Ефективність системи та власне споживання C&I BESS

Аналітичний звіт про енергетичний ланцюг та допоміжне енергоспоживання комерційно-промислової шафи зберігання енергії для одного циклу заряджання-розряджання

Цей звіт стосується комерційно-промислової шафи зберігання енергії 125 кВт / 261 кВт год і аналізує енергетичний ланцюг одного повного циклу DOD 0% → 95% → 0%. Номінальний AC-AC RTE системи становить 88,5%, тому, крім ККД PCS та DC round-trip батареї, необхідно додатково відняти допоміжне енергоспоживання рідинної охолоджувальної установки, BMS/EMS та осушувача.

• Базовий RTE (PCS + батарея, без урахування допоміжних систем): 88,95%
• Споживання рідинного охолодження за один цикл при номінальному робочому циклі охолодження: приблизно 5,8 – 8,1 кВт год (діапазон від 50% робочого циклу та вище до максимальної потужності)
• Відповідний діапазон чистого RTE системи: 85,15% – 87,48% (від 25% охолодження до номінального охолодження, охоплює типові експлуатаційні умови)

1. Параметри системи

2. Підключення та клеми

Цей розділ не стосується зовнішнього підключення, а зосереджений на точках вимірювання енергії. Рекомендації такі:

• Вимірювання на боці мережі: двонаправлений лічильник на вихідних клемах мережевого вимикача в шафі, як джерело статистики для $E_{\text{grid\_in}}$ / $E_{\text{grid\_out}}$.
• Вимірювання на боці змінного струму PCS: двонаправлений лічильник на вихідних клемах змінного струму PCS для перевірки власного ККД PCS.
• Бік постійного струму батареї: вибірка шини постійного струму BMS для розрахунку DC round-trip ККД батареї.

3. Специфікація рідинної охолоджувальної установки

Установка використовує інверторний компресор + інверторний циркуляційний насос. Основним керуючим сигналом є температура окремих елементів батареї ($T_{\max}$ / $T_{\min}$), сигналом уставки є температура на виході рідини ($T_{\text{outlet}}$, налаштовується через BMS).

3.1 Логіка керування робочими режимами (BMS active)

Примітка: $T_{\max}$ / $T_{\min}$ — це максимальна/мінімальна температура окремих елементів батареї в шафі постійного струму; $\Delta T$ — різниця температур на вході та виході рідини.

3.2 Логіка захисту BMS при втраті живлення (BMS inactive)

При втраті живлення вищевказана логіка охолодження/нагріву зберігається, і додаються два додаткові захисти з примусовим самопрокачуванням:

3.3 Пріоритет режимів

Охолодження > Нагрів > Самопрокачування; самопрокачування може бути безпосередньо перевизначене примусовими умовами (3.2).

4. Зв'язок

Цей звіт не стосується зовнішніх протоколів зв'язку, але рекомендує стандартизувати наступні інтерфейси та точки збору даних на об'єкті для полегшення розрахунку RTE верхнім рівнем EMS:

• BMS → EMS: напруга/струм DC батареї, SOC, SOH, температура елементів.
• PCS → EMS: напруга/струм/потужність на боці змінного струму, стан заряджання/розряджання, слово несправності.
• Рідинна охолоджувальна установка → EMS: температура на виході рідини, пуск/зупинка компресора/насоса, поточний режим (охолодження/нагрів/самопрокачування).

5. Операційні кроки та основа розрахунків

5.1 Базова енергія ланцюга

• DC round-trip ККД батареї 94%, симетрично розділений як 96,95% × 96,95%
• ККД заряджання/розряджання PCS обидва 97,3%
• DoD = 95%

$$E_{\text{usable}} = 261 \times 95\% = 247.95 \text{ кВт год}$$

$$E_{\text{grid\_in\_basic}} = \frac{E_{\text{usable}}}{\eta_{\text{DC-AC}} \times \eta_{\text{AC-AC}}} = \frac{247.95}{0.973 \times 0.9695} = 262.84 \text{ кВт год}$$

$$E_{\text{AC\_gross}} = E_{\text{usable}} \times \eta_{\text{AC-AC}} \times \eta_{\text{DC-AC}} = 247.95 \times 0.9695 \times 0.973 = 233.91 \text{ кВт год}$$

Теоретичний ККД системи без урахування рідинного охолодження та фіксованого допоміжного споживання (базовий PCS + батарея):

$$\eta_{\text{core}} = \eta_{\text{DC-AC}} \times \eta_{\text{bat\_RT}} \times \eta_{\text{AC-AC}} = 0.973 \times 0.94 \times 0.973 = 88.95\%$$

5.2 Енергетичний ланцюг одного циклу

• Шлях заряджання: мережа → PCS (×97,3%) → DC батареї (×96,95%) → накопичено 247,95 кВт год.
• Шлях розряджання: DC батареї (×96,95%) → PCS (×97,3%) → валовий вихід змінного струму 233,91 кВт год.
• Енергоспоживання рідинного охолодження та допоміжних систем подається як плаваюча гілка: на боці заряджання додається допоміжне споживання, на боці розряджання воно віднімається з валового виходу PCS.

5.3 Загальні формули

Нехай $\delta$ — робочий цикл охолодження (робочий цикл самопрокачування $1-\delta$), час заряджання при повній потужності за один цикл $T_{\text{ch}} = E_{\text{grid\_in\_basic}} / P_{\text{rated}} = 2.103 \text{ год}$, час розряджання $T_{\text{dis}} = E_{\text{AC\_gross}} / P_{\text{rated}} = 1.871 \text{ год}$.

$$P_{\text{liq\_avg}} = P_{\text{liq,idle}} + k_{\text{cool}} \cdot \delta = 0.25 + 2.25\delta \quad \text{(кВт)}$$

$$E_{\text{grid\_in}} = E_{\text{grid\_in\_basic}} + T_{\text{ch}} \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \right) = 262.84 + 2.103 \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + 0.26 \right) \quad \text{(кВт год)}$$

$$E_{\text{grid\_out}} = E_{\text{AC\_gross}} - T_{\text{dis}} \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \right) = 233.91 - 1.871 \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + 0.26 \right) \quad \text{(кВт год)}$$

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

Замкнена форма після підстановки (проміжна змінна $P_{\text{liq\_avg}}$ виключена):

$$E_{\text{grid\_in}}(\delta) = 262.84 + 2.103 \cdot (0.25 + 2.25\delta + 0.26) = 263.91 + 4.732\,\delta \quad \text{(кВт год)}$$

$$E_{\text{grid\_out}}(\delta) = 233.91 - 1.871 \cdot (0.25 + 2.25\delta + 0.26) = 232.96 - 4.210\,\delta \quad \text{(кВт год)}$$

$$\eta_{\text{RTE\_net}}(\delta) = \frac{232.96 - 4.210\,\delta}{263.91 + 4.732\,\delta}$$

5.4 Сценарії допоміжного енергоспоживання

Фіксоване допоміжне споживання: BMS + EMS = 200 Вт, осушувач = 60 Вт (постійна робота), разом $P_{\text{aux\_fixed}} = 260 \text{ Вт}$. Рідинна охолоджувальна установка моделюється у 8 типових станах:

[1] Умова запуску самопрокачування: різниця температур на вході та виході $\Delta T \geq 4\,°C$ — запуск, $\Delta T \leq 2\,°C$ — зупинка. Коли батарея простоює і різниця температур мала, рідинне охолодження фактично перебуває в стані «вимкнено» (0 кВт); під час заряджання/розряджання або підвищення температури активується стан «самопрокачування» (0,25 кВт). При втраті живлення BMS, якщо температура на виході $T_{\text{outlet}} \geq 38\,°C$ або $\leq 8\,°C$, примусово активується самопрокачування на 120 с.

5.5 Висновки та рекомендації

• Базовий RTE 88,95%; з урахуванням 260 Вт фіксованого допоміжного споживання чистий RTE становить приблизно 88,6%; при самопрокачуванні рідинного охолодження знижується до 88,27%; при робочому циклі охолодження 50% становить 86,70%.
• Для забезпечення номінального системного RTE 88,5%, з $\eta_{\text{RTE\_net}} \geq 0.885$ зворотний розрахунок дає:

  $$P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \leq 0.348 \text{ кВт} \;\Rightarrow\; P_{\text{liq\_avg}} \leq 0.088 \text{ кВт}$$

  Тобто середня потужність рідинного охолодження + фіксованого допоміжного споживання за один цикл має бути ≤ 0,35 кВт (з яких сама рідинна охолоджувальна установка ≤ 0,09 кВт, що фактично відповідає вимкненому стану або стану, близькому до самопрокачування).
• Виноска щодо самопрокачування: відповідно до логіки керування з розділу 3.1, самопрокачування запускається лише при $\Delta T \geq 4\,°C$ і не працює постійно. Коли батарея простоює і різниця температур мала, фактично активний стан «рідинне охолодження вимкнено» (0 кВт), RTE може сягати 88,62%; під час заряджання/розряджання та підвищення температури активується самопрокачування (0,25 кВт), RTE становить приблизно 88,27%. Вищевказаний цільовий показник ≤ 0,09 кВт не виконується під час примусового самопрокачування при втраті живлення BMS (захист межі 120 с).

6. Застереження

1. Енергетичний ланцюг у цьому звіті базується на припущенні симетричного ККД заряджання та розряджання. Якщо ККД PCS на об'єкті значно відрізняється в різних діапазонах SOC/потужності, слід виконати повторну апроксимацію за сегментами.
2. Робочий цикл охолодження/нагріву рідинної охолоджувальної установки суттєво відрізняється за різних температур навколишнього середовища, RTE слід розраховувати в межах температурного діапазону, визначеного в угоді.
3. Якщо осушувач працює за потребою, а не постійно на 60 Вт, у формулі фіксований член слід замінити фактичним робочим циклом.
4. Після старіння батареї DC round-trip ККД знижується, і розрахунок RTE має одночасно враховувати поправочний коефіцієнт SOH.
5. Усі значення потужності/енергії є статистичними для одного циклу і не можуть бути прямо екстрапольовані на добові/місячні дані.

Додаток A Визначення символів

A.1 Параметри системи

A.2 ККД та базова енергія

A.3 Час та допоміжна потужність

A.4 Рідинна охолоджувальна установка

A.5 Енергія та системний RTE

A.6 Угода про іменування символів

• Нижній індекс in / out означає енергію, що входить/виходить з/у мережу.
• Нижній індекс ch / dis означає процес заряджання/розряджання.
• Нижній індекс aux означає допоміжну систему, нижній індекс liq означає рідинне охолодження.
• Нижній індекс idle / cool / heat / max означає режим роботи рідинного охолодження.
• Нижній індекс max / min (без префіксів) означає максимальну/мінімальну температуру окремого елемента батареї (а не рівень потужності).
• Грецька літера $\eta$ означає ККД, $\delta$ означає робочий цикл (зверніть увагу на відмінність від DoD), $\Delta$ означає різницю.