grid\_in}}$ / $E_{\text{grid\_out}}$.
• Pomiar po stronie AC PCS: dwukierunkowy licznik, służący do weryfikacji sprawności samego PCS.
• Po stronie DC baterii: próbkowanie szyny DC przez BMS, wykorzystywane do obliczenia sprawności baterii DC (cykl tam i z powrotem).
• Obwody pomocnicze: chiller, BMS/EMS oraz obwody zasilania osuszaczy powinny być mierzone oddzielnie w celu prześledzenia zużycia pomocniczego.

3. Specyfikacja chillera (EMW600HCNC3E)

3.1 Logika sterowania trybami pracy (BMS aktywny, wg platformy Envicool)

Uwaga: Karta katalogowa EMW600HCNC3E nie ujawnia szczegółowej tabeli sterowania; powyższe progi temperaturowe są wartościami referencyjnymi platformy Envicool. W rzeczywistym projekcie należy stosować specyfikację integracji BMS D-Ocean-5016D.

3.2 Logika ochrony przy utracie zasilania BMS (BMS nieaktywny)

3.3 Priorytet trybów

Chłodzenie > Grzanie > Samocyrkulacja; warunki ochrony wymuszonej (3.2) mogą ominąć powyższy priorytet i bezpośrednio włączyć samocyrkulację.

4. Komunikacja

Niniejszy raport nie obejmuje zewnętrznych protokołów komunikacji, jednak zaleca się ujednolicenie poniższych interfejsów i punktów danych przy akwizycji danych w terenie, w celu ułatwienia rozliczenia RTE przez nadrzędny EMS:

• BMS → EMS: napięcie / prąd DC 12 klastrów, SOC, SOH, temperatura maks./min. ogniwa.
• PCS → EMS: napięcie / prąd / moc po stronie AC, stan ładowania/rozładowania, słowo błędu, krzywa sprawności.
• Chiller → EMS: temperatura wylotu, stany pracy sprężarki / pompy / wentylatora, bieżący tryb (chłodzenie / grzanie / samocyrkulacja), słowo błędu.
• Liczniki obwodów pomocniczych → EMS: licznik główny obwodu pomocniczego (do rozliczenia łącznego zużycia pomocniczego), liczniki poszczególnych wyjść UPS, strona DC BMS/EMS, obwód osuszaczy.

5. Procedura operacyjna i podstawy obliczeń

5.1 Łańcuch energetyczny odniesienia

• Sprawność baterii DC (cykl tam i z powrotem) 94%, podzielona symetrycznie na 96,96% × 96,96%
• Sprawność PCS ładowania/rozładowania wynosi 98,0%
• Sprawność transformatora podwyższającego (podwyższenie + obniżenie) 0,99 × 0,99 = 0,9801 (dwukierunkowo)
• DoD = 95%

$$E_{ ext{usable}} = 5016 \times 95\% = 4765{,}2 \text{ kWh}$$

$$E_{\text{grid\_in\_basic}} = \frac{E_{\text{usable}}}{\eta_{\text{TR}} \times \eta_{\text{PCS}} \times \eta_{\text{DC\_ch}}} = \frac{4765{,}2}{0{,}99 \times 0{,}98 \times 0{,}9696} = 5065{,}7 \text{ kWh}$$

$$E_{\text{AC\_gross}} = E_{\text{usable}} \times \eta_{\text{DC\_dis}} \times \eta_{\text{PCS}} \times \eta_{\text{TR}} = 4765{,}2 \times 0{,}9696 \times 0{,}98 \times 0{,}99 = 4482{,}0 \text{ kWh}$$

Sprawność teoretyczna systemu bez chłodzenia cieczą i stałego zużycia pomocniczego (rdzeń PCS + bateria + transformator podwyższający, warunki idealne 25°C):

$$\eta_{\text{core}} = \eta_{\text{TR}} \times \eta_{\text{PCS}} \times \eta_{\text{DC\_RT}} \times \eta_{\text{PCS}} \times \eta_{\text{TR}} = 0{,}99 \times 0{,}98 \times 0{,}94 \times 0{,}98 \times 0{,}99 = 88{,}48\%$$

5.2 Łańcuch energetyczny jednego cyklu

• Ścieżka ładowania: sieć → transformator podwyższający (×99,0%) → PCS (×98,0%) → bateria DC (×96,96%) → magazynowane 4765,2 kWh.
• Ścieżka rozładowania: bateria DC (×96,96%) → PCS (×98,0%) → transformator podwyższający (×99,0%) → wyjście AC brutto 4482,0 kWh.
• Chłodzenie cieczą i zużycie pomocnicze traktowane są jako gałąź zmienna: po stronie ładowania zużycie pomocnicze jest dodawane do wejścia, po stronie rozładowania odejmowane od wyjścia brutto PCS.

5.3 Formuły ogólne

Niech współczynnik wypełnienia chłodzenia wynosi $\delta$ (współczynnik wypełnienia samocyrkulacji $1-\delta$), przy mocy ciągłej 0,5P $P_{\text{rated}} = 2500 \text{ kW}$:

• Czas ładowania $T_{\text{ch}} = E_{\text{grid\_in\_basic}} / P_{\text{rated}} = 5065{,}7 / 2500 \approx 2{,}026 \text{ h}$
• Czas rozładowania $T_{\text{dis}} = E_{\text{AC\_gross}} / P_{\text{rated}} = 4482{,}0 / 2500 \approx 1{,}793 \text{ h}$

Stała moc pomocnicza $P_{\text{aux\_fixed}} = 7{,}25 \text{ kW}$ (lista projektowa, szczegóły w sekcji 1.1).

$$P_{\text{liq\_avg}} = P_{\text{liq,idle}} + (P_{\text{liq,cool}} - P_{\text{liq,idle}}) \cdot \delta = 0{,}74 + 27{,}06\,\delta \quad \text{(kW)}$$

$$E_{\text{grid\_in}} = E_{\text{grid\_in\_basic}} + T_{\text{ch}} \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \right) = 5065{,}7 + 2{,}026 \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + 7{,}25 \right) \quad \text{(kWh)}$$

$$E_{\text{grid\_out}} = E_{\text{AC\_gross}} - T_{\text{dis}} \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \right) = 4482{,}0 - 1{,}793 \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + 7{,}25 \right) \quad \text{(kWh)}$$

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

Po podstawieniu w formie zamkniętej (eliminacja zmiennej pośredniej $P_{\text{liq\_avg}}$):

$$E_{\text{grid\_in}}(\delta) = 5065{,}7 + 2{,}026 \cdot (0{,}74 + 27{,}06\,\delta + 7{,}25) = 5081{,}89 + 54{,}82\,\delta \quad \text{(kWh)}$$

$$E_{\text{grid\_out}}(\delta) = 4482{,}0 - 1{,}793 \cdot (0{,}74 + 27{,}06\,\delta + 7{,}25) = 4467{,}67 - 48{,}51\,\delta \quad \text{(kWh)}$$

$$\eta_{\text{RTE\_net}}(\delta) = \frac{4467{,}67 - 48{,}51\,\delta}{5081{,}89 + 54{,}82\,\delta}$$

5.4 Scenariusze zużycia pomocniczego

Stałe zużycie pomocnicze wg projektu elektrycznego z sekcji 1.1: 12 skrzynek wysokiego napięcia 4,2 kW + rozdzielnica 0,6 kW + 6 osuszaczy 0,78 kW + klimatyzator przemysłowy 0,24 kW + oświetlenie awaryjne / wentylator / ekran 0,15 kW + zasilanie BMS 12 klastrów 0,72 kW + centrala ppoż. 0,20 kW + monitoring wideo 0,24 kW + 24 V pomocnicze 0,12 kW, łącznie $P_{\text{aux\_fixed}} = 7{,}25 \text{ kW}$. Chiller modelowany w 8 stanach typowych:

Uwaga: Wartości $P_{\text{liq}}$ dla 25% / 50% / 75% chłodzenia w tabeli scenariuszy są liniową interpolacją mocy znamionowej 27,8 kW (bez 0,74 kW samocyrkulacji) i nieznacznie różnią się od formuły z 5.3 $P_{\text{liq\_avg}} = 0{,}74 + 27{,}06 \cdot \delta$. Dla ścisłej spójności zaleca się stosowanie formuły z 5.3 i jawnego współczynnika wypełnienia.

Przypadek braku AC: gdy wszystkie 12 skrzynek wysokiego napięcia przełączy się na rezerwę DC-DC 200 W, stała pomocnicza wynosi $12 \times 200 + 0{,}6 + 0{,}78 + 0{,}24 + 0{,}15 + 0{,}72 + 0{,}20 + 0{,}24 + 0{,}12 = 5{,}25 \text{ kW}$, a odpowiadające RTE jest nieznacznie wyższe (ok. 88,7% przy wyłączonym chłodzeniu); jest to jednak tryb awaryjny – normalna specyfikacja RTE opiera się na trybie AC.

Stan przejściowy alarmu ppoż.: gdy detektor H₂ lub czujnik dymu / temperatury uruchomi alarm, centrala ppoż. przechodzi w stan alarmu, a wentylator wyciągowy przeciwwybuchowy (240 W) zostaje uruchomiony, skok mocy pomocniczej o ~240 W (ok. 3 s), wpływ na statystykę RTE pomijalny.

5.5 Wnioski i zalecenia

• Rdzeniowy RTE (najbardziej idealne warunki 25°C) = 88,48% (transformator podwyższający 0,99² × PCS 0,98² × bateria DC RTE 0,94). Jest to górna granica teoretyczna, odpowiadająca ekstremalnie idealnym warunkom: temperatura otoczenia 25°C, optymalna temperatura pracy baterii, brak zużycia pomocniczego, brak czuwania, SoH = 100%.
• Po uwzględnieniu 7,25 kW stałego zużycia pomocniczego (lista projektu elektrycznego): przy wyłączonym chłodzeniu netto RTE 87,97%; przy samocyrkulacji 87,89%; przy 50% wypełnienia chłodzenia 86,99%; przy znamionowym chłodzeniu 86,04%.
• 88,5% netto RTE nieosiągalne w niniejszym modelu: nawet przy całkowicie wyłączonym chłodzeniu + idealnych warunkach 25°C + 7,25 kW stałego zużycia pomocniczego, netto RTE osiąga jedynie 87,97%; teoretyczna górna granica rdzenia 88,48% wymaga jednoczesnej eliminacji całego zużycia pomocniczego (co jest niewykonalne).
• Cel sterowania 87% netto RTE: z warunku $\eta_{ ext{RTE\_net}} \geq 0{,}87$ wynika:

  $$\frac{4467{,}67 - 48{,}51\,\delta}{5081{,}89 + 54{,}82\,\delta} \geq 0{,}87$$

  $$4467{,}67 - 48{,}51\,\delta \geq 4421{,}24 + 47{,}69\,\delta \;\Rightarrow\; 46{,}43 \geq 96{,}20\,\delta \;\Rightarrow\; \delta \leq 0{,}483$$

tj. współczynnik wypełnienia chłodzenia musi wynosić ≤ 48,3% (w przybliżeniu dolna granica scenariusza 50% chłodzenia), średnia moc chillera na cykl ≤ 13,81 kW.

• Typowy zakres pracy (idealny 25°C): netto RTE 86,5% – 88,0% (zakrywa 25%–75% chłodzenia), wyjście AC na cykl 4432 – 4457 kWh. W rzeczywistych warunkach terenowych, ze względu na temperatę otoczenia, nagrzewanie baterii, wahania pomocnicze itp., RTE zwykle mieści się poniżej tego zakresu.
• Łączna moc systemu pomocniczego 7,25 kW stanowi jedno z głównych obciążeń RTE: stałe zużycie na cykl 13,0 – 14,7 kWh, o rząd wielkości większe niż samocyrkulacja chillera (1,5 kWh). Optymalizacja sprawności SMPS 12 skrzynek wysokiego napięcia (350 W → 280 W) może odzyskać ok. 0,4 punktu procentowego RTE.
• Chłodzenie cieczą pozostaje dominującą pozycją RTE: zużycie na cykl 1,5 kWh (samocyrkulacja) – 57,5 kWh (znamionowe chłodzenie); stałe zużycie pomocnicze rzędu 13 kWh, stosunek wkładu strat RTE chłodzenia do stałych pomocniczych wynosi ok. 75% / 25%.
• 6 osuszaczy pobiera znaczącą energię: 0,78 kW stanowi 10,8% łącznego zużycia pomocniczego, zużycie na cykl 1,58 kWh. Zaleca się ocenę konieczności osuszania (decyzja na podstawie danych czujnika wilgotności), praca na żądanie może odzyskać ok. 0,2 punktu procentowego RTE.
• Specyfikacja techniczna powinna jasno określać: punkty pomiaru RTE (zalecane dwukierunkowe liczniki po stronie sieci), czy obejmuje chłodzenie / ppoż. / czuwanie / gniazda, zakres temperatur testu (odniesienie 25°C), okno SOC (0–95%), sposób pomiaru zużycia pomocniczego (zalecane oddzielne liczniki obwodów SMPS + centrala ppoż. + 12 BMS klastrów wg architektury 1.1).

5.6 Weryfikacja obciążenia głównego wyłącznika kontenera

Wg tabeli w sekcji 1.1 dla mocy ciągłej / szczytowej:

6. Uwagi

1. Łańcuch energetyczny niniejszego raportu opiera się na założeniu symetrycznej sprawności ładowania i rozładowania w warunkach 0,5P. Jeżeli rzeczywisty PCS wykazuje znaczące odchylenia sprawności w różnych zakresach SOC / mocy, należy ponownie dopasować parametry odcinkami.
2. Rdzeniowy RTE 88,48% to górna granica teoretyczna w najbardziej idealnych warunkach 25°C, odpowiadająca sprawności szeregowej transformatora podwyższającego 0,99², baterii DC RT 0,94 i PCS 0,98². W terenie, ze względu na nagrzewanie baterii (>25°C), straty linii, degradację SoH (<100%) itp., RTE będzie maleć odcinkami.
3. Współczynnik wypełnienia chłodzenia / grzania chillera znacząco różni się w zależności od temperatury otoczenia; RTE powinno być rozliczane w zakresie temperatur określonym w specyfikacji.
4. Po starzeniu baterii sprawność DC (cykl tam i z powrotem) spada, rozliczenie RTE powinno jednocześnie uwzględniać współczynnik korekcji SOH.
5. Jeżeli osuszacze pracują na żądanie zamiast ciągle 120 W, w formule należy zastąpić stałą wartość rzeczywistym współczynnikiem wypełnienia.
6. Wszystkie wartości mocy / energii są statystykami jednego cyklu i nie mogą być bezpośrednio ekstrapolowane na dane dzienne / miesięczne.
7. W kontenerze przy 25°C 0,5P zmierzona moc chillera (ok. 23 kW) + stałe 7,25 kW ≈ łącznie 30,5 kW.
8. System ppoż. uwzględnia ciągłe monitorowanie centrali 200 W; wentylator wyciągowy przeciwwybuchowy 240 W uruchamiany tylko przy alarmie, nie ujęty w statystyce RTE; główny obwód wodny systemu ppoż. (pompy ppoż., tryskacze itp.) nie jest ujęty – w rzeczywistych projektach wymaga uzupełnienia (typowo 5–10 kW), konieczna weryfikacja zdolności obciążenia głównego wyłącznika D100A lub dodanie oddzielnego obwodu.
9. 6 osuszaczy AC (780 W) pracuje ciągle, stanowi 10,8% łącznego zużycia pomocniczego. Zaleca się sterowanie wg danych czujnika wilgotności otoczenia, praca na żądanie może odzyskać ok. 0,2 punktu procentowego RTE.
10. Gniazdo serwisowe i rezerwowe (po 1 kW) zaprojektowano na szczyt, nie są ujęte w modelu stałego zużycia pomocniczego RTE, ale przy użyciu w terenie powinny być oddzielnie mierzone, aby uniknąć wpływu na uzgodnienia RTE.

Załącznik A Definicje symboli

A.1 Parametry systemu

A.2 Sprawność i energia odniesienia

A.3 Czas i moc pomocnicza

A.4 Chiller

A.5 Energia i RTE poziomu systemu

A.6 Konwencja nazewnictwa symboli

• Indeksy in / out oznaczają energię wpływającą / wypływającą z sieci.
• Indeksy ch / dis oznaczają proces ładowania / rozładowania.
• Indeks aux oznacza system pomocniczy, indeks liq – chłodzenie cieczą.
• Indeksy idle / cool / heat / max oznaczają bieg pracy chillera.
• Indeksy max / min (gołe) oznaczają najwyższą / najniższą temperaturę ogniwa (nie bieg mocy).
• Litera grecka $\eta$ oznacza sprawność, $\delta$ – współczynnik wypełnienia (uwaga: nie mylić z DoD), $\Delta$ – wartość różnicową.