Sprawność systemu oraz pobór mocy pomocniczej C&I BESS

Raport z analizy łańcucha energetycznego oraz zużycia pomocniczego magazynu energii w obudowie C&I dla jednego cyklu ładowania/rozładowania

Niniejszy raport dotyczy magazynu energii C&I 125 kW / 261 kWh i analizuje łańcuch energetyczny pełnego cyklu DOD 0% → 95% → 0%. Nominalna sprawność systemu AC-AC RTE wynosi 88,5%. Wymaga ona, oprócz sprawności PCS oraz sprawności baterii DC round-trip, dodatkowego pomniejszenia o zużycie pomocnicze agregatu chłodzenia cieczą, BMS/EMS oraz osuszacza.

• Rdzeniowa RTE (PCS + bateria, bez urządzeń pomocniczych): 88,95%
• Zużycie energii przez chłodzenie cieczą w jednym cyklu przy znamionowym współczynniku wypełnienia chłodzenia: ok. 5,8 – 8,1 kWh (zakres od współczynnika wypełnienia powyżej 50% do mocy maksymalnej)
• Odpowiadający zakres systemowej RTE netto: 85,15% – 87,48% (od 25% chłodzenia do chłodzenia znamionowego, obejmujący typowe warunki eksploatacji)

1. Parametry systemu

2. Okablowanie i zaciski

Niniejsza sekcja nie dotyczy okablowania zewnętrznego — skupia się na punktach pomiaru energii. Zalecenia są następujące:

• Pomiar po stronie sieci: dwukierunkowy licznik energii na wyjściu wyłącznika przyłączeniowego w szafie, jako źródło danych dla $E_{\text{grid\_in}}$ / $E_{\text{grid\_out}}$.
• Pomiar po stronie AC PCS: dwukierunkowy licznik energii na wyjściu AC PCS, służący do weryfikacji sprawności samego PCS.
• Strona DC baterii: próbkowanie szyny DC przez BMS, wykorzystywane do rozliczenia sprawności DC round-trip baterii.

3. Specyfikacja agregatu chłodzenia cieczą

Agregat wykorzystuje sprężarkę inwerterową oraz inwerterową pompę obiegową. Sygnałem sterującym jest temperatura pojedynczego ogniwa ($T_{\max}$ / $T_{\min}$), sygnałem zadanym jest temperatura wylotu czynnika ($T_{\text{outlet}}$, konfigurowalna w BMS).

3.1 Logika sterowania trybami pracy (BMS aktywny)

Uwaga: $T_{\max}$ / $T_{\min}$ to najwyższa/najniższa temperatura pojedynczego ogniwa w szafie DC; $\Delta T$ to różnica temperatur między wlotem a wylotem czynnika.

3.2 Logika ochrony BMS przy utracie zasilania (BMS nieaktywny)

W przypadku utraty zasilania powyższa logika chłodzenia/grzania jest zachowana, a dodatkowo dodane są dwa wymuszone tryby cyrkulacji własnej jako zabezpieczenie:

3.3 Priorytet trybów

Chłodzenie > Grzanie > Cyrkulacja własna; cyrkulacja własna może być bezpośrednio nadpisana przez warunki wymuszone (3.2).

4. Komunikacja

Niniejszy raport nie obejmuje zewnętrznych protokołów komunikacyjnych, lecz zaleca ujednolicenie następujących interfejsów i punktów danych podczas akwizycji danych w terenie, w celu ułatwienia rozliczenia RTE przez nadrzędny EMS:

• BMS → EMS: napięcie/prąd DC baterii, SOC, SOH, temperatura pojedynczych ogniw.
• PCS → EMS: napięcie/prąd/moc po stronie AC, stan ładowania/rozładowania, słowo statusu błędu.
• Agregat chłodzenia cieczą → EMS: temperatura wylotu, status pracy sprężarki/pompy, bieżący tryb (chłodzenie/grzanie/cyrkulacja własna).

5. Procedura operacyjna i podstawy obliczeń

5.1 Łańcuch energetyczny bazowy

• Sprawność DC round-trip baterii 94%, rozdzielona symetrycznie jako 96,95% × 96,95%
• Sprawność ładowania/rozładowania PCS wynosi 97,3%
• DoD = 95%

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

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

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

Sprawność teoretyczna systemu bez uwzględnienia chłodzenia cieczą i stałego zużycia pomocniczego (rdzeń PCS + bateria):

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

5.2 Łańcuch energetyczny jednego cyklu

• Ścieżka ładowania: sieć → PCS (×97,3%) → bateria DC (×96,95%) → magazynowanie 247,95 kWh.
• Ścieżka rozładowania: bateria DC (×96,95%) → PCS (×97,3%) → wyjście AC brutto 233,91 kWh.
• Zużycie pomocnicze chłodzenia cieczą i innych urządzeń pomocniczych przedstawione jest jako gałąź zmienna: po stronie ładowania dodawane jest zużycie pomocnicze do poboru z sieci, po stronie rozładowania zużycie pomocnicze jest odejmowane od wyjścia brutto PCS.

5.3 Formuły ogólne

Niech $\delta$ oznacza współczynnik wypełnienia chłodzenia (współczynnik wypełnienia cyrkulacji własnej wynosi $1-\delta$). Dla jednego pełnego cyklu przy pełnej mocy czas ładowania $T_{\text{ch}} = E_{\text{grid\_in\_basic}} / P_{\text{rated}} = 2,103 \text{ h}$, czas rozładowania $T_{\text{dis}} = E_{\text{AC\_gross}} / P_{\text{rated}} = 1,871 \text{ h}$.

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

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

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

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

Forma zamknięta po podstawieniu (po eliminacji zmiennej pośredniej $P_{\text{liq\_avg}}$):

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

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

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

5.4 Scenariusze zużycia pomocniczego

Stałe zużycie pomocnicze: BMS + EMS = 200 W, osuszacz = 60 W (praca ciągła), łącznie $P_{\text{aux\_fixed}} = 260 \text{ W}$. Agregat chłodzenia cieczą modelowany jest w 8 typowych stanach:

[1] Warunek wyzwolenia cyrkulacji własnej: uruchomienie przy różnicy temperatur wlot-wylot $\Delta T \geq 4\,°C$, zatrzymanie przy $\Delta T \leq 2\,°C$. Gdy bateria jest w stanie spoczynku i różnica temperatur jest mała, chłodzenie cieczą faktycznie znajduje się w wierszu „wyłączone" (0 kW); podczas ładowania/rozładowania lub przy wzroście temperatury przechodzi do wiersza „cyrkulacja własna" (0,25 kW). Przy utracie zasilania BMS, jeśli temperatura wylotu $T_{\text{outlet}} \geq 38\,°C$ lub $\leq 8\,°C$, następuje wymuszone przejście do cyrkulacji własnej na 120 s.

5.5 Wnioski i zalecenia

• Rdzeniowa RTE 88,95%; po uwzględnieniu stałego zużycia pomocniczego 260 W RTE netto wynosi ok. 88,6%; przy cyrkulacji własnej chłodzenia cieczą spada do 88,27%; przy 50% współczynniku wypełnienia chłodzenia wynosi 86,70%.
• Aby zagwarantować systemową nominalną RTE 88,5%, na podstawie $\eta_{\text{RTE\_net}} \geq 0,885$ obliczamy wstecz:

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

  co oznacza, że łączna średnia moc chłodzenia cieczą + stałych urządzeń pomocniczych w jednym cyklu musi wynosić ≤ 0,35 kW (z czego sam agregat chłodzenia cieczą ≤ 0,09 kW, czyli praktycznie w stanie wyłączonym lub bliskim cyrkulacji własnej).
• Uwaga dotycząca cyrkulacji własnej: zgodnie z logiką sterowania w punkcie 3.1, cyrkulacja własna uruchamia się tylko wtedy, gdy $\Delta T \geq 4\,°C$, i nie działa przez cały czas. Gdy bateria jest w stanie spoczynku i różnica temperatur jest mała, chłodzenie cieczą faktycznie jest „wyłączone" (0 kW), a RTE może osiągnąć 88,62%; podczas ładowania/rozładowania i wzrostu temperatury następuje przejście do cyrkulacji własnej (0,25 kW), a RTE wynosi ok. 88,27%. Powyższy cel sterowania ≤ 0,09 kW nie jest spełniony podczas wymuszonej cyrkulacji własnej przy utracie zasilania BMS (ochrona graniczna 120 s).

6. Uwagi

1. Łańcuch energetyczny w niniejszym raporcie opiera się na założeniu symetrycznej sprawności ładowania/rozładowania. Jeśli w warunkach rzeczywistych sprawność PCS wykazuje znaczne odchylenia w różnych zakresach SOC/mocy, należy przeprowadzić ponowne dopasowanie segmentowe.
2. Współczynnik wypełnienia chłodzenia/grzania agregatu chłodzenia cieczą różni się znacząco w zależności od temperatury otoczenia. RTE powinna być rozliczana w zakresie temperatur uzgodnionych w umowie.
3. Jeśli osuszacz pracuje w trybie start/stop w zależności od potrzeb, a nie jako ciągłe 60 W, w formule należy zastąpić składnik stałą rzeczywistym współczynnikiem wypełnienia.
4. Po starzeniu się baterii sprawność DC round-trip spada. Rozliczenie RTE powinno jednocześnie uwzględniać współczynnik korekcji SOH.
5. Wszystkie wartości mocy/energii są statystykami dla jednego cyklu i nie mogą być bezpośrednio ekstrapolowane na dane dzienne/miesięczne.

Załącznik A Definicje symboli

A.1 Parametry systemu

A.2 Sprawność i energia bazowa

A.3 Czas i moc pomocnicza

A.4 Agregat chłodzenia cieczą

A.5 Energia i RTE na poziomie systemu

A.6 Konwencje nazewnictwa symboli

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