Как рассчитать параметры коммерческой системы хранения энергии на аккумуляторах

Когда компания начинает рассматривать накопители энергии, один из первых вопросов обычно звучит так: Каким должен быть размер системы?

Не существует единственного ответа, основанного только на размере здания или ежемесячном счете за электроэнергию. Заводу со стабильным энергопотреблением может потребоваться совершенно иная аккумуляторная система, чем другому заводу с тем же месячным потреблением, но с короткими и дорогостоящими пиками потребления.

Для большинства коммерческих проектов подбор размера аккумуляторной системы сводится к двум вопросам:

• Какую мощность система должна обеспечивать единовременно?
• Как долго она должна продолжать выдавать эту мощность?

Первый вопрос определяет мощность системы в kW. Второй определяет ёмкость аккумуляторной батареи в kWh.

Простая исходная формула

Требуемая ёмкость аккумуляторной батареи = Нагрузка × Время работы ÷ Полезная DoD ÷ КПД системы

Эта формула даёт полезную отправную точку, но итоговый размер системы также должен учитывать фактический профиль нагрузки, пиковый спрос, критические нагрузки и ожидаемое старение аккумуляторной батареи.

Начните с назначения аккумуляторной батареи

Прежде чем выполнять какие-либо расчёты, определите, что аккумуляторная батарея должна делать в первую очередь.

Система, предназначенная для срезания пиков, рассчитывается не так, как система, предназначенная для аварийного резервирования. Аккумуляторная батарея, используемая для хранения дневной солнечной энергии, также может потребовать другой конфигурации.

Срезание пиков

Срезание пиков означает использование аккумуляторной батареи, когда потребность объекта в мощности превышает выбранный предел.

Например, завод обычно может работать на уровне около 500kW, но иногда потребление может возрастать до 750kW.. Если цель — удерживать потребление из сети ниже 600kW, аккумуляторной батарее может потребоваться обеспечивать до 150kW в течение пикового периода.

В этом случае основные вопросы следующие:

• Сколько kW необходимо сократить?
• Сколько обычно длится пик?
• Как часто это происходит?

Резервное питание

Для резервного питания расчет начинается с оборудования, которое должно продолжать работать при отключении электросети.

Это не всегда означает поддержку всего объекта. Во многих проектах батарее достаточно питать только выбранные критически важные нагрузки, такие как:

• Системы управления производством
• Освещение и связь
• Холодильное оборудование
• Водяные насосы
• Системы безопасности
• Отдельные производственные машины

Отделение критически важных нагрузок от несущественных часто делает проект гораздо более практичным и доступным по цене.

Накопление солнечной энергии

В проекте солнечной генерации с накоплением энергии батарея может заряжаться, когда выработка солнечной энергии превышает нагрузку объекта, и разряжаться позже в течение дня.

Для такого типа проекта требуются почасовые данные о солнечной генерации и потреблении электроэнергии. Только месячных итогов недостаточно, поскольку они не показывают, когда энергия производится или используется.

Для проектов, ориентированных главным образом на согласование емкости аккумуляторной батареи с производством фотоэлектрической энергии, см. наше руководство по подбору емкости аккумуляторной батареи для солнечной энергосистемы.

kW и kWh — это не одно и то же

Это один из наиболее важных моментов при расчете емкости коммерческой аккумуляторной батареи.

kW показывает, сколько мощности система может обеспечить

Номинальная мощность BESS измеряется в kW. Она показывает, с какой мощностью система может заряжаться или разряжаться единовременно.

В большинстве коммерческих систем эта мощность определяется главным образом PCS, или системой преобразования мощности.

100kW PCS обычно может обеспечивать около 100kW непрерывной мощности при номинальных условиях. Даже при подключении к аккумуляторной батарее 500kWh система все равно не сможет непрерывно поддерживать нагрузку 150kW, если у нее нет достаточной емкости PCS.

kWh показывает, как долго батарея может работать

Емкость аккумулятора измеряется в kWh.

Простой способ понять эту взаимосвязь:

• Аккумулятор 100kWh, поддерживающий нагрузку 50kW, имеет теоретическое время работы два часа.
• Аккумулятор 200kWh, поддерживающий нагрузку 50kW, имеет теоретическое время работы четыре часа.
• Аккумулятор 500kWh, поддерживающий нагрузку 250kW, имеет теоретическое время работы два часа.

Это теоретические значения. Фактическое время работы будет ниже, поскольку часть емкости аккумулятора обычно резервируется, а энергия также теряется при заряде и разряде.

kW показывает, какую нагрузку может выдерживать BESS.

kWh показывает, как долго он может выдерживать эту нагрузку.

По возможности используйте реальные данные о нагрузке

Ежемесячные счета за электроэнергию полезны, но редко дают достаточно подробных данных для точного подбора BESS.

Наиболее полезной информацией обычно является профиль нагрузки 15-minute или 30-minute. Он показывает, как потребность в мощности изменяется в течение дня.

При анализе данных нагрузки обратите внимание на:

• Максимальная нагрузка
• Средняя рабочая нагрузка
• Суточное потребление электроэнергии
• Время максимальной нагрузки
• Продолжительность пикового периода
• Различия между рабочими днями и выходными
• Сезонные изменения
• Критическая нагрузка при отключении электроэнергии

Рассмотрим два завода, каждый из которых потребляет 300,000kWh в месяц.

Один завод может работать со стабильной нагрузкой в течение дня. У другого может быть резкий двухчасовой пик, вызванный одновременным запуском нескольких производственных линий. Хотя их месячное потребление схоже, требования к аккумуляторным батареям будут сильно различаться.

Как рассчитать требуемую мощность PCS

Мощность PCS должна быть достаточной, чтобы выдерживать максимальную мощность, ожидаемую от аккумуляторной батареи.

Для резервного электропитания

Сложите критически важные нагрузки, которые могут работать одновременно.

Предположим, критическая нагрузка составляет 80kW.. Добавление запаса 20% дает:

80kW × 1.2 = 96kW

Разумным выбором может быть 100kW PCS.

Дополнительный запас может помочь покрыть временные изменения нагрузки, будущие добавления оборудования и пусковой ток двигателей или компрессоров.

Для срезания пиков

Мощность PCS обычно должна соответствовать наибольшей мощности, которую необходимо снять с пика сети.

Например:

• Максимальное потребление объекта: 800kW
• Целевое потребление из сети: 600kW
• Требуемое снижение: 200kW

BESS должен быть способен обеспечить около 200kW в период пика.

На практике итоговый номинал PCS может быть немного выше, чтобы оставить некоторый рабочий запас.

Как рассчитать емкость аккумуляторной батареи

После определения требуемой мощности следующим шагом является расчет того, сколько энергии должна хранить аккумуляторная батарея.

Емкость аккумуляторной батареи = Нагрузка × Время работы ÷ DoD ÷ Эффективность системы

В этой формуле:

• Нагрузка — это требуемая выходная мощность аккумуляторной батареи в kW.
• Время работы — это требуемая продолжительность в часах.
• DoD — это используемая глубина разряда.
• Эффективность системы учитывает потери энергии в аккумуляторной батарее и PCS.

Пример резервного питания

Завод хочет обеспечить критическую нагрузку 100kW в течение двух часов.

• Критическая нагрузка: 100kW
• Время резервирования: 2 часов
• Доступная DoD: 90%
• КПД системы: 92%

Расчёт следующий:

100kW × 2 ÷ 0.90 ÷ 0.92 = 241.5kWh

Стандартная система около 250kWh или 261kWh может подойти в зависимости от доступной конфигурации и требуемого резерва.

Если той же нагрузке требуется четыре часа резервирования:

100kW × 4 ÷ 0.90 ÷ 0.92 = 483.1kWh

В этом случае можно рассмотреть систему около 500kWh.

Пример расчёта сглаживания пиков

Для сглаживания пиков ёмкость аккумулятора зависит как от целевого снижения, так и от продолжительности пика.

Предположим, завод хочет снизить потребление из сети на 200kW в течение двух часов.

Теоретическая потребность в энергии составляет:

200kW × 2 часов = 400kWh

С учётом DoD 90% и КПД системы 92%:

400kWh ÷ 0.90 ÷ 0.92 = 483.1kWh

Возможная конфигурация:

• Мощность около 200kW PCS
• Ёмкость аккумулятора около 500kWh

Однако фактическая кривая нагрузки может показать, что аккумулятору не нужно обеспечивать полную мощность 200kW в течение всех двух часов. В этом случае итоговая ёмкость аккумулятора может быть ниже.

Именно поэтому интервальные данные нагрузки гораздо полезнее, чем простое умножение максимального потребления на количество часов.

Чтобы понять финансовую цель этого применения, узнайте больше о том, как накопители энергии позволяют снижать плату за мощность.

Не используйте полную паспортную мощность

Батарея с номиналом 500kWh обычно не отдаёт нагрузке полные 500kWh.

Необходимо учитывать три фактора.

Глубина разряда

Глубина разряда показывает, какая часть номинальной ёмкости батареи доступна для нормальной эксплуатации.

При DoD 90% батарея 500kWh обеспечивает около 450kWh до учёта прочих потерь.

Системные потери

Часть энергии теряется в PCS, батарее, трансформаторе, кабелях и вспомогательном оборудовании.

Системы охлаждения, оборудование управления и системы противопожарной защиты также могут потреблять небольшое количество электроэнергии.

Старение батареи

Ёмкость батареи со временем постепенно снижается.

Если проект должен обеспечивать определённое время резервного питания и через несколько лет, начальный размер батареи может потребоваться больше, чем требуется в первый год.

Например, если проекту нужно 500kWh к концу планируемого периода эксплуатации, а ожидаемая остаточная ёмкость составляет 80%:

500kWh ÷ 0.80 = 625kWh

Это не означает, что каждый проект должен иметь одинаковый запас по мощности. Запас следует определять исходя из гарантии на батарею, ожидаемого числа циклов и условий эксплуатации.

Типичные ошибки при подборе коммерческих BESS

Учёт только месячного потребления электроэнергии

Месячное потребление не показывает, когда возникают пики нагрузки и как долго они длятся.

Выбор ёмкости батареи без проверки мощности PCS

Большая батарея не сможет питать большую нагрузку, если PCS слишком мала.

Отождествление номинальной ёмкости с полезной ёмкостью

DoD, потери на эффективность и настройки резерва снижают количество энергии, доступной нагрузке.

Попытка обеспечить резервное питание для всех нагрузок

Поддержка всего объекта может сделать систему намного больше, чем необходимо. Часто лучше определить оборудование, которому действительно нужно бесперебойное питание.

Игнорирование пусковой мощности двигателей

Насосы, компрессоры и промышленные двигатели могут потреблять значительно больше мощности при запуске, чем при нормальной работе.

Выбор максимально большой системы

Батарея большего размера не всегда означает более выгодную инвестицию. Если батарея редко используется полностью, дополнительная емкость может просто увеличить стоимость проекта.

Какую информацию следует подготовить перед расчетом размера BESS?

Поставщик обычно может подготовить более точную рекомендацию, если доступна следующая информация:

• Местоположение проекта
• Напряжение и частота сети
• Недавние счета за электроэнергию
• Данные о нагрузке 15-minute или 30-minute
• Максимальная нагрузка
• Критическая нагрузка
• Требуемое время резервного питания
• Существующая или планируемая мощность солнечной генерации
• Мощность трансформатора
• Доступное монтажное пространство
• Основное назначение аккумуляторной системы

Даже если не все данные доступны, наиболее важная информация — это максимальная нагрузка, критическая нагрузка, ожидаемое время работы и цель проекта.

Часто задаваемые вопросы

Батарея какой емкости нужна для нагрузки 100kW?

Для двух часов резервного питания нагрузка 100kW может потребовать около 240kWh или больше с учетом DoD и эффективности системы. Для четырех часов требуемая емкость может составлять около 480kWh или больше.

Нужна ли батарея 100kWh для 100kW PCS?

Не обязательно. 100kW PCS с батареей 100kWh — это примерно система на один час. Тот же PCS также можно сочетать с 200kWh, 400kWh или более, в зависимости от требуемого времени работы и скорости разряда батареи.

Какой объем аккумуляторного хранения нужен заводу?

Это зависит от того, какие задачи должна выполнять батарея. Небольшому проекту по сглаживанию пиков может потребоваться всего несколько сотен kWh, тогда как для длительного промышленного резервирования может потребоваться несколько MWh.

Может ли одна и та же BESS обеспечивать как резервное питание, так и сглаживание пиков?

Да, но стратегия работы должна резервировать достаточную емкость батареи для резервного питания. Если батарея сильно разряжается для сглаживания пиков, у нее может не остаться достаточно энергии при возникновении отключения.

Стоит ли устанавливать дополнительную емкость аккумуляторной батареи?

Разумный резерв может быть полезен с учетом старения аккумуляторной батареи и будущего роста нагрузки. Однако добавление емкости без четкой эксплуатационной необходимости может удорожить систему и снизить финансовую отдачу.

Выбор практичного размера системы

Полезный дизайн BESS не начинается с модели продукта. Он начинается с фактического электропотребления объекта.

Сначала определите задачу, которую должна выполнять аккумуляторная батарея. Затем рассчитайте требуемую мощность, время работы и полезную емкость аккумуляторной батареи. После этого в расчет можно добавить такие технические факторы, как DoD, КПД, пусковая мощность электродвигателя и старение аккумуляторной батареи.

Для простого проекта резервного питания расчет может быть простым. Для сглаживания пиков или управления солнечной энергией кривая нагрузки обычно является наиболее важной информацией.

Цель — не выбрать самую большую аккумуляторную батарею. Цель — выбрать систему, которая может выполнить требуемую задачу, не оставляя большой объем дорогостоящей емкости неиспользованным.

Вы также можете изучить наши коммерческие и промышленные системы хранения энергии чтобы сравнить различные конфигурации шкафных и контейнерных BESS.